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    ojop
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    <journal-title>
     Open Journal of Optimization
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    2325-7105
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   <issn publication-format="print">
    2325-7091
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
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   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/ojop.2025.143006
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    ojop-144297
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      Articles
     </subject>
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     <subject>
      Computer Science 
     </subject>
     <subject>
       Communications, Engineering, Physics 
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     <subject>
       Mathematics
     </subject>
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   <title-group>
    Topological Optimization of a Generalized Model of Pollution in Porous Media without Density Assumptions 
   </title-group>
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      <surname>
       Mouhamadou Baïdy
      </surname>
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       Dia
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     </name> 
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      <sup>1</sup>
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       Ibrahima
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       Sagno
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     </name> 
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      <sup>1</sup>
     </xref>
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       Lansana
      </surname>
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       Toure
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
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       Mouctar
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       Ndiaye
      </given-names>
     </name> 
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      <sup>1</sup>
     </xref>
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       Alassane
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       Sy
      </given-names>
     </name> 
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      <sup>2</sup>
     </xref>
    </contrib>
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       Ibrahima
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       Faye
      </given-names>
     </name> 
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      <sup>2</sup>
     </xref>
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   <aff id="aff1">
    <addr-line>
     aLaboratoire de Mathématiques Appliquées (LABOMA), Faculté des Sciences de la Nature, Université Julius Nyerere de Kankan, Kankan, Guinée
    </addr-line> 
   </aff> 
   <aff id="aff2">
    <addr-line>
     aLaboratoire d’Informatique, de Mathématiques et Applications (LIMA), UFR S.A.T.I.C, Université Alioune Diop de Bambey, Bambey, Sénégal
    </addr-line> 
   </aff> 
   <pub-date pub-type="epub">
    <day>
     27
    </day> 
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     06
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    <year>
     2025
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   </pub-date> 
   <volume>
    14
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    03
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    93
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    110
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      17,
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      May
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      2025
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    <date date-type="published">
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      22,
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     <month>
      May
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      2025
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
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      22,
     </day>
     <month>
      July
     </month>
     <year>
      2025
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   </history>
   <permissions>
    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    This study focuses on the numerical topological gradient applied to a model of pollutant transfer in porous media, obtained by removing assumptions regarding critical parameters such as density and conductivity. A generalized model of pollutant transport dynamics in porous media was developed without any assumptions regarding the density and conductivity. Topological optimization is then applied to minimize the least-squares function associated with the system representing the model. This study demonstrates the effectiveness of this approach in both two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) configurations, providing insights into the optimal structural design of porous media to mitigate pollution transfer.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Topological Gradient
    </kwd> 
    <kwd>
      Pollutant Transfer
    </kwd> 
    <kwd>
      Porous Media
    </kwd> 
    <kwd>
      Least-Squares Functional
    </kwd> 
    <kwd>
      Topological Optimization
    </kwd> 
    <kwd>
      Topological Gradient Descent of Direction
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
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 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>Understanding pollutant transfer in porous media is a major challenge in environmental modeling, with applications in soil decontamination, groundwater management, and filtration processes. Classical models of pollutant transport often assume that key physical parameters, such as density and conductivity, remain constant <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-1">
     [1]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-2">
     [2]
    </xref>. Although these assumptions simplify theoretical and numerical analyses, they fail to capture the complexity of heterogeneous porous media observed in real-world environments.</p>
   <p>In our previous work <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-3">
     [3]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-4">
     [4]
    </xref>, we extended these classical models by incorporating spatial variability in density and conductivity, distinguishing between cases in which their divergence is zero or not. This approach provided a more realistic representation of pollutant transport but still imposed structural constraints on the physical properties of the medium.</p>
   <p>This study further generalizes our previous approach by removing all restrictive assumptions regarding density and conductivity. Unlike previous studies that treated these parameters as constant or variable in some assumptions <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-1">
     [1]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-2">
     [2]
    </xref>, our model fully accounted for their spatial variability with no restriction, offering a more flexible and comprehensive framework. In this model, we applied topological optimization techniques, specifically the topological gradient method, to identify optimal configurations that minimize pollutant dispersion in porous structures.</p>
   <p>First, we formulate a generalized mathematical model for pollutant transport, highlighting its flexibility and applicability to a wide range of scenarios. Next, we define the least-squares function as the target for minimization, ensuring a rigorous optimization framework. We then present the theory and implementation of the topological gradient method and demonstrate its effectiveness in exploring complex solution spaces. Finally, we provide numerical simulations in both 2D and 3D settings, illustrating the efficiency of our approach for optimizing pollutant transport structures.</p>
   <p>This study highlights the potential of topological optimization for tackling complex environmental challenges by seamlessly integrating mathematical modeling, computational optimization, and numerical simulation.</p>
   <p>The work proceeds as follows: In Section 2, we first present the model of pollutant transportation in porous media without any assumptions made on key parameters such as density and conductivity. Section 3 summarizes the topological optimization method and its application to the model of pollutant transportation in porous media. Section 4 describes the proposed numerical method and numerical simulations in both 2D and 3D. Section 5 provides some concluding remarks and possible extensions.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Modelization of Pollutant Transfer in Porous Media Without any Assumption on Density</title>
   <p>The pollution model in porous media is commonly described by several laws governing the interaction of fluid motion through porous media. For more details, see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-1">
     [1]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-5">
     [5]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-10">
     [10]
    </xref>.</p>
   <sec id="s2_1">
    <title>2.1. Equations Governing Pollutant Transfer</title>
    <p>The transfer of pollutants in porous media can be described <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-1">
      [1]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-3">
      [3]
     </xref> by the following system of equations:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ε 
               </mi> 
               <mi>
                 d 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mi>
               q 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
             (2 
           </mtext> 
           <mtext>
             .1a) 
           </mtext> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ε 
               </mi> 
               <mi>
                 d 
               </mi> 
               <mi mathvariant="script">
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mi mathvariant="script">
               W 
             </mi> 
             <mi>
               q 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               J 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
             (2 
           </mtext> 
           <mtext>
             .1b) 
           </mtext> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi mathvariant="script">
             W 
           </mi> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtext>
               Fick's law 
             </mtext> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
             (2 
           </mtext> 
