Perturbations in PDE-constrained optimal control decay exponentially in space


Göttlich, Simone ; Schaller, Manuel ; Worthmann, Karl


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DOI: https://doi.org/10.1051/cocv/2025014
URL: https://www.esaim-cocv.org/articles/cocv/abs/2025/...
Weitere URL: https://www.researchgate.net/publication/388886240...
URN: urn:nbn:de:bsz:180-madoc-720635
Dokumenttyp: Zeitschriftenartikel
Erscheinungsjahr Online: 2025
Datum: 24 März 2025
Titel einer Zeitschrift oder einer Reihe: Control, Optimisation and Calculus of Variations : COCV
Band/Volume: 31
Seitenbereich: 1-29
Ort der Veröffentlichung: Paris
Verlag: EDP Sciences
ISSN: 1292-8119 , 1262-3377
Sprache der Veröffentlichung: Englisch
Einrichtung: Fakultät für Wirtschaftsinformatik und Wirtschaftsmathematik > Scientific Computing (Göttlich 2011-)
Bereits vorhandene Lizenz: Creative Commons Namensnennung 4.0 International (CC BY 4.0)
Fachgebiet: 510 Mathematik
Freie Schlagwörter (Englisch): sensitivity analysis , exponential stability , optimal control of partial differential equations
Abstract: For linear-quadratic optimal control problems (OCPs) governed by elliptic and parabolic partial differential equations, we investigate the impact of perturbations on optimal solutions. Local perturbations may occur, e.g., due to discretization of the optimality system or disturbed problem data. Whereas these perturbations may exhibit global effects in the uncontrolled case, we prove that the ramifications are exponentially damped in space under stabilizability and detectability conditions. To this end, we prove a bound on the optimality condition’s solution operator that is uniform in the domain size. Then, this uniformity is used in a scaling argument to show the exponential decay of perturbations in space. We numerically validate and illustrate our results by solving OCPs involving Helmholtz, Poisson, and advection-diffusion-reaction equations.




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