Variational methods for solving engineering problems

Michaela Bailová

Doctoral thesis

Abstract:

Hlavním předmětem dizertační práce je hledání slabých řešení okrajových úloh s $p$-Laplaciánem. Zvolený přístup je založen na skutečnosti, že tato řešení odpovídají kritickým bodům příslušného funkcionálu. V práci jsou rozebírány dva typy kritických bodů. Úvodní část se zabývá kritickými body ve formě minima a představuje dva různé přístupy. První z nich využívá základní větu variačního počtu a klasickou teorii z této disciplíny, druhá metoda je založena na Ekelandově variačním principu. Následně jsou provedeny dva důkazy existence a jednoznačnosti slabého řešení Poissonovy úlohy s $p$-Laplaciánem a Dirichletovými okrajovými podmínkami. Nejdůležitější část práce je věnována různým typům kritických bodů a je hlavním tématem výzkumu autorky. Jsou nastíněny tři různé přístupy. Prvním z nich je slavná Věta o přechodu hory a související algoritmus. Následuje věta o minimaxu na polopřímkách, která může být považována za alternativu k Větě o přechodu hory. Rovněž je připojen kompletní důkaz a algoritmus založený na tomto novém přístupu. Poslední z představených metod lze dokonce považovat za alternativu k celému přístupu postavenému na konceptu minimaxu. Dá se ukázat, že netriviální řešení daného problému souvisí s minimem jistého funkcionálu, který tentokrát není energetickým funkcionálem, a některá řešení odpovídají jeho minimu. Opět budou formulovány klíčové věty, důkazy a dva numerické algoritmy založené na tomto přístupu. Všechny představené metody jsou poté použity k důkazu existence netriviálních slabých řešení daného problému. Závěrečná část práce se věnuje numerickým experimentům. První z nich je zaměřen na směr poklesu, jehož volba patří mezi obtížnější části výzkumu, a volbu ukončovacího kritéria. Následně jsou všechny numerické metody aplikovány na zadanou okrajovou úlohu, díky čemuž je možno je analyzovat a porovnat jejich chování a výkon. Dle názoru autorky je jedním z hlavních přínosů práce věta o minimaxu na polopřímkách, důkazy, teoretický základ a numerický algoritmus. Dalším podstatným výsledkem je nový přístup, který je alternativou k metodám založeným na hledání minimaxu, opět včetně kompletních důkazů. Rovněž volba směru poklesu je zajímavým tématem, které v minulosti nikdy nebylo řádně diskutováno.

Abstract:

The main object of the thesis is finding weak solutions of nonlinear boundary value problems with $p$-Laplacian. The approach is based on the fact that such solutions are related to critical points of the corresponding functional. In the thesis, two types of critical points are investigated. The first part deals with critical points in the form of minimum, and two different approaches are introduced. One uses the fundamental theorem of the calculus of variations and a classical theory from the calculus of variations, while the other method is based on Ekeland's variational principle. Consequently, two alternative proofs of the existence and uniqueness of a weak solution of the Poisson equation with $p$-Laplacian and Dirichlet boundary conditions are presented. The most important part of the thesis is devoted to various types of critical points, which are the main topic of the author's research. Three different approaches are proposed. First, the famous Mountain pass theorem and the original mountain pass algorithm are introduced. Then, a ray minimax theorem that can be considered an alternative to the classical Mountain pass theorem for certain types of problems is proposed. A complete proof and an algorithm based on the introduced method are also included. The last presented approach can even be considered an alternative to the whole mountain pass-based method. It is shown that the nontrivial solutions of the problem are related to critical points of a certain functional different from the energy functional, and some solutions correspond to its minimum. The crucial theorems, proofs, and two numerical algorithms based on the introduced approach are also proposed. All three approaches are then applied to prove the existence of nontrivial critical points of the given problem. The final part of the thesis is devoted to numerical experiments. The first one focuses on the choice of the descent direction, which is a challenging part of the research, and the possible stopping criterion for the introduced algorithms. Consequently, the presented numerical methods are applied to the given boundary value problems and their behaviour and performance are analyzed and compared. According to the author's opinion, one of the main contributions of the thesis is the ray mountain pass theorem, the proofs, the theoretical background and the numerical algorithm. Another significant result is the new method that is an alternative to the mountain pass-based approach, again including complete proofs. Also, the choice of the descent direction is an interesting topic that has never been adequately discussed before.

Keywords

p-Laplacián, kvazilineární eliptická PDR, kritický bod a hodnota, extrémy, Věta o přechodu hory, věta o minimaxu, minimax algoritmus, optimalizační algoritmus

Keywords

p-Laplacian operator, quasilinear elliptic PDE, critical point and value, extrema, Mountain pass theorem, minimax theorem, minimax algorithm, optimization algorithm.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 2. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 19. 5. 2023
• Supervisor: Jiří Bouchala
• Reader: Martin Plešinger, Petr Vodstrčil, Gabriela Holubová

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika / Výpočetní a aplikovaná matematika