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PROPIEDADES CUALITATIVAS DE ESQUEMAS NUM ´ ERICOS DE APROXIMACI ´ ON DE ECUACIONES DE DIFUSI ´ ON Y DE DISPERSION Ioan Liviu Ignat Universidad Aut´ onoma de Madrid 15 September 2006 PhD Advisor Enrique Zuazua Iriondo Ioan Liviu Ignat (Universidad Aut´ onoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 1 / 59

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PROPIEDADES CUALITATIVAS DE ESQUEMASNUMERICOS DE APROXIMACION DE ECUACIONES

DE DIFUSION Y DE DISPERSION

Ioan Liviu Ignat

Universidad Autonoma de Madrid

15 September 2006

PhD Advisor Enrique Zuazua Iriondo

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 1 / 59

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Outline

Outline

1 Introduction

2 Schrodinger EquationA conservative schemeTwo-grid methodA viscous schemeFully discrete schemes

3 Wave Equation

4 An observability problem

5 Conclusions

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 2 / 59

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Introduction

Outline

1 Introduction

2 Schrodinger EquationA conservative schemeTwo-grid methodA viscous schemeFully discrete schemes

3 Wave Equation

4 An observability problem

5 Conclusions

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 3 / 59

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Introduction

Basic elements of classical numerical analysis

Consider the finite difference approximationiduh

dt+ ∆hu

h = 0, t > 0,

uh(0) = ϕh.

Here uh stands for the infinite vector unknown uhnn∈Z, uh

j (t) being theapproximation of the solution at the node xj = jh, and ∆h being theclassical second order finite difference approximation of ∂2

xu:

∆huh =

1h2

(uhj+1 − 2uh

j + uhj−1)

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Introduction

The scheme is consistent + stable in L2(R) and, accordingly, it is alsoconvergent.

The same convergence result holds for semilinear equationsiut + uxx = f(u), t > 0, x ∈ Ru(0, x) = ϕ(x), x ∈ R.

provided that the nonlinearity f : R → R is globally Lipschitz.

The proof is completely standard and only requires theL2-conservation property of the continuous and discrete equation.

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Introduction

But the nonlinear Schrodinger equation is also well-posed for somenonlinearities that grow superlinearly at infinity.

This well-posedness result may not be proved simply as a consequenceof the L2-conservation property. The dispersive properties of the LSEplay a key role.

Accordingly, one may not expect to prove convergence of thenumerical schemes without similar dispersive estimates, that shouldbe uniform on the mesh-size parameter h→ 0.

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Introduction

Qualitative properties

Decay rates

Dispersion

Propagation of the energy

Space-time estimates

Any property that is essential in the well-posedness of the continuousproblem

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Schrodinger Equation

Outline

1 Introduction

2 Schrodinger EquationA conservative schemeTwo-grid methodA viscous schemeFully discrete schemes

3 Wave Equation

4 An observability problem

5 Conclusions

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 8 / 59

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Schrodinger Equation

Linear Schrodinger Equation

iut + ∆u = 0, x ∈ Rd, t 6= 0,u(0, x) = ϕ(x), x ∈ Rd,

Conservation of the L2-norm

‖S(t)ϕ‖L2(Rd) = ‖ϕ‖L2(Rd)

Dispersive estimate

|S(t)ϕ(x)| ≤ 1(4π|t|)d/2

‖ϕ‖L1(Rd)

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Schrodinger Equation

Space time estimates

The α-admissible pairs

1q

= α

(12− 1r

)

Strichartz estimates for d/2-admissible pairs (q, r)

‖S(·)ϕ‖Lq(R, Lr(Rd)) ≤ C(q, r)‖ϕ‖L2(Rd)

Local Smoothing effect

supx0,R

1R

∫B(x0,R)

∫ ∞

−∞|(−∆)1/4eit∆ϕ|2dtdx ≤ C‖ϕ‖2

L2(Rd)

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Schrodinger Equation

Space time estimates

The α-admissible pairs

1q

= α

(12− 1r

)

Strichartz estimates for d/2-admissible pairs (q, r)

‖S(·)ϕ‖Lq(R, Lr(Rd)) ≤ C(q, r)‖ϕ‖L2(Rd)

