- Supplementary Content
3
- 10.14279/depositonce-2879
Numerical analysis of PDE constrained optimal control problems with pointwise inequality constraints on the state and the control
- Jul 14, 2011
- DepositOnce
- Ira Neitzel
Gegenstand dieser Arbeit ist die numerische Analysis von Optimierungsproblemen mit partiellen Differentialgleichungen (PDEs), deren Zustand oder Steuerung punktweisen Ungleichungsbeschränkungen unterliegt. Wir interessieren uns insbesondere für nichtkonvexe Probleme mit semilinearer Zustandsgleichung. Es liegt in der Natur derartiger Probleme, dass eine Lösung oftmals nur numerisch gefunden werden kann. Man interessiert sich deshalb für den Fehler zwischen einer (lokalen) Lösung des kontinuierlichen Problems und einer zugehörigen (lokalen) diskreten Lösung. Eine umfassende Diskussion des kontinuierliche Problems ist dabei eine Grundvoraussetzung. Insbesondere bei vorhanden punktweisen Zustandsbeschränkungen treten spezifische Schwierigkeiten sowohl analytischer als auch numerischer Art auf, denen man entweder direkt oder mit Hilfe von Regularisierungsansätzen begegnen kann. Mit dieser Dissertation leisten wir auf verschiedene Weise neue Beiträge zur Diskussion von Optimalsteuerungsproblemen mit punktweisen Zustandsschranken aber auch reinen Kontrollschranken. Nach kurzer Einführung in die Thematik und Bereitstellung gewisser Grundlagen beschäftigen wir uns in Kapitel 3 mit einem elliptischen semiinfiniten Optimalsteuerungsproblem. Bekannte Resultate zu notwendigen und hinreichenden Optimalitätsbedingungen, die vergleichsweise hohe Regularität von Lösungen elliptischer PDEs und die Endlichdimensionalität des Steuerungsraumes lassen eine direkte Diskussion von a priori Diskretisierungsfehlerabschätzungen für dieses Problem zu. Unser Hauptergebnis in diesem Kapitel ist eine a priori Fehlerschranke der Ordnung O(h^2|ln h|) für lokale Lösungen einer Finite-Elemente-Diskretisierung des Optimalsteuerungsproblems mit Gitterweite h in einem zweidimensionalen Ortsgebiet. Dazu stellen wir gewisse Annahmen an die Struktur der aktiven Menge. In Kapitel 4 betrachten wir ein parabolisches Optimalsteuerungsproblem mit punktweise beschräkten Steuerungsfunktionen, semilinearer Zustandsgleichung und punktweisen Zustandsbeschränkungen im gesamten Orts-Zeit-Gebiet. Im Gegensatz zu dem in Kapitel 3 diskutierten elliptischen Problem sind hier u.a. hinreichende Bedingungen zweiter Ordnung nur für eindimensionale Ortsgebiete verfügbar. Auch läßt die Verwendung von Steuerungsfunktionen an Stelle endlich vieler Parameter keine sinnvollen a priori Annahmen an die Struktur der aktiven Menge zu. Wir regularisieren daher das Problem mit der auf Meyer, Rösch und Tröltzsch zurückgehenden Lavrentievregularisierung, und können so unter anderem auf bekannte Resultate zurückgreifen, die eine höhere Regularität der Lagrangeschen Multiplikatoren sichern und eine tiefergehende Analysis ermöglichen. Wir beweisen ein Konvergenzresultat für lokale Lösungen des regularisierten Problems und weisen die lokale Eindeutigkeit regularisierter Lösungen nach. In Kapitel 5 untersuchen wir die Finite-Element-Diskretisierung eines kontrollbeschränkten parabolischen Optimalsteuerungsproblems mit semilinearer Zustandsgleichung. Wir beweisen Fehlerordnungen für diskrete lokale Lösungen in der L^2-Norm. Dabei erweitern wir Resultate, die für linear-quadratische Probleme bekannt sind, auf den nichtkonvexen Fall. Es müssen insbesondere Beschränktheitsresultate in der L^infty-Norm der semidiskreten und diskreten Zustände gezeigt werden, die unabhängig von den Diskretisierungsparametern gelten. Außerdem erfordert die Diskussion lokal optimaler Lösungen, dass Konvergenzresultate und quadratische Wachstumsbedingungen in denselben Normen betrachtet werden.
Read more