           <mtext>
             .1c) 
           </mtext> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mi>
             exp 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <mi>
                T 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 T 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  T 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <mi>
                P 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 P 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  P 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <mi mathvariant="script">
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mn>
               6 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
             (2 
           </mtext> 
           <mtext>
             .1d) 
           </mtext> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mi>
             q 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               P 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                e 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtext>
               Darcy's law 
             </mtext> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
             (2 
           </mtext> 
           <mtext>
             .1e) 
           </mtext> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>There were several important variables and parameters in the model. The flow density 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             kg 
           </mtext> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mtext>
              m 
            </mtext> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is a function of the temperature 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, pressure 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and the mass pollutant ratio transported 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="script">
        W 
      </mi> 
     </math>. The porosity of the porous medium, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          ε 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, is a dimensionless value from 0 to 1, which is the ratio of the void volume to the medium volume. The fluid vector indicates 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         q 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mtext>
            m 
          </mtext> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mtext>
            s 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and indicates the Darcys’ velocity, which is a function of the pressure of the fluid 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           P 
         </mi> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. The pollutant mass transport is diffusive owing to the diffusion coefficient 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mtext>
              m 
            </mtext> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mtext>
            s 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and is expressed in the diffusive flux 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mtext>
             kg 
           </mtext> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <msup> 
                <mtext>
                  m 
                </mtext> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </msup> 
              </mrow> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mtext>
                s 
              </mtext> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, that follows Fick’s law. Time 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mtext>
          s 
        </mtext> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> as the execution of the system continues. Some reference values for temperature 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and pressure 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          P 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and sensitivity coefficients 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mi>
            T 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mi>
            P 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        γ 
      </mi> 
     </math> for the temperature, pressure and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi mathvariant="script">
          W 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, affect the fluid density 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. The permeability of the porous medium 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> represents the medium’s ability to allow fluid transmission, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mo> 
        </mo> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msup> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> fluid dynamic viscosity (it’s value is in (Pa∙s)) means the degree of the fluid flow resistance. Gravitational effects are introduced by means of gravitational acceleration 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mtext>
              m 
            </mtext> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mtext>
            s 
          </mtext> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and unit vector 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ; 
         </mo> 
         <mtext> 
         </mtext> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ; 
         </mo> 
         <mtext> 
         </mtext> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> that indicates how gravity acts in the model.</p>
   </sec>
   <sec id="s2_2">
    <title>2.2. Generalized Model of Pollution in Porous Media</title>
    <p>In this approach, we avoid making assumptions about density d. Instead, which is treated as a variable influenced by external factors such as pressure, temperature, and pollutant concentration. This generalization allowed the model to remain applicable to a wider range of porous media and scenarios.</p>
    <p>The system of Equations (2.1) can be rewritten according to <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-1">
      [1]
     </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-3">
      [3]
     </xref> as:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ε 
               </mi> 
               <mi>
                 d 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
             </mfrac> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               P 
             </mi> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
             </mfrac> 
             <msup> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                e 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ε 
               </mi> 
               <mi>
                 d 
               </mi> 
               <mi mathvariant="script">
                 W 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mi mathvariant="script">
               W 
             </mi> 
             <mfrac> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
             </mfrac> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               P 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
             <mi mathvariant="script">
               W 
             </mi> 
             <mfrac> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                μ 
              </mi> 
             </mfrac> 
             <mi>
               g 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                e 
              </mi> 
              <mn>
                3 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mi>
               D 
             </mi> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               W 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (2.2)</p>
    <p>REMARK 1 The porosity ε of the medium can be modeled using Garner’s law:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable columnalign="left"> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  ε 
                </mi> 
                <mi>
                  s 
                </mi> 
               </msub> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  ε 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msup> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     α 
                   </mi> 
                   <mi>
                     h 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mi>
                  β 
                </mi> 
               </msup> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
             <mo>
               ≤ 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ε 
              </mi> 
              <mi>
                s 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
             <mo>
               &gt; 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        h 
      </mi> 
     </math> represents the pressure relative to the atmospheric pressure.</p>
    <p>By developing the second equation in (2.2), we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               ε 
             </mi> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               P 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msup> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mi>
             g 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              e 
            </mi> 
            <mn>
              3 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          e 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (2.3)</p>
    <p>According to the first equation of (2.2), we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi mathvariant="script">
            W 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         P 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Due to (2.1d) and the temperature does not vary, one gets</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             P 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             W 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mrow> 
             <mi>
               γ 
             </mi> 
             <msub> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <mi>
                p 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               ln 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mfrac> 
                <mi>
                  d 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    d 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </mfrac> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (2.4)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             ln 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  d 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mo> 
         </mo> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>It follows that:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi mathvariant="script">
