Existence, unicité, approximations de solutions d'équations cinétiques et hyperboliques

201 Pages·2016·2.19 MB·French

by  Damien Broizat

Université Nice Sophia Antipolis - UFR Sciences
Ecole doctorale des Sciences Fondamentales et Appliquées
THÈSE
pour obtenir le titre de
Docteur en Sciences
de l’Université Nice Sophia Antipolis
Spécialité : Mathématiques
présentée et soutenue par
Damien
Broizat
Existence, unicité, approximations de
solutions d’équations cinétiques et
hyperboliques
Berthelin
Thèse dirigée par Florent
Jabin
et Pierre-Emmanuel
soutenue le 11 juillet 2013
au laboratoire Jean Alexandre Dieudonné
Jury :
Rapporteur M. Stéphane Mischler Université Paris Dauphine
Rapporteur M. Pierre Degond Université Toulouse III
Directeur M. Florent Berthelin Université Nice Sophia Antipolis
Co-directeur M. Pierre-Emmanuel Jabin University of Maryland
Examinateur Mme Sylvie Benzoni-Gavage Université Lyon I
Examinateur M. Thierry Goudon INRIA Sophia Antipolis

i
Cette thèse est placée sous licence Creative Commons CC BY-NC-ND 3.0
ii
Remerciements
Le temps est venu pour moi de faire un bilan de toutes ces années pas-
sées au laboratoire Dieudonné, et de remercier chaleureusement les personnes
ayant contribué à l’élaboration de cette thèse.
Mes premiers remerciements vont bien évidemment à mes directeurs de
thèse, Pierre-Emmanuel Jabin et Florent Berthelin, qui pendant six longues
années m’ont patiemment encadré, avec beaucoup de bienveillance et un très
grand professionnalisme, en me lançant sur des sujets riches et passionnants
qui ont mené à chaque fois à de beaux résultats. J’envierais presque leurs
futurs thésards...
Merci également aux Professeurs Stéphane Mischler et Pierre Degond,
qui m’ont fait l’honneur de rapporter sur ma thèse. J’ai beaucoup de chance
d’avoir bénéficié de l’avis d’experts reconnus.
J’adresseaussimesremerciementsauxProfesseursSylvieBenzoni-Gavage
et Thierry Goudon, qui ont accepté sans hésiter de faire partie de mon jury.
Jeremercievivementl’InspecteurGénéralCharlesTorossian,quipendant
mathèsem’adonnélachanced’exercerunmétierquej’adore,toutengardant
un œil vigilant sur l’avancement de mes travaux.
Je profite également de cette occasion pour rendre hommage à mes pro-
fesseurs, qui m’ont transmis leur passion : Jean-Jacques Técourt, François
Rouvière, Clemens Berger, Antoine Douai, Bernard Candelpergher, Jean-
Paul Speder, Yannick Baraud, Georges Comte, le regretté André Cerezo, et
bien d’autres.
Merciauxmembresdel’équipeEDP,notammentDavidChiron,Stéphane
Junca, Magali Ribot, pour leurs conseils et leur aide lors de nombreuses
discussions informelles.
Merci aux "voisins du quatrième", Ingo Waschkies, André Galligo, Mo-
hamed Elkadi, Didier Clamond, pour leur sympathie et leur bonne humeur,
qui sont toujours les bienvenues dans le quotidien d’un thésard!
Merci à Julien Barré et Joachim Yameogo pour m’avoir guidé dans mes
débuts d’enseignant.
Merci à Philippe Maisonobe et à Michel Merle pour avoir suivi de près
mon parcours à l’Université, et pour leur conseils empreints de sagesse.
Merci à tous les administratifs du laboratoire Dieudonné, secrétaires, bi-
bliothécaires, et à Jean-Marc Lacroix et Julien Maurin, qui gèrent le réseau
informatique d’une main de maître.
iii
Un grand merci à Marie-France Gallorini et Hélène Politano, de l’Ecole
Doctorale SFA, qui par leur dévouement m’ont évité bien des complications
administratives.
Bien entendu, je n’oublie pas les deux générations de doctorants que j’ai
côtoyés au laboratoire. Il y a d’abord les co-locataires du bureau 801 : Michel
Raibaut, Delphine Dupont, qui m’ont accueilli très chaleureusement, Cris-
tina Bertone, Pheakdei Mauk, Camilo Garcia, qui sont venus ensuite, et le
"petit dernier", Jean-Baptiste Campesato, qui assure la relève. Puis il y a les
autres : les plus anciens, Pierre Abbrugiati, Nicolas Basbois, Hugues Zuber,
Joan Millès, Benjamin Pergolizzi, Julianna Zsidó, Rémy Oudompheng, et la
deuxième génération, Camille Poignard, Marie Martin, Brice Eichwald (qui
ont soutenu juste avant moi), et j’en oublie...
Parmi ces compagnons de galère, il y en a deux que je voudrais parti-
culièrement citer : mon ami Gaël Selig que j’ai eu le plaisir de retrouver
après sa longue escapade parisienne, et avec qui j’ai partagé les angoisses,
doutes, et satisfactions, qui jalonnent la vie d’un thésard; et enfin, mon ami
etbeau-frèreAlainOlivetti,quiasuivimathèsedetrèsprès,etm’atémoigné
un indéfectible soutien, aussi bien d’un point de vue scientifique qu’humain.
Partager nos sciences et nos idées a été et reste toujours un passe-temps
privilégié.
Que mes collègues du lycée des Eucalyptus et ceux du lycée Jules Ferry
soient remerciés eux aussi, leur soutien a été précieux pendant les trois der-
nières années, particulièrement intenses. Je salue également mes deux pro-
motions d’étudiants de classes préparatoires, qui m’ont fait aimer le métier
d’enseignant, et me donnent le privilège de faire partager mes connaissances.
Jeremerciemesbeaux-parents,mesamisetmachèrebelle-sœurDelphine
Olivetti pour leur soutien et l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail.
Un très grand merci à mes parents, Jean-Pierre et Marie-José Broizat,
qui m’ont transmis la persévérance et le goût du travail bien fait. J’espère
les remplir de fierté en ce jour.
Je termine ces remerciements en nommant la personne la plus chère à
mes yeux : ma compagne Priscilla, qui a fait de nombreux sacrifices pour que
je puisse mener à bien cette thèse. Je te dédie ce travail, il est terminé en
partie grâce à toi, qui ne m’a jamais abandonné, même dans les moments les
plus difficiles.
iv
Table des matières
Introduction 3
1 Théorie cinétique et équation de Boltzmann . . . . . . . . . . 3
1.1 Modélisation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.2 Problème de Cauchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.1 Propriétésformellesdel’équationdeBoltzmann 9