Local Smoothing effect

supx0,R

1R

∫B(x0,R)

∫ ∞

−∞|(−∆)1/4eit∆ϕ|2dtdx ≤ C‖ϕ‖2

L2(Rd)

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 10 / 59

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Schrodinger Equation

Nonlinear Schrodinger Equation

iut + ∆u = |u|pu, x ∈ Rd, t 6= 0u(0, x) = ϕ(x), x ∈ Rd

• Initial data in L2(Rd)

Tsutsumi ’87 - Global existence for p < 4/d

u ∈ C(R, L2(Rd) ∩ Lqloc(R, L

r(Rd))

p = 4/d - small initial data

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Schrodinger Equation

A first numerical scheme for NSE

iduh

dt+ ∆hu

h = |uh|2uh, t 6= 0,

uh(0) = ϕh.

Questions

Does uh converge to the solution of NSE?

Is uh uniformly bounded in Lqloc(R, l

r(hZd))?Local Smoothing ?

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Schrodinger Equation

Tools

Semidiscrete Fourier transform

v(ξ) = (Fhv)(ξ) = hd∑j∈Zd

e−iξ·jhvj, ξ ∈ [−π/h, π/h]d

Oscillatory integrals, Van der Corput Lemma, Fourier multipliers,Poisson Integrals

Previous ideas of Keel & Tao ’98, Kenig, Ponce & Vega ’91, Christ &Kiselev ’01, Constantin & Saut ’89, Gigante & Soria ’02 ...

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Schrodinger Equation A conservative scheme

A conservative scheme

iduh

dt+ ∆hu

h = 0, t > 0,

uh(0) = ϕh.

In the Fourier space the solution uh can be written as

uh(t, ξ) = eitph(ξ)ϕh(ξ), ξ ∈[−πh,π

h

]d,

where

ph(ξ) =4h2

d∑k=1

sin2

(ξkh

2

).

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Schrodinger Equation A conservative scheme

The two symbols in dimension one

Lack of uniform l1 → l∞: ξ = ±π/2hLack of uniform local smoothing effect: ξ = ±π/h

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Schrodinger Equation A conservative scheme

Theorem

Let T > 0, r0 ≥ 1 and r > r0. Then

suph>0, ϕ∈lr(hZd)

‖Sh(T )ϕ‖lr(hZd)

‖ϕ‖lr0 (hZd)

= ∞

and

suph>0, ϕ∈lr(hZd)

‖Sh(·)ϕ‖L1((0,T ),lr(hZd))

‖ϕ‖lr0 (hZd)

= ∞.

Proof.

Wave packets concentrated at (π/2h)d

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Schrodinger Equation A conservative scheme

Theorem

Let be T > 0, s > 0 and q ≥ 1. Then

suph>0,ϕ∈lq(hZd)

hd∑|j|h≤1

|((−∆h)sSh(T )ϕ)j|2

‖ϕ‖2lq(hZd)

= ∞ (1)

and

suph>0,ϕ∈lq(hZd)

hd∑|j|h≤1

∫ T

0|((−∆h)sSh(t)ϕ)j|2dt

‖ϕ‖2lq(hZd)

= ∞. (2)

Proof.

Wave packets concentrated at (π/h)d

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Schrodinger Equation A conservative scheme

Filtering initial data

Initial data supported far from (±π/2h)d

‖Sh(t)ϕ‖l∞(hZd) . 1|t|d/2 ‖ϕ‖l1(hZd)

Strichartz like estimates: ‖Sh(·)ϕ‖Lq(R,lr(hZd)) . ‖ϕ‖l2(hZd)

Initial data supported far from (±π/h)d

Gain of 1/2 local space derivative

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Schrodinger Equation Two-grid method

Two-grid method, Glowinski ’90

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Schrodinger Equation Two-grid method

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Schrodinger Equation Two-grid method

Expansion and restriction operators

I-multilinear interpolator on 4hZd

Π : l2(4hZd) → l2(hZd) defined by (Πf)j = (If)j, j ∈ Zd

Π∗ : l2(hZd) → l2(4hZd): (Πf, g)l2(hZd) = (f, Π∗g)l2(4hZd)

Explicit expressions

(Πf)4j+r =4− r

4f4j +

r

4f4j+4, j ∈ Z, r ∈ 0, 1, 2, 3

(Π∗g)4j =3∑

r=0

4− r

4g4j+r +

r

4g4j−4+r, j ∈ Z.