             W 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           ln 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mo> 
         </mo> 
         <mi>
           D 
         </mi> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>By rearranging, we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi mathvariant="script">
             W 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           ln 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
        <mi>
          ε 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi mathvariant="script">
             W 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mfrac> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             ε 
           </mi> 
           <mi>
             γ 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mtext>
             ln 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  d 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mi>
               D 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             ε 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
       <msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
        <mi>
          ε 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Setting 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mover accent="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo stretchy="true">
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           γ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           ln 
         </mtext> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mi>
         g 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
        <mi>
          ε 
        </mi> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>,</p>
    <p>one has</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi mathvariant="script">
           W 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi mathvariant="script">
             W 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mover accent="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo stretchy="true">
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </msub> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi mathvariant="script">
         W 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>We aim to fix the boundary and initial conditions to guarantee the good posedness of the pollution model <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-11">
      [11]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-12">
      [12]
     </xref>. Thus</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              { 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtable columnalign="left"> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi mathvariant="script">
                     W 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     t 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    α 
                  </mi> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <msup> 
                  <mrow> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      | 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∇ 
                     </mo> 
                     <mi mathvariant="script">
                       W 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      | 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                  </mrow> 
                  <mn>
                    2 
                  </mn> 
                 </msup> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mover accent="true"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo stretchy="true">
                    ¯ 
                  </mo> 
                 </mover> 
                 <mo>
                   ⋅ 
                 </mo> 
                 <mo>
                   ∇ 
                 </mo> 
                 <mi mathvariant="script">
                   W 
                 </mi> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    α 
                  </mi> 
                  <mn>
                    3 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <msub> 
                  <mo>
                    ∂ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    z 
                  </mi> 
                 </msub> 
                 <mi mathvariant="script">
                   W 
                 </mi> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    α 
                  </mi> 
                  <mn>
                    4 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mtext>
                   Δ 
                 </mtext> 
                 <mi mathvariant="script">
                   W 
                 </mi> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                 <mtext>
                   in 
                 </mtext> 
                 <mi>
                   ℬ 
                 </mi> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      T 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mi mathvariant="script">
                   W 
                 </mi> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi mathvariant="script">
                    W 
                  </mi> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <msub> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     on Γ 
                   </mtext> 
                  </mrow> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      T 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi mathvariant="script">
                     W 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     n 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                 <mtext>
                   on 
                 </mtext> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <mi>
                   ℬ 
                 </mi> 
                 <mo>
                   ∖ 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mtext>
                    Γ 
                  </mtext> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      T 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mi mathvariant="script">
                   W 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi mathvariant="script">
                    W 
                  </mi> 
                  <mi>
                    i 
                  </mi> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                 <mi>
                   x 
                 </mi> 
                 <mo>
                   ∈ 
                 </mo> 
                 <mi>
                   ℬ 
                 </mi> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    { 
                  </mo> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                  <mo>
                    } 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   . 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
             </mtable> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (2.5)</p>
    <p>REMARK 2 The pollution model we obtain is a generalization of the models obtained in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-1">
      [1]
     </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-3">
      [3]
     </xref>. In fact, assuming the same hypotheses used in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-3">
      [3]
     </xref> of our generalized model, we obtain the same pollution model.</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Topological Optimization</title>
   <p>We applied the topological optimization tools to the model of pollution in porous media that we obtained. Among several methods used to compute the topological derivative <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-13">
     [13]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-20">
     [20]
    </xref>, we adopted the generalized adjoint method developed in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-13">
     [13]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-21">
     [21]
    </xref>.</p>
   <sec id="s3_1">
    <title>3.1. A Generalized Adjoint Method</title>
    <p>More details of the generalized adjoint method can be found in <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-22">
      [22]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-23">
      [23]
     </xref>.</p>
    <p>Let 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℋ 
      </mi> 
     </math> be a fixed Hilbert space and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtext>
           resp 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            ℒ 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            ℋ 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> denotes the spaces of linear (resp bilinear) forms on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℋ 
      </mi> 
     </math>. Let us assume the following hypotheses.</p>
    <p>HYPOTHESIS 1: There exists a real function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        f 
      </mi> 
     </math>, a bilinear form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and a linear form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> (3.1)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            L 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            ℋ 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         o 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (3.2)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            ℋ 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         o 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> (3.3)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> resp ( 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>) denotes the bilinear resp (linear) form.</p>
    <p>HYPOTHESIS 2: The bilinear form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is coercive. There exists a constant 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ≥ 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ‖ 
              </mo> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mo>
                ‖ 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <mo>
             ∀ 
           </mo> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mo>
             ∈ 
           </mo> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.4)</p>
    <p>According to (3.2) the bilinear form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> depends continuously on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math>, hence there exists 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mo>
         &gt; 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> such that for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> the following uniform coercive holds 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mtext> 
