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https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39329| Tipo: | Tese |
| Título: | Controllability and observability of coupled PDE Systems: boussinesq and thermoelasticity |
| Autor(es): | Silva, Hudson Cavalcante da |
| Orientador: | Santos, Maurício Cardoso |
| Coorientador: | Souza, Diego Araujo de |
| Membro da Banca: | Medeiros, Everaldo Souto de |
| Membro da Banca: | Saucedo, Alberto Carlos Mercado |
| Membro da Banca: | Alla, Alessandro |
| Membro da Banca: | Cruz, Felipe Wergete |
| Membro da Banca: | Ferreira, Lucas Catão de Freitas |
| Resumo: | Nesta tese, examinamos dois problemas distintos no âmbito de sistemas de parâmetros distribuídos: um diz respeito ao controle de sistemas, mais precisamente, à questão da controlabilidade nula local, e o outro refere-se à observabilidade e problemas inversos. Primeiro, estabelecemos a controlabilidade nula local do sistema de Boussinesq 3D utilizando um único controle escalar distribuído atuando exclusivamente na equação da temperatura. Para isso, primeiro linearizamos o sistema em torno de uma trajetória adequada. Inspirados no trabalho clássico de M. Gromov e nas contribuições recentes de J. M. Coron e P. Lissy sobre a equação de Navier-Stokes, empregamos um método algébrico para reduzir sistematicamente o número de controles necessários, aproveitando resultados de controlabilidade conhecidos para sistemas com um número maior de controles. Finalmente, utilizando um teorema da função inversa, provamos a controlabilidade nula local do sistema não linear. Esses resultados demonstram que o sistema de Boussinesq é localmente controlável sem ação direta sobre o campo de velocidade, destacando a força do acoplamento entre as equações térmicas e de dinâmica de fluidos. Segundo, investigamos o problema da colocação ótima de sensores para um sistema de termoelasticidade linear. Adotando uma abordagem randomizada para os dados iniciais, reduzimos o problema à maximização de um funcional espectral definido pelas autofunções do operador de Laplace e por uma sequência de pesos correspondentes ao inverso dos maiores autovalores de uma certa sequência de matrizes. Do ponto de vista teórico, analisamos a existência de conjuntos ótimos estudando o hiato de relaxação entre funções características e funções densidade. Demonstramos que, se os pesos espectrais convergem para seu limite por baixo, a existência de um conjunto ótimo clássico é garantida sob a hipótese de Ergodicidade Quântica (QUE) ou sob condições assintóticas de separação mais fracas. Também tratamos casos em que a QUE falha, como no ortotope n-dimensional, provando resultados de existência sob restrições geométricas específicas. Aplicando esse arcabouço ao sistema termoelástico, realizamos uma análise assintótica detalhada de altas frequências dos pesos espectrais. Identificamos dois regimes físicos distintos dependendo da velocidade de propagação das ondas e dos parâmetros de acoplamento. Derivamos condições algébricas suficientes explícitas sobre os parâmetros físicos (força de acoplamento, viscosidade, velocidade de onda e horizonte de tempo) que garantem a convergência dos pesos espectrais por baixo, assegurando assim a existência de um domínio ótimo para sensores. |
| Abstract: | In this thesis, we examine two distinct problems in the context of distributed parameter systems: one concerns system control, more precisely, the issue of local null controllability, and the other concerns observability and inverse problems. First, we establish the local null controllability of the 3D Boussinesq system using a single distributed scalar control acting solely on the temperature equation. To achieve this, we first linearize the system around a suitable trajectory. Inspired by the classical work of M. Gromov and the recent contributions of J. M. Coron and P. Lissy on the Navier- Stokes equation, we employ an algebraic method to systematically reduce the number of required controls, leveraging known controllability results for systems with more controls. Finally, using an inverse function theorem, we prove the local null controllability of the nonlinear system. These results demonstrate that the Boussinesq system is locally nullcontrollable without direct action on the velocity field, highlighting the strength of the coupling between the thermal and fluid dynamic equations. Second, we investigate the optimal sensor placement problem for a linear thermoelasticity system on a bounded domain. Adopting a randomized approach to the initial data, we reduce the problem to the maximization of a spectral functional defined by the eigenfunctions of the Laplacian and a sequence of weights corresponding to the inverse of the maximum eigenvalues of a particular sequence of matrices. From a theoretical perspective, we analyze the existence of optimal sets by studying the relaxation gap between characteristic functions and density functions. We prove that if the spectral weights converge to their limit from below, the existence of a classical optimal set is guaranteed under Quantum Ergodicity (QUE) assumptions or weaker asymptotic separation conditions. We also address cases where QUE fails, such as the n-dimensional orthotope, proving existence results under specific geometric constraints. Applying this framework to the thermoelasticity system, we perform a detailed highfrequency asymptotic analysis of the spectral weights. We identify two distinct physical regimes depending on the wave speed and coupling parameters. We derive explicit algebraic sufficient conditions on the physical parameters (coupling strength, viscosity, wave speed, and time horizon) that ensure the spectral weights converge from below, thereby guaranteeing the existence of an optimal sensor domain. |
| Palavras-chave: | Sistema de Boussinesq Controlabilidade nula local Controle distribuído Sistema termoelástico linear Posicionamento ótimo de sensores Hipótese QUE Boussinesq system Local null controllability Distributed control Thermoelastic system Optimal sensor placement QUE assumption |
| CNPq: | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Editor: | Universidade Federal da Paraíba |
| Sigla da Instituição: | UFPB |
| Departamento: | Matemática |
| Programa: | Programa de Pós-Graduação em Matemática |
| Tipo de Acesso: | Acesso aberto Attribution-NoDerivs 3.0 Brazil |
| URI: | http://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/ |
| URI: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/39329 |
| Data do documento: | 20-Jan-2026 |
| Aparece nas coleções: | Centro de Ciências Exatas e da Natureza (CCEN) - Programa de Pós-Graduação em Matemática |
Arquivos associados a este item:
| Arquivo | Descrição | Tamanho | Formato | |
|---|---|---|---|---|
| HudsonCavalcanteDaSilva_Tese_Com_Tarjamento.pdf | 2 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir | |
| HudsonCavalcanteDaSilva_Tese_Sem_Tarjamento.pdf | 2,18 MB | Adobe PDF | Visualizar/Abrir Solicitar uma cópia |
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