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Schrodinger Equation Two-grid method

Expansion and restriction operators

I-multilinear interpolator on 4hZd

Π : l2(4hZd) → l2(hZd) defined by (Πf)j = (If)j, j ∈ Zd

Π∗ : l2(hZd) → l2(4hZd): (Πf, g)l2(hZd) = (f, Π∗g)l2(4hZd)

Explicit expressions

(Πf)4j+r =4− r

4f4j +

r

4f4j+4, j ∈ Z, r ∈ 0, 1, 2, 3

(Π∗g)4j =3∑

r=0

4− r

4g4j+r +

r

4g4j−4+r, j ∈ Z.

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 21 / 59

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Schrodinger Equation Two-grid method

Fourier analysis

Πψ(ξ) = 2dψ(ξ)d∏

k=1

cos2(ξkh

2

), ψ ∈ l2(2hZd)

Πψ(ξ) = 4dψ(ξ)d∏

k=1

cos2(ξkh) cos2(ξkh

2

), ψ ∈ l2(4hZd)

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Schrodinger Equation Two-grid method

Key estimates

Dispersive estimate

‖eit∆hΠϕ‖l∞(hZd) ≤ C(d, p)|t|−d/2‖Πϕ‖l1(hZd)

Local Smoothing

∫I

∫|x|<R

|(−∆)1/4I∗(eit∆hΠϕh)|2dxdt ≤ C(R, I)∫

[−π/h,π/h]d| Πϕh(ξ)|2dξ.

Proof: Careful application of Kenig, Ponce and Vega ’91 results

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Schrodinger Equation Two-grid method

Application to a nonlinear problem with L2(Rd) initial dataiut + ∆u = |u|pu, t > 0,u(0, x) = ϕ(x), x ∈ Rd,

An approximationiduh

dt+ ∆hu

h = Πf(Π∗uh), t ∈ R

uh(0) = Πϕh,

(3)

where f(u) = |u|pu

uh ∈ Gh → Π∗uh ∈ G4h → Πf(Π∗uh) ∈ Gh

Key point

(Πf(Π∗uh), uh)l2(hZd) = (f(Π∗uh), Π∗uh)l2(4hZd) ∈ R

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Schrodinger Equation Two-grid method

Convergence of the method

Theorem

Let E be the piecewise constant interpolator. The sequence Euh satisfies

Euh ?u in L∞(R, L2(Rd)), Euh u in Lq

loc(R, Lp+2(Rd)),

Euh → u in L2loc(Rd+1), EΠf(Π∗uh) |u|pu in Lq′

loc(R, L(p+2)′(Rd))

where u is the unique solution of NSE.

Main difficulty - passing to the limit in the nonlinear term· ·^ Local smoothing effect of the linear semigroup for two-grid data7→ compactness ...

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 25 / 59

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Schrodinger Equation A viscous scheme

A viscous scheme

iduh

dt+ ∆hu

h = ia(h)sgn(t)∆huh, t 6= 0,

uh(0) = ϕh,

With ph(ξ) = 4h2 (

∑dk=1 sin2

(ξkh2

)) the solution is given by

(Sh(t)ϕ)j = (eit∆he|t|a(h)∆hϕ)j

=∫

[−πh

, πh

]de−itph(ξ)e−|t|a(h)ph(ξ)eij·ξhϕ(ξ)dξ

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Schrodinger Equation A viscous scheme

A viscous scheme

iduh

dt+ ∆hu

h = ia(h)sgn(t)∆huh, t 6= 0,

uh(0) = ϕh,

With ph(ξ) = 4h2 (

∑dk=1 sin2

(ξkh2

)) the solution is given by

(Sh(t)ϕ)j = (eit∆he|t|a(h)∆hϕ)j

=∫

[−πh

, πh

]de−itph(ξ)e−|t|a(h)ph(ξ)eij·ξhϕ(ξ)dξ

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 26 / 59

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Schrodinger Equation A viscous scheme

Dispersive estimates

Theorem

Let α > d/2 and a(h) be a positive function such that

infh>0

a(h)

h2− dα

> 0.