       </mtext> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         ℋ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. Moreover, according to Lax-Milligram’s theorem, for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, the problem finds 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         ℋ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <mo>
             ∀ 
           </mo> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mo>
             ∈ 
           </mo> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.5)</p>
    <p>has a unique solution and the following result holds.</p>
    <p>LEMMA 1 If Hypotheses 1 and 2 are satisfied, there exists a unique solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> to (3.5). Furthermore, the following estimate holds:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ℋ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mi>
             O 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.6)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        u 
      </mi> 
     </math> is the solution of: 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <mi>
         v 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         ℋ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Proof. Because of the ellipticity of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> we obtain</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mtext> 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>From</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            a 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext> 
         </mtext> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext> 
         </mtext> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                l 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                l 
              </mi> 
              <mn>
                0 
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              </mi> 
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               − 
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                u 
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              ) 
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             − 
           </mo> 
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              </mi> 
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               − 
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             − 
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               − 
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    <p>Thus</p>
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             − 
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           </msub> 
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             − 
           </mo> 
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         f 
       </mi> 
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          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
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          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
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         + 
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           δ 
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         <mi>
           l 
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              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
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              0 
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         </mrow> 
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          ‖ 
        </mo> 
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         f 
       </mi> 
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          ( 
        </mo> 
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          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
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         + 
       </mo> 
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          ‖ 
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          <mi>
            u 
          </mi> 
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            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         o 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         o 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Thus,</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             l 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         o 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>which implies that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             l 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         f 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         o 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           f 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>,</p>
    <p>this confirms the proof. ■ We also assume the following hypothesis.</p>
    <p>HYPOTHESIS 3: Let 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        j 
      </mi> 
     </math> be a functional such that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        J 
      </mi> 
     </math> is differentiable. For any 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         ℋ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, there exists a linear and continuous form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          J 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> such that:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              δ 
            </mi> 
            <mi>
              J 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             o 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ‖ 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mi>
                   v 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ‖ 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mi>
                ℋ 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.7)</p>
    <p>The Lagrangian 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℒ 
      </mi> 
     </math> is given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mi>
             L 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mi>
             a 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             l 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ∀ 
           </mo> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mo>
             ∈ 
           </mo> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.8)</p>
    <p>Its variation is given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ℒ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               v 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              l 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mo>
             ∀ 
           </mo> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
           <mo>
             ∈ 
           </mo> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.9)</p>
    <p>We also have the following generic theorem.</p>
    <p>THEOREM 1 Under hypotheses (1), (2) and (3), we have the following asymptotic expansion of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        j 
      </mi> 
     </math>:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             δ 
           </mi> 
           <mi>
             L 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             o 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               f 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.10)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the solution of (3.5) with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the solution to the adjoint problem, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              a 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               ℬ 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             D 
           </mi> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ∫ 
           </mo> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mtext> 
           </mtext> 
           <mo>
             ∀ 
           </mo> 
           <mi>
             f 
           </mi> 
           <mo>
             ∈ 
           </mo> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.11)</p>
    <p>and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          δ 
        </mi> 
        <mi>
          J 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, denotes the topological derivative.</p>
    <p>Proof. For the proof of this theorem, see <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-23">
      [23]
     </xref>. ■</p>
   </sec>
   <sec id="s3_2">
    <title>3.2. Application of Topological Optimization to the Generalized Model of Pollution in Porous Media</title>
    <p>To optimize the configuration of the porous media for pollution control, we employed topological optimization methods. This approach aims to minimize the function representing the pollutant mass ratio while satisfying physical constraints.</p>
    <p>For a real number 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, we define the perturbed domain 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mtext>
          Ω 
        </mtext> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mtext>
         Ω 
       </mtext> 
       <mo>
         ∖ 
       </mo> 
       <mover accent="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ℬ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo stretchy="true">
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ℬ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mi>
         ℬ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ℬ 
       </mi> 
       <mo>
         ⊂ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          ℝ 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> or 3.</p>
    <p>We consider the sets 
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         Q 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mtext>
         Ω 
       </mtext> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <msub> 
         <mo>
           ∑ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mrow></mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℬ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Q 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <msub> 
        <mtext>
          Ω 
        </mtext> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>The optimization process involves minimizing the objective functional 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi mathvariant="script">
            W 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, defined as</p>
    <fig id="fig1" position="float">
     <label>Figure 1</label>
     <caption>
      <title>where 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi mathvariant="script">
           
