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Sur le comportement en temps longs des solutions invariantes par scaling des équations d'Euler 2d et leurs applications

On the long-time behavior of scale-invariant solutions to the 2d Euler equation and applications

Tarek M. ELGINDI, Ryan W. MURRAY, Ayman R. SAID
Sur le comportement en temps longs des solutions invariantes par scaling des équations d'Euler 2d et leurs applications
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  • Année : 2025
  • Fascicule : 4
  • Tome : 58
  • Format : Électronique
  • Langue de l'ouvrage :
    Anglais
  • Class. Math. : 35Qxx
  • Pages : 943-970
  • DOI : 10.24033/asens.2621

Nous étudions le comportement en temps long des solutions des équations d'Euler en dimension deux qui sont invariantes par changement d'échelle admettant une symétrie par rotation d'un angle fixe $\frac{2\pi}{m}$, $m\in \mathbb{N}$. Nous montrons que toute solution à variation bornée sur $\mathbb{S}^1$ converge en temps infini vers une solution constante par morceaux admettant un nombre fini de sauts. Toute solution continue devient singulière et s'homogénéise en temps infini. Sur $\mathbb{R}^2$ ceci correspond à une formation générique de spirales et de points de rebroussement. L'outil principal de notre analyse est la découverte d'une fonctionnelle monotone qui mesure le nombre de particules sortant de l'origine. Cette monotonicité s'applique plus généralement, localement, à toutes les solutions des équations d'Euler en deux dimensions de l'espace qui ont une symétrie par rotation d'un angle fixe $\frac{2\pi}{m}$, $m\geq 4$ et qui admettent des limites radiales au point de symétrie.

Notre analyse s'applique également aux équations d'Euler sur une classe large de surfaces de rotation (par exemple $\mathbb{S}^2$ et $\mathbb{T}^2$). Notre analyse montre alors que génériquement les trajectoires des particules décrivent des spirales et qu'il y a génériquement une perte de régularité en temps infini pour des solutions globalement régulières sur une telle surface lisse sous la symétrie discrète. 

We study the long-time behavior of scale-invariant solutions of the 2d Euler equation satisfying a discrete symmetry. We show that all scale-invariant solutions with bounded variation on $\mathbb{S}^1$ relax to states that are piecewise constant with finitely many jumps. All continuous scale-invariant solutions become singular and homogenize in infinite time. On $\mathbb{R}^2$, this corresponds to generic infinite-time spiral and cusp formation.  The main tool in our analysis is the discovery of a monotone quantity that measures the number of particles that are moving away from the origin. This monotonicity also applies locally to solutions of the 2d Euler equation that are $m$-fold symmetric ($m\geq 4$) and have radial limits at the point of symmetry. 
     
     Our results are also applicable to the Euler equation on a large class  of surfaces of revolution (such as $\mathbb{S}^2$ and $\mathbb{T}^2$). Our analysis then gives generic spiraling of trajectories and infinite-time loss of regularity for globally smooth solutions on any such smooth surface, under a discrete symmetry.

Équations d'Euler, comportement en temps longs
Euler equations, long time behavior

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