There exist positive constants c(d, α) such that

‖Sh(t)ϕ‖l∞(hZd) ≤ c(d, p, α)

[1

|t|d2

+1|t|α

]‖ϕ‖l1(hZd)

holds for all t 6= 0, ϕ ∈ l1(hZd) and h > 0.

Remark

Different behavior at t ∼ 0 and t ∼ ∞.

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Schrodinger Equation A viscous scheme

Strichartz-like estimates

Theorem

Let α ∈ (d/2, d] and a(h) be such that

infh>0

a(h)

h2− dα

> 0.

For any (q, r), d/2-admissible pair and (q1, r), α-admissible pair thereexists a positive constant C(d, α, r) such that

‖Sh(·)ϕ‖Lq(R, lr(hZd))+Lq1 (R, lr(hZd)) ≤ C(d, α, r)‖ϕ‖l2(hZd)

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 28 / 59

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Schrodinger Equation A viscous scheme

Application to a nonlinear problem

iduh

dt+ ∆hu

h = ia(h)∆huh + |uh|puh, t > 0,

uh(0) = ϕh,

iduh

dt+ ∆hu

h = −ia(h)∆huh + |uh|puh, t < 0,

with p < 4/d and a(h) = h2−d/α(h) such that α(h) ↓ d/2 and a(h) → 0 ash ↓ 0.∗ In the critical case p = 4/d the nonlinear term is replaced by |uh|p(h)uh

with p(h) = 2/α(h).

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Schrodinger Equation A viscous scheme

Convergence of the scheme

Theorem

Let E be the piecewise constant interpolator. The sequence Euh satisfies

Euh ?u in L∞(R, L2(Rd)), Euh u in Ls

loc(R, Lp+2(Rd)),∀ s < q,

Euh → u in L2loc(R× Rd), |Euh|pEuh |u|pu in Lq′

loc(R, L(p+2)′(Rd))

where u is the unique solution of NSE.

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Fully Discrete Schemes

Two level schemes satisfying stability and consistency:

Un+1 = AλUn, n ≥ 0

where λ = k/h2 is keep constant

Two goals:

1 l1 − l∞ decay of solutions

2 local smoothing effect

Fourier analysis: Aλ has a symbol aλ = mλ exp(iψλ)

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 31 / 59

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Fully Discrete Schemes

Two level schemes satisfying stability and consistency:

Un+1 = AλUn, n ≥ 0

where λ = k/h2 is keep constantTwo goals:

1 l1 − l∞ decay of solutions

2 local smoothing effect

Fourier analysis: Aλ has a symbol aλ = mλ exp(iψλ)

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 31 / 59

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Fully Discrete Schemes

Two level schemes satisfying stability and consistency:

Un+1 = AλUn, n ≥ 0

where λ = k/h2 is keep constantTwo goals:

1 l1 − l∞ decay of solutions

2 local smoothing effect

Fourier analysis: Aλ has a symbol aλ = mλ exp(iψλ)

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 31 / 59

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Decay properties

Theorem

Let us assume that the symbol aλ has the following property

mλ(ξ0) = 1 ⇒ |ψ′′λ(ξ0)| > 0 or m′′λ(ξ0) 6= 0.

Then there is a positive constant C(λ) such that

‖Sλ(n)ϕ‖l∞(hZ) ≤ C(λ)(nk)−12 ‖ϕ‖l1(hZ)

holds for all n 6= 0, h, k > 0.

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Local smoothing effect

Theorem

There is a positive s and a constant C(s, λ) such that

k∑nk≤1

h ∑|j|h≤1

|(−∆h)s/2Un)j |2 ≤ C(s, λ)

h∑j∈Z

|U0j |2

(4)

holds for all ϕ ∈ l2(hZ) and for all h > 0 if and only if the symbol aλ

satisfiesξ0 6= 0, ψ′λ(ξ0) = 0 ⇒ mλ(ξ0) < 1. (5)

Moreover if (5) holds then s = 1/2.