    W
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> is the solution to the perturbed problem (3.12):
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mtable> 
   
          <mtr> 
    
           <mtd> 
     
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                { 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mtable columnalign="left"> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mfrac> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mi mathvariant="script">
                        W 
                      </mi> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <mi>
                       t 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mfrac> 
                   <mo>
                     + 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <msup> 
                    <mrow> 
                     <mrow> 
                      <mo>
                        | 
                      </mo> 
                      <mrow> 
                       <mo>
                         ∇ 
                       </mo> 
                       <msub> 
                        <mi mathvariant="script">
                          W 
                        </mi> 
                        <mi>
                          r 
                        </mi> 
                       </msub> 
                      </mrow> 
                      <mo>
                        | 
                      </mo> 
                     </mrow> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msup> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mover accent="true"> 
                    <mrow> 
                     <msub> 
                      <mi>
                        α 
                      </mi> 
                      <mn>
                        2 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo stretchy="true">
                      ¯ 
                    </mo> 
                   </mover> 
                   <mo>
                     ⋅ 
                   </mo> 
                   <mo>
                     ∇ 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      3 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mfrac> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mi mathvariant="script">
                        W 
                      </mi> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <mi>
                       z 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mfrac> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      4 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mtext>
                     Δ 
                   </mtext> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mrow> 
                     <mtext>
                       in Ω 
                     </mtext> 
                    </mrow> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mrow> 
                     <mtext>
                       on Γ 
                     </mtext> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mfrac> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mi mathvariant="script">
                        W 
                      </mi> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <mi>
                       n 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mfrac> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     on 
                   </mtext> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mtext>
                        Ω 
                      </mtext> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                     <mo>
                       ∖ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mtext>
                        Γ 
                      </mtext> 
                      <mn>
                        1 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      B 
                    </mi> 
                    <mi>
                      ℬ 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     on 
                   </mtext> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ℬ 
                   </mi> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mi>
                       x 
                     </mi> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     for 
                   </mtext> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     ∈ 
                   </mo> 
                   <mtext>
                     Ω 
                   </mtext> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      { 
                    </mo> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
                    <mo>
                      } 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     . 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
               </mtable> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
    
           </mtd> 
   
          </mtr> 
  
         </mtable>
 
        </mrow> 

       </math> (3.12)Here, 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    B
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    ℬ
   
          </mi> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> is an operator defined as 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mo>
          
   ∂
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   ℬ
  
         </mi>
 
        </mrow>

       </math>, mapping 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi mathvariant="script">
           
    W
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> to either 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi mathvariant="script">
         
  W
 
        </mi>

       </math> or 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mo>
           
    ∂
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    n
   
          </mi> 
  
         </msub> 
  
         <mi mathvariant="script">
          
   W
  
         </mi>
 
        </mrow>

       </math>, and 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi mathvariant="script">
           
    W
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    d
   
          </mi> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> is the desired pollutant mass reference.To simplify the problem, we introduce a change of variable:
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   u
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   ψ
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi mathvariant="script">
           
    W
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   λ
  
         </mi>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    e
   
          </mi> 
   
          <mrow> 
    
           <mfrac> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <mn>
                4 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
    
           </mfrac> 
    
           <mi mathvariant="script">
            
     W
    
           </mi>
   
          </mrow> 
  
         </msup> 
 
        </mrow>

       </math>This leads to the transformed system (3.13):
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mtable> 
   