1.2.2 Solutions dispersives de Kaniel, Illner, Shinbrot 10
1.2.3 Solutions renormalisées de DiPerna-Lions . . 11
2 Modèles de coagulation-fragmentation . . . . . . . . . . . . . . 14
2.1 Les modèles classiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1.1 Modèles homogènes en espace . . . . . . . . . 15
2.1.2 Le modèle inhomogène en espace . . . . . . . 20
2.2 Les modèles cinétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Le modèle cinétique pour la coagulation seule 23
2.2.2 Lemodèlecinétiquepourlafragmentationseule 25
2.2.3 Couplage coagulation-fragmentation . . . . . 28
3 Méthodes de moments sur des équations cinétiques . . . . . . 32
3.1 Présentation du problème . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2 Résultats obtenus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4 Modélisation du trafic routier . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.1 Les modèles de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Le modèle de Aw-Rascle . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.3 Les modèles avec contraintes . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.1 Présentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.3.2 Théorie d’existence pour le modèle CPGD . . 42
4.4 Le modèle multi-voies avec contraintes . . . . . . . . . 44
Références de l’introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
v
vi TABLE DES MATIÈRES
I A kinetic model for coagulation-fragmentation 55
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.1 The original model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
1.2 Spatially inhomogeneous models . . . . . . . . . . . . . 59
1.3 Description of the kinetic model and outline of the paper 62
1.4 Different notions of solutions . . . . . . . . . . . . . . . 68
2 A priori estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
2.1 Basic physical estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.2 Lq bounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3 A stability result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1 Weak compactness of (f ) . . . . . . . . . . . . . . . . 82
n
3.2 Weak compactness of the renormalized coalescence term 83
3.3 Weak convergence of the fragmentation term . . . . . . 86
3.4 Strong compactness of y-averages . . . . . . . . . . . . 87
3.5 Regularity in time of the limit f . . . . . . . . . . . . . 90
3.6 Passing to the limit in a new integral equation . . . . . 92
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
II Convergence rate for the method of moments with
linear closure relations 101
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.1 Quick presentation of the moments’ methods for kine-
tic equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
1.2 Linear closure relations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
1.3 Basic properties of the method and the main result . . 106
2 Stability and convergence results . . . . . . . . . . . . . . . . 108
2.1 Eigenvectors for System (1.12) . . . . . . . . . . . . . . 108
2.2 Stability estimate and kinetic interpretation of the me-
thod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
2.3 Error estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
3 Proof of Theorems 2.1 and 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.1 Elementary space decomposition . . . . . . . . . . . . . 114
3.2 Study of the condition (3.2) . . . . . . . . . . . . . . . 116
3.3 Study of the condition (3.3) . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.4 Study of the condition (3.4) . . . . . . . . . . . . . . . 122
3.5 Choice of φ on the subspace V . . . . . . . . . . . . . . 122
3.6 Proof of the theorem (2.2) : Synthesis . . . . . . . . . . 123
TABLE DES MATIÈRES vii
3.7 From Th. 2.2 to Th. 2.1 : Uniform stability estimate
on the BGK model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4 Error estimate : Proof of Th. 2.3 and Prop. 2.4 . . . . . . . . . 129
4.1 Estimates provided by the model . . . . . . . . . . . . 129
4.2 Proof of Prop. 2.4 : Error estimate in the smooth case . 131
4.3 Proof of Th. 2.3 : Error estimate in the general case . . 133
5 Proof of Th. 1.1 : Example of the Tchebychev points . . . . . 135
6 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
III A model for the evolution of traffic jams in multi-
lane 141
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
2 The ML-CPGD model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
3 Clusters dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
3.1 About uniqueness of the dynamics . . . . . . . . . . . 150
3.2 Collision between two blocks without change of width . 152
3.3 Narrowing of the road without collision . . . . . . . . . 154
3.4 Enlargement of the road without collision . . . . . . . 158
3.5 Compatibility of the dynamics . . . . . . . . . . . . . . 162
3.5.1 A train of blocks undergoes a narrowing . . . 162
3.5.2 Two blocks collide just before the road narrows162
3.5.3 A train of blocks undergoes an enlargement . 164
3.5.4 Two blocks collide just after the road widens . 164
3.5.5 The road follows 1 2 1 faster than the
→ →
block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.5.6 The road follows 2 1 2 faster than the
→ →
block . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.6 Block solutions and bounds . . . . . . . . . . . . . . . 165
4 Existence of weak solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
4.1 Approximation of the initial data by sticky blocks . . . 173
4.2 Existence result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
4.3 Compactness result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5 Appendix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
viii TABLE DES MATIÈRES