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Backward Euler

iUn+1

j − Unj

k+Un+1

j+1 − 2Un+1j + Un+1

j−1

h2= 0, n ≥ 0, j ∈ Z,

aλ(ξ) =1

1− 4iλ sin2 ξ2

=exp(i arctan(4λ sin2 ξ

2))(1 + 16λ2 sin4 ξ

2

)1/2

The symbols ψ1 and m1

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 34 / 59

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Crank-Nicolson scheme

iUn+1

j − Unj

k+Un+1

j+1 − 2Un+1j + Un+1

j−1

2h2+Un

j+1 − 2Unj + Un

j−1

2h2= 0

aλ(ξ) =1 + 2iλ sin2 ξ

2

1− 2iλ sin2 ξ2

= exp(

2i arctan(

2λ sin2 ξ

2

))The first two derivatives ψ′1 and ψ′′1

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 35 / 59

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Schrodinger Equation Fully discrete schemes

Crank-Nicolson scheme

For any λ ∈ Q

There is no two-grid algorithm involving the grids phZ and hZ whichwould provide a l1 − l∞ uniform decay

The involved function ψ′′λ has roots on [−π, π]\πQ, thus cyclothomicpolynomials ...

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Wave Equation

Outline

1 Introduction

2 Schrodinger EquationA conservative schemeTwo-grid methodA viscous schemeFully discrete schemes

3 Wave Equation

4 An observability problem

5 Conclusions

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 37 / 59

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Wave Equation

Wave Equation

utt −∆u = F on R1+d,u|t=0 = u0, ∂tu|t=0 = u1 in Rd.

Strichartz Estimates for (d− 1)/2 -wave admissible pairs

‖u‖Lqt (R, Lr(Rd)) ≤ C(‖u0‖Hs(Rd) + ‖u1‖Hs−1(Rd) + ‖F‖

Lq′t (R, Lr′ (Rd))

)

α-wave admissible

2 ≤ q ≤ ∞, 2 ≤ r <∞,

1q≤

(12− 1r

Gap Condition

d2 − s = d

r + 1q

d

r+

1q

=d

r′+

1q′− 2

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Wave Equation

The semidiscrete scheme

d2uh

dt2−∆hu

h = F h, t > 0,

uhj (0) = uh

0,j, uht (0) = uh

1,j, j ∈ Zd.

(6)

Similar result for 1/2 -wave admissible pairs

‖uh‖Lq(R, lr(hZd)) . ‖uh0‖~s(hZd) + ‖uh

1‖~s−1(hZd) + ‖F h‖Lq′ (R, lr′ (hZd)).

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Wave Equation

Why 1/2?

Continuous case:√−∆ → |ξ|,

rank(H|ξ|(ξ)) ≥ d− 1, ξ 6= 0

∗ β supported far away from zero

‖eit√−∆β‖L∞(Rd) ≤

c(β)(1 + |t|)(d−1)/2

Semidiscrete case :√−∆1 → p(ξ) = (

∑dk=1 sin2 ξk

2 )1/2

rank(Hp(ξ)) ≥ 1, ξ 6= 0

∗ β supported in [−π, π] far away from zero

‖eit√−∆1β‖l∞(Zd) ≤

c(β)(1 + |t|)1/2

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 40 / 59

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Wave Equation

Why 1/2?

Continuous case:√−∆ → |ξ|,

rank(H|ξ|(ξ)) ≥ d− 1, ξ 6= 0

∗ β supported far away from zero

‖eit√−∆β‖L∞(Rd) ≤

c(β)(1 + |t|)(d−1)/2

Semidiscrete case :√−∆1 → p(ξ) = (

∑dk=1 sin2 ξk

2 )1/2

rank(Hp(ξ)) ≥ 1, ξ 6= 0

∗ β supported in [−π, π] far away from zero

‖eit√−∆1β‖l∞(Zd) ≤

c(β)(1 + |t|)1/2

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 40 / 59

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An observability problem

Outline

1 Introduction

2 Schrodinger EquationA conservative schemeTwo-grid methodA viscous schemeFully discrete schemes

3 Wave Equation

4 An observability problem

5 Conclusions

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 41 / 59

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An observability problem

The observability problem

Wave equation on the unit square with Dirichlet boundary conditionsutt −∆u = 0 in Q = Ω× (0, T ),u(0) = 0 on Σ = ∂Ω× (0, T ),u(x, 0) = u0(x), ut(x, 0) = u1(x) in Ω.