          <mtr> 
    
           <mtd> 
     
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                { 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mtable columnalign="left"> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mfrac> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mi>
                        u 
                      </mi> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <mi>
                       t 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mfrac> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <mover accent="true"> 
                    <mrow> 
                     <msub> 
                      <mi>
                        α 
                      </mi> 
                      <mn>
                        2 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo stretchy="true">
                      ¯ 
                    </mo> 
                   </mover> 
                   <mo>
                     ⋅ 
                   </mo> 
                   <mo>
                     ∇ 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      3 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mfrac> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mi>
                        u 
                      </mi> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <mi>
                       z 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mfrac> 
                   <mo>
                     − 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      4 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mtext>
                     Δ 
                   </mtext> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mrow> 
                     <mtext>
                       in Ω 
                     </mtext> 
                    </mrow> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ψ 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <msub> 
                      <mi mathvariant="script">
                        W 
                      </mi> 
                      <mn>
                        1 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mrow> 
                     <mtext>
                       on Γ 
                     </mtext> 
                    </mrow> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mfrac> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mi>
                        u 
                      </mi> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <mi>
                       n 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                   </mfrac> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ψ 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <msub> 
                      <mi mathvariant="script">
                        W 
                      </mi> 
                      <mn>
                        2 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     on 
                   </mtext> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mo>
                       ∂ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mtext>
                        Ω 
                      </mtext> 
                      <mi>
                        r 
                      </mi> 
                     </msub> 
                     <mo>
                       ∖ 
                     </mo> 
                     <msub> 
                      <mtext>
                        Γ 
                      </mtext> 
                      <mn>
                        1 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      B 
                    </mi> 
                    <mi>
                      ℬ 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     on 
                   </mtext> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ℬ 
                   </mi> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
                <mtr columnalign="left"> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mi>
                       x 
                     </mi> 
                     <mo>
                       , 
                     </mo> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     = 
                   </mo> 
                   <mi>
                     ψ 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <msub> 
                      <mi mathvariant="script">
                        W 
                      </mi> 
                      <mn>
                        0 
                      </mn> 
                     </msub> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                 <mtd columnalign="left"> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     for 
                   </mtext> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     ∈ 
                   </mo> 
                   <mtext>
                     Ω 
                   </mtext> 
                   <mo>
                     × 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      { 
                    </mo> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
                    <mo>
                      } 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     . 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mtd> 
                </mtr> 
               </mtable> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
    
           </mtd> 
   
          </mtr> 
  
         </mtable>
 
        </mrow> 

       </math> (3.13)The optimization problem then becomes solving:<img width="383.6805555555556" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId222.svg?20250725040503" />where 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> is the solution of (3.13) which weak formulation is to find 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   ∈
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   ℱ
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math> such that:</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <fig id="fig2" position="float">
     <label>Figure 2</label>
     <caption>
      <title>for all 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   v
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   ∈
  
         </mo>
  
         <mi mathvariant="script">
          
   D
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math> and
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   ℱ
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    {
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     ∈
    
           </mo>
    
           <msup> 
     
            <mi>
              H 
            </mi> 
     
            <mn>
              1 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
    
           <mo>
            
     ,
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mn>
              1 
            </mn> 
    
           </msub> 
    
           <msub> 
     
            <mrow> 
             <mtext>
               on Γ 
             </mtext> 
            </mrow> 
     
            <mn>
              1 
            </mn> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     ,
    
           </mo>
    
           <mfrac> 
     
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
     
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
    
           </mfrac> 
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
    
           <msub> 
     
            <mrow> 
             <mtext>
               on Γ 
             </mtext> 
            </mrow> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msub> 
    
           <mtext>
            
      and 
    
           </mtext>
    
           <msub> 
     
            <mi>
              B 
            </mi> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ℬ 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
    
           <mo>
            
     ,
    
           </mo>
    
           <mtext>
            
      on 
    
           </mtext>
    
           <mo>
            
     ∂
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mi>
              ℬ 
            </mi> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    }
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   .
  
         </mo>
 
        </mrow>

       </math>The bilinear and linear forms associated with (3.15) are<img width="388.8888888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId234.svg?20250725040503"> (3.14)</img>and<img width="312.5" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId236.svg?20250725040503" />andFor 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   r
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   0
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>, the objective functional simplifies to:<img width="255.09761388286333" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId240.svg?20250725040503" />where 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> is the solution to the following problem (3.15):</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              { 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mtable columnalign="left"> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mtext>
                      Ω 
                    </mtext> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     t 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mover accent="true"> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      α 
                    </mi> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo stretchy="true">
                    ¯ 
                  </mo> 
                 </mover> 
                 <mo>
                   ∇ 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mtext>
                    Ω 
                  </mtext> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    α 
                  </mi> 
                  <mn>
                    3 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mtext>
                      Ω 
                    </mtext> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     z 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    α 
                  </mi> 
                  <mn>
                    4 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mtext>
                   Δ 
                 </mtext> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mtext>
                    Ω 
                  </mtext> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mtext>
                   in Ω 
                 </mtext> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <mi>
                     T 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mtext>
                    Ω 
                  </mtext> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mi>
                   ψ 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mrow> 
                   <mtext>
                     on Γ 
                   </mtext> 
                  </mrow> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <mi>
                     T 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mfrac> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      u 
                    </mi> 
                    <mtext>
                      Ω 
                    </mtext> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mi>
                     n 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                 </mfrac> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mi>
                   ψ 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mn>
                      2 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mtext>
                   on 
                 </mtext> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ∂ 
                   </mo> 
                   <mtext>
                     Ω 
                   </mtext> 
                   <mo>
                     ∖ 
                   </mo> 
                   <msub> 
                    <mtext>
                      Γ 
                    </mtext> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <mi>
                     T 
                   </mi> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
              <mtr columnalign="left"> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mtext>
                    Ω 
                  </mtext> 
                 </msub> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mi>
                     x 
                   </mi> 
                   <mo>
                     , 
                   </mo> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   = 
                 </mo> 
                 <mi>
                   ψ 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ( 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi mathvariant="script">
                      W 
                    </mi> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    ) 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mtd> 
               <mtd columnalign="left"> 
                <mrow> 
                 <mtext>
                   for 
                 </mtext> 
                 <mi>
                   x 
                 </mi> 
                 <mo>
                   ∈ 
                 </mo> 
                 <mtext>
                   Ω 
                 </mtext> 
                 <mo>
                   × 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    { 
                  </mo> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                  <mo>
                    } 
                  </mo> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
               </mtd> 
              </mtr> 
             </mtable> 
            </mrow> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.15)</p>
    <p>The weak formulation of (3.15) is to find 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         ℱ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mtext>
          Ω 
        </mtext> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> such that:</p>
    <fig id="fig3" position="float">
     <label>Figure 3</label>
     <caption>
      <title>for all 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   v
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   ∈
  
