Shape optimization models with one or more shapes are considered in this chapter. Of particular interest for applications are problems in which where a so-called shape functional is constrained by a partial differential equation (PDE) describing the underlying physics. A connection can made between a classical view of shape optimization and the differential-geometric structure of shape spaces. To handle problems where a shape functional depends on multiple shapes, a theoretical framework is presented, whereby the optimization variable can be represented as a vector of shapes belonging to a product shape space. The multi-shape gradient and multi-shape derivative are defined, which allows for a rigorous justification of a steepest descent method with Armijo backtracking. As long as the shapes as subsets of a hold-all domain do not intersect, solving a single deformation equation is enough to provide descent directions with respect to each shape. Additionally, a framework for handling uncertainties arising from inputs or parameters in the PDE is presented. To handle potentially high-dimensional stochastic spaces, a stochastic gradient method is proposed. A model problem is constructed, demonstrating how uncertainty can be introduced into the problem and the objective can be transformed by use of the expectation. Finally, numerical experiments in the deterministic and stochastic case are devised, which demonstrate the effectiveness of the presented algorithms.


翻译:本章将考虑一种或多种形状的形状优化模型。对于应用来说,特别感兴趣的问题是所谓的形状功能受到描述基础物理学的局部差异方程(PDE)制约的问题。可以将形状优化的经典观点与形状空间的差别地理结构联系起来。在处理形状功能取决于多种形状的问题时,可以提出一个理论框架,优化变量可以作为属于产品形状空间的形状矢量来表示。多形状梯度和多形状衍生物被定义,这样就能够严格地解释具有Armijo回溯跟踪的最陡峭的下降方法。只要作为所有域的子集的形状不相互交叉,解决单一变形方程就足以提供每个形状的下降方向。此外,还提出了一个处理来自PDE投入或参数的不确定性的框架。为了处理可能具有高维度的变异度空间,将提出一种可变化的梯度方法。正在构建一个模型问题,表明如何将不确定性引入问题引入问题中,而客观的变异性公式可以最终通过模型来决定对数值的演算结果的使用。

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