Conservation of Energy

E(t) =12

∫Ω[|ut(x, t)|2 + |∇u(x, t)|2]dx

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An observability problem

Observability Inequality

For T > 2√

2 there exists C(T ) > 0 such that

E(0) ≤ C(T )∫ T

0

∫Γ0

∣∣∣∣∂u∂n∣∣∣∣2 dσdt

where Γ0 = (x1, 1) : x1 ∈ (0, 1) ∪ (1, x2) : x2 ∈ (0, 1).

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 43 / 59

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An observability problem

Semi-discretization of the wave equation

u′′ −∆hu = 0, 0 < t < T

ujk = 0, 0 < t < T, j = 0, ..., N + 1; k = 0, ..., N + 1,

ujk(0) = u0jk, u

′jk(0) = u1

jk, j = 0, ..., N + 1; k = 0, ..., N + 1.

(7)

Discrete energy is preserved

Eh(t) =h2

2

N∑j,k=0

[|u′jk(t)|2 +

∣∣∣∣uj+1,k(t)− ujk(t)h

∣∣∣∣2 +∣∣∣∣uj,k+1(t)− ujk(t)

h

∣∣∣∣2].

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An observability problem

Discrete version of the energy observed on the boundary

∫ T

0

∫Γ0

∣∣∣∣∂u∂n∣∣∣∣2 dσdt ∼ ∫ T

0

h N∑j=1

∣∣∣ujN

h

∣∣∣2 + h

N∑k=1

∣∣∣uNk

h

∣∣∣2 dt.

Notation ∫Γh

|∂hnu|2dΓh := h

N∑j=1

∣∣∣ujN

h

∣∣∣2 + h

N∑k=1

∣∣∣uNk

h

∣∣∣2

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 45 / 59

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An observability problem

Question

Eh(0) ≤ Ch(T )∫ T

0

∫Γh

|∂hnu|2dΓhdt.?

Answer: YES

But Ch(T ) →∞ as h→ 0

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 46 / 59

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An observability problem

Question

Eh(0) ≤ Ch(T )∫ T

0

∫Γh

|∂hnu|2dΓhdt.?

Answer: YES

But Ch(T ) →∞ as h→ 0

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 46 / 59

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An observability problem

Group Velocity

u(t, x) = ei(ωt−ξx) → ωh(ξ) = ±(sin2( ξ1h2 ) + sin2( ξ2h

2 ))1/2

Phase velocity ωh(ξ)ξ , Group velocity Ch(ξ) = ∇ξωh(ξ)

Ch(ξ) =12(sin(ξ1h), sin(ξ2h))/(sin2 ξ1h

2+ sin2 ξ2h

2)1/2

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An observability problem

Spectral analysis

Eigenvalue problem associated to (7)−ϕj+1,k + ϕj−1,k − 2ϕjk

h2−ϕj,k+1 + ϕj,k−1 − 2ϕjk

h2= λϕjk

j = 1, ..., N ; k = 1, ..., N,ϕjk = 0, j = 0, ..., N + 1; k = 0, ..., N + 1.

Eigenvalues: λk(h) = 4h2

[sin2

(k1πh

2

)+ sin2

(k2πh

2

)], k = (k1, k2)

Eigenvectors: ϕkj = sin(j1k1πh) sin(j2k2πh)

Any solution of problem (7) can be written as

u(t) =12

∑k

[eit√

λk(h)uk+ + e−it√

λk(h)uk−

]ϕk

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 48 / 59

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An observability problem

Filtering: Zuazua 99

Πγu =12

∑λk(h)≤γ/h2

[eit√

λk(h)uk+ + e−it√

λk(h)uk−

]ϕk, γ < 4

Eh(Πγu) ≤∫ T (γ)

0

∫Γh

|∂hn(Πγu)|dΓhdt

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An observability problem

New idea: Low frequency estimates + Dyadicdecomposition following the level sets of the frequencies

Let be γ > 0 and u a solution of (7) such that

Eh(u) ≤ CEh(Πγu).