         </mo>
  
         <mi mathvariant="script">
          
   D
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math> and
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   ℱ
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    {
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     u
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     ∈
    
           </mo>
    
           <msup> 
     
            <mi>
              H 
            </mi> 
     
            <mn>
              1 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
    
           <mo>
            
     ,
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     u
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mn>
              1 
            </mn> 
    
           </msub> 
    
           <msub> 
     
            <mrow> 
             <mtext>
               on Γ 
             </mtext> 
            </mrow> 
     
            <mn>
              1 
            </mn> 
    
           </msub> 
    
           <mtext>
            
      and 
    
           </mtext>
    
           <mfrac> 
     
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
            </mrow> 
     
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
    
           </mfrac> 
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
    
           <msub> 
     
            <mrow> 
             <mtext>
               on Γ 
             </mtext> 
            </mrow> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msub> 
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    }
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math>.The bilinear and linear forms associated with (3.15) are<img width="383.6805555555556" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId254.svg?20250725040503"> (3.16)</img>and<img width="314.2361111111111" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId256.svg?20250725040503" />Under these conditions, we obtain the following results.LEMMA 1 If 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    0
   
          </mn> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> and 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math> are the respective solutions to problems (3.16) and (3.14), then there exists 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   f
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   ≥
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   0
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>, with <img width="91.97396963123644" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId264.svg?20250725040503">, such that</img>
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mtable> 
   
          <mtr> 
    
           <mtd> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
             <msub> 
              <mrow></mrow> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ℱ 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mtext>
                  Ω 
                </mtext> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mi>
               O 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 f 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
    
           </mtd> 
   
          </mtr> 
  
         </mtable>
 
        </mrow>

       </math> (3.17)Proof. See <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-3">
        [3]
       </xref> ■</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <p>Thus, we have the following result:</p>
    <p>THEOREM 2 (Main Result) Under the conditions of Lemma 1, the topological derivative of functional (3.2), where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℬ 
      </mi> 
     </math> denotes the unit ball centered at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, is given by</p>
    <p><img width="630.2083333333334" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId272.svg?20250725040503"> (3.18)</img></p>
    <p>for Neumann boundary conditions</p>
    <p><img width="272.5694444444444" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId274.svg?20250725040503">, for Dirichlet boundary conditions. </img></p>
    <p>State 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> solves the direct problem (3.13) and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          v 
        </mi> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the solution of the corresponding adjoint problem.</p>
    <p>Proof. To prove this theorem we determine the variation of the bilinear form, objective function and linear form. Subsequently Theorem 2 is applied.</p>
    <p>Variation of the bilinear form</p>
    <p>The variation of the bilinear form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          a 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> associated with problem (3.14) and (3.16) is given by</p>
    <fig id="fig4" position="float">
     <label>Figure 4</label>
     <caption>
      <title>However, from Lemma 1, the following estimate holds<img width="545.1388888888888" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId284.svg?20250725040503">.</img>Thus,<img width="604.1666666666666" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId286.svg?20250725040503"> (3.19)</img>in the case of a Neumann condition, since 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   ℬ
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   ∈
  
         </mo>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    ℝ
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    n
   
          </mi> 
  
         </msup> 
  
         <mo>
          
   ,
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   n
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   2
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math> or 3, we take 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   f
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    n
   
