Water-wave equations and free boundary problems: inverse problems and control

Abstract

En este trabajo se aborda el problema de existencia de algunos tipos de soluciones para las ecuaciones de ondas en el agua así como la relación que existe entre estas soluciones y la forma de un fondo impermeable sobre la que se desliza el fluido. Empezamos por describir las ecuaciones que modelan el fenómeno físico a partir de las leyes de conservación; el modelo general de las ecuaciones de ondas en el agua, escrito para la restricción de la velocidad potencial a la superficie libre, es \begin{equation*} \left\{ \begin{aligned} &\partial_t\zeta-G(\zeta,b)\psi=0, \\ &\partial_t\psi+g\zeta+\frac{1}{2}|\nabla_X\psi|^2-\frac{1}{2(1+|\nabla_X\zeta|^2)}(G(\zeta,b)\psi+\nabla_X\zeta\cdot\nabla_X\psi)^2=0, \end{aligned} \right. \end{equation*} donde $G=G(\zeta,b)\psi$ es el operador Dirichlet-Neumann, el cual contiene la información del fondo $b$, \begin{equation*} G(\zeta,b)\psi:=-\sqrt{1+|\nabla_X\zeta|^2}\partial_n\phi|_{y=\zeta(t,X)}, \end{equation*} y \begin{equation*} \left\{ \begin{array}{rl} & \Delta\phi=0, \quad \R\times(b,\zeta), \\ & \phi|_{y=\zeta}=\psi, \quad \partial_n \phi|_{y=b(X)}=0. \end{array} \right. \end{equation*} Después de describir las condiciones para un teorema de existencia y unicidad de soluciones de las ecuaciones de ondas en el agua, en espacios de Sobolev, nos preguntamos sobre el mínimo de datos necesarios, sobre la superficie libre, para identificar el fondo de manera única. Por la relación que existe entre el operador Dirichlet-Neumann y la velocidad dentro del fluido y utilizando la propiedad de continuación única de las funciones armónicas hemos probado que basta conocer el perfil, la velocidad potencial y la velocidad normal en un instante de tiempo dado y un abierto de $\R$, aún cuando nuestro sistema es de evolución. En la segunda parte se estudia la existencia de soluciones en forma de salto hidráulico para las ecuaciones estacionarias de ondas en el agua, en dimensión dos y su relación con la velocidad aguas arriba, caracterizada por un parámetro adimensional, llamado el número de Froude, $F$, como consecuencia de la existencia de ramas de bifurcación de la solución trivial para el problema \begin{equation*} \mathcal{F}(\eta,F)=\eta+F\widetilde{\psi}_{y^{\prime }}+\frac{\epsilon}{2}(% \widetilde{\psi}_{x^{\prime }}^2+\widetilde{\psi}_{y^{\prime }}^2)-\epsilon^2\eta_x\widetilde{\psi}_{x^{\prime }}\widetilde{\psi}% _{y^{\prime }}+\frac{\epsilon^3}{2}\eta_x^2\widetilde{\psi}_{y^{\prime }}^2; \end{equation*} donde \begin{equation*} \left\{ \begin{aligned} &\Delta\widetilde{\psi}=\epsilon G, && (-L,L)\times(0,1), \\ &\widetilde{\psi}_{x'}=0, && x'=-L,L, \\ &\widetilde{\psi}=0, && y'=0, \\ &\widetilde{\psi}=-F\eta, && y'=1. \end{aligned} \right. \end{equation*}