Let us assume the existence of a time T (γ) such that for all T > T (γ)there exists a constant C(T ), independent of h, such that

Eh(v) ≤ C(γ, T )∫ T

0

∫Γh

|∂hnv(t)|2dΓdt

for all v ∈ Ih(γ). Then for all T > T (γ) there exists a constant C1(T ),independent of h, such that

Eh(u) ≤ C1(T )∫ T

0

∫Γh

|∂hnu|2dΓhdt

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 50 / 59

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An observability problem

Two-grid Method in 2− d : Gh and G4h

Fine and Coarse Grids, N = 11

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An observability problem

Why not using ratio 1/2 for the two-grids?

The relevant zone of frequencies intersects a level set of the phase velocityfor which the group velocity vanishes at some critical points.

Eh(u) ≤ 4Eh(Π∞1/2u) ≤ 4Eh(Π4u)

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An observability problem

Meshes with quotient 1/4

When using the mesh ratio 1/4 this pathology disappears:

Eh(u) ≤ 16Eh(Π∞1/4u) ≤ 16Eh(Π8 sin2(π/8)u)

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An observability problem

Application to a two-grid method

Theorem

Let be T > 4. There exists a constant C(T ) such that

Eh(u) ≤ C(T )∫ T

0

∫Γh

|∂hnu|2dΓhdt

holds for all solutions of (7) with (u0, u1) ∈ V h × V h, uniformly on h > 0,V h being the class of the two-grid data obtained with ratio 1/4.

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Conclusions

Outline

1 Introduction

2 Schrodinger EquationA conservative schemeTwo-grid methodA viscous schemeFully discrete schemes

3 Wave Equation

4 An observability problem

5 Conclusions

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Conclusions

A complete asymptotic expansion for the solutions of the semidiscreteheat equation

Numerical schemes for NSE with low regular initial data

Strichartz estimates the wave equation on lattices

Uniform observability for a two-grid method for 2-d wave equation

MUCH REMAINS TO BE DONE: Complex geometries, variable andirregular coefficients, irregular meshes,...

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Conclusions

A complete asymptotic expansion for the solutions of the semidiscreteheat equation

Numerical schemes for NSE with low regular initial data

Strichartz estimates the wave equation on lattices

Uniform observability for a two-grid method for 2-d wave equation

MUCH REMAINS TO BE DONE: Complex geometries, variable andirregular coefficients, irregular meshes,...

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 56 / 59

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Conclusions

L.I. Ignat and E. Zuazua, A two-grid approximation scheme for nonlinearSchrodinger equations: dispersive properties and convergence, C. R. Acad.Sci. Paris, Ser. I 341 (2005), no. 6, 381–386.

L.I. Ignat and E. Zuazua, Dispersive properties of a viscous numerical schemefor the Schrodinger equation, C. R. Acad. Sci. Paris, Ser. I 340 (2005),no. 7, 529–534.

L.I. Ignat and E. Zuazua, Dispersive properties of numerical schemes fornonlinear Schrodinger equations, Foundations of ComputationalMathematics, Santander 2005. L. M. Pardo et al. eds, vol. 331, LondonMathematical Society Lecture Notes, 2006, pp. 181–207.

L.I. Ignat, Fully discrete schemes for the Schrodinger equation. Dispersiveproperties, M3AS, accepted.

L.I. Ignat, Qualitative properties of a numerical scheme for the heatequation, Proceedings of ENUMATH 2005, Springer Verlag, 2006,pp. 575–582, in press.

Ioan Liviu Ignat (Universidad Autonoma de Madrid) PhD Thesis Defense 15 September 2006 57 / 59

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Conclusions

L.I. Ignat and J.D. Rossi, Refined asymptotic expansions for nonlocaldiffusion equations, submited.

L.I. Ignat, Wave equation on lattices. Dispersive properties, preprint.

L.I. Ignat and E. Zuazua, Convergence of a two-grid method algorithm forthe control of the wave equation, preprint.

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Conclusions

THANKS!

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