1. 引言
最优控制理论是基于经典的变分学而发展起来的,其来源可以追溯到三百多年前。关于最优控制早期的发展情况可参阅文献[1]-[3]。最优控制问题是人们在实际生活中常见的一类问题,事实上就是一种求最优解的问题。关于最优控制问题在生活中的应用研究不断涌现[4] [5]。最优控制可以提高资源的利用率,减少不必要的浪费,在机器人[6]、车辆[7]、航空[8] [9]以及医疗化工[10]等专业领域也有着广泛的应用。与此同时,许多研究者针对不同类型系统的最优控制问题开展了大量研究。
带约束条件的偏微分方程最优控制问题可以广泛应用于流体控制、动物种群演化等领域的数学模型中。因此,解决这些问题对于航空航天、生物保护等领域都具有重要意义和价值。作为一个数学分支,这些问题与偏微分方程、控制理论、优化、数值计算和泛函分析密切相关,是一个活跃且具有重要理论意义和应用价值的研究领域。
文献[11]研究了发展型p-Laplace方程
的边界最优控制问题,利用能量估计方法研究了该问题解的存在唯一性,并通过紧性估计和紧嵌入定理分析了成本泛函极小化序列的收敛性,最终证明了最优控制的存在性。
近年来,非局部问题受到研究者们的重视,在种群动力学,生物学[12] [13]和物理学[14] [15]等领域广泛的应用。以Laplace算子作为扩散项的经典反应扩散方程仅能反映空间上的局部行为,即相邻空间上位置的移动。例如物质从浓度高的部分向浓度低的部分进行扩散。实际上,在自然界中,受多种因素影响,空间中的非局部行为是普遍存在的。例如,生物种群的位置移动涉及范围较大,因此需用非局部扩散进行描述。文献[16]研究了一类是由含非局部算子的变分不等式约束的最优控制问题。
据笔者了解,对于具有非局部项的p-Laplace方程的边界最优控制问题目前还没有任何结果,本文受文献[11]和[16]的启发,考虑具有非局部项的p-Laplace方程
的边界最优控制问题,其中
是具有光滑边界
的有界域,
,
是非负非减函数且
,
,
,h是控制函数,
是
上的单位外法向量,初值
。
设
是允许控制集,定义成本泛函为
其中
是
的一个非空子集,
,
,
,
,本文主要结果是证明最优控制的存在性,
即证存在
,使得
为此,首先利用能量估计方法研究该问题解的存在唯一性,其次利用紧性估计和紧嵌入定理分析成本泛函极小化序列的收敛性,最后由成本泛函的弱下半连续性证明最优控制函数的存在性。
2. 准备工作
本节给出一些定义及引理。
定义1.1 令
,
表示V的对偶空间,
表示
的对偶积。
定义1.2 如果对
,若
成立,则称函数
为问题(1)的弱解,其中
,
。
引理1 [1]对任意
,有
3. 状态方程的适定性
研究(1)的初边值问题,定义成本泛函为:
主要结果是证明最优控制的存在性,即存在
,使得
。
定义2.1 称非负函数
为问题(1)的弱解,
若
,有如下积分等式成立:
其中
。
命题1. 设
弱收敛于
,
弱收敛于
,则
。
证明 由牛顿莱布尼茨公式可知
当
时,
利用Hölder不等式有
当
时,同理,由Hölder不等式有
所以
,
所以有
所以
。证毕。
定理1 对任意非负函数
,
。问题(1)存在唯一弱解y,满足
其中
是一个与
和M无关的常数。
证明 取
,
满足
在
中弱收敛于h,
在
中强收敛于
,而且
对于问题
(2)
由经典理论知,问题(2)存在唯一解
,在(2)的第一个式子两边同乘
,在
上积分得
由分部积分公式得:
则有
(3)
由Young不等式可知
由Gronwall不等式,
(4)
由(3)和(4),可得
(5)
其中
是一个与
和M无关的常数。
下面证明
在
中有界,即
,
由Poincare不等式,有
则
,
对于
,
其中
为一个与
和M有关的常数,因此
,
故在
中,存在弱收敛的子列
,以及函数
,使得
强收敛于
,则对
有
弱收敛于
,故有
强收敛于
。
由于
弱收敛于
,则有
弱收敛于
,因此
弱收敛于
,其中
。
接着证明y为问题(1)的弱解,由于
是(2)~(4)的弱解,对于
,
在上式中令
,利用
的收敛性,得
由此可知,y是问题(1)的弱解。证毕。
最后证明唯一性,若
为问题(1)的两个弱解,由(1)得
令
,得
由引理1有
则
即
由Gronwall不等式,有
即
,a.e.
。证毕。
4. 最优控制的存在性
定理2 若
,
,
是非负非减函数且
,
,
,且满足兼容性条件
则存在最优控制
,使得成本泛函
最小。
证明 由于
,所以
必有下确界。设
为
中的极小化序列,即
由于
,故在
中,存在
的子列
弱收敛于h。
根据定理1,当h为
时问题(1)存在唯一弱解
,并且满足
其中C为常数。类似定理1的证明,若存在
和
,使得
强收敛于
,
则对
有
弱收敛于
,故有
强收敛于
,因此
弱收敛于
。
下证
是问题(1)的弱解,对于
,
(6)
在上式中令
,利用
的收敛性得
(7)
由此可知,
是h为
时问题(1)的弱解。
在(6)式中,取
为测试函数,则有
其中
,
整理得
于是有
整理得
所以有
由于(7)式中的后两项是非负的,所以有
和
,
。
故有
,
其中
。
对于
,下证
由引理1,可得对
,
,
,
在问题(1)的第一个式子两边乘
,
,得
整理得
于是有
在上式中,令
可得
(8)
在(8)式中取
,有
其中
。
所以有
结合(8)式,得
整理得
在上式中取
,有
令
,得
令
,得
所以有
在上式中取
使得
成立,则有
因此,可得
。
又由
的弱下半连续性,有
因此,
是
在
上的最优控制。证毕。
基金项目
国家自然科学基金项目(11961039);甘肃省自然科学基金项目(1310RJZA070)。