          </mi> 
  
         </msup> 
 
        </mrow>

       </math>.It follows by applying the change of variables (3.2) that we have<img width="647.5694444444445" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId292.svg?20250725040503" />Using the mean value theorem, we obtain the following result:<img width="621.5277777777778" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId294.svg?20250725040503" />Since</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <p><img width="496.52777777777777" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId296.svg?20250725040503">,</img></p>
    <p>it follows that</p>
    <p><img width="512.1527777777778" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId298.svg?20250725040503">.</img></p>
    <p>In the case of a Dirichlet condition at the boundary of the hole, a similar reasoning applies.</p>
    <p>Variation of the functional form</p>
    <p>We have</p>
    <fig id="fig5" position="float">
     <label>Figure 5</label>
     <caption>
      <title>Let us denote:<img width="404.5138888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId302.svg?20250725040503"> (3.20)</img>and<img width="248.26388888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId304.svg?20250725040503"> (3.21)</img>We then have:<img width="458.3333333333333" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId306.svg?20250725040503"> (3.22)</img>It follows that:<img width="376.7361111111111" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId308.svg?20250725040503"> (3.23)</img>From Lemma 1, we know that 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   −
  
         </mo>
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mtext>
           
    Ω
   
          </mtext> 
  
         </msub> 
  
         <msub> 
   
          <mrow></mrow> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     ℱ
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              ℬ 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   O
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     f
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math>. Hence:
       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    ψ
   
          </mi> 
   
          <mrow> 
    
           <mo>
            
     −
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     1
    
           </mn>
   
          </mrow> 
  
         </msup> 
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   −
  
         </mo>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    ψ
   
          </mi> 
   
          <mrow> 
    
           <mo>
            
     −
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     1
    
           </mn>
   
          </mrow> 
  
         </msup> 
  
         <msub> 
   
          <mrow> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mtext>
                Ω 
              </mtext> 
             </msub> 
            </mrow> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     ℱ
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              ℬ 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   O
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mi>
            
     f
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   ,
  
         </mo>
 
        </mrow>

       </math></title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <p>since 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ψ 
      </mi> 
     </math> is a bijective and continuous function.</p>
    <p>Thus:</p>
    <p><img width="420.1388888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId316.svg?20250725040503"> (3.24)</img></p>
    <p>We therefore have:</p>
    <p><img width="503.47222222222223" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId318.svg?20250725040503"> (3.25)</img></p>
    <p>To complete the proof, it suffices to show that:</p>
    <p><img width="501.73611111111114" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId320.svg?20250725040503"> (3.26)</img></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtable> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mi>
             C 
           </mi> 
           <mo>
             : 
           </mo> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mo>
             ⊂ 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              ℝ 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msup> 
           <mo>
             → 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              ℬ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             ⊂ 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              ℝ 
            </mi> 
            <mi>
              n 
            </mi> 
           </msup> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mrow> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mo>
             ↦ 
           </mo> 
           <mi>
             C 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mi>
             y 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </math> (3.27)</p>
    <p>we get:</p>
    <p><img width="435.7638888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId324.svg?20250725040503"> (3.28)</img></p>
    <p>Rearranging gives:</p>
    <fig id="fig6" position="float">
     <label>Figure 6</label>
     <caption>
      <title>By setting 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   f
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    r
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    n
   
          </mi> 
  
         </msup> 
 
        </mrow>

       </math> and applying the mean value theorem, we obtain:<img width="413.1944444444444" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId332.svg?20250725040503" />Since<img width="420.1388888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId334.svg?20250725040503" />the variation of the functional is<img width="413.1944444444444" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId336.svg?20250725040503" />Therefore, when 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
         
  ℬ
 
        </mi>

       </math> represents the unit ball centered at 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    0
   
          </mn> 
  
         </msub> 
 
        </mrow>

       </math>, we have:<img width="416.6666666666667" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId342.svg?20250725040503" /><li class="lid"><p>For the Dirichlet boundary condition around the of the hole, using a Taylor expansion near 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mn>
              0 
            </mn> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>, we obtain:</p></li><img width="435.7638888888889" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId346.svg?20250725040503" /></title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mtext>
            Ω 
          </mtext> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>According to Theorem 2, the expression for the topological derivative is:</p>
    <p><img width="619.7916666666666" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId354.svg?20250725040503"> (3.29)</img></p>
    <p>for Neumann boundary conditions, or:</p>
    <fig id="fig7" position="float">
     <label>Figure 7</label>
     <caption>
      <title>for Dirichlet boundary conditions.4. Numerical ResultsThe simulation of the pollutant dynamics was performed with FreeFem++ <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-24">
        [24]
       </xref>, which allows the handling of different types of boundary conditions (Neumann and Dirichlet). The states <img width="22.549869904596704" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId358.svg?20250725040504"> and 
 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
   
          <msub> 
    
           <mi>
            
     v
    
           </mi> 
    
           <mtext>
            
     Ω
    
           </mtext> 
   
          </msub> 
  
         </mrow>
 
        </math> represent the solutions of the direct and adjoint problems, respectively. The time step 
 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
   
          <mtext>
           
    Δ
   
          </mtext>
   
          <mi>
           
    t
   
          </mi>
   
          <mo>
           
    =
   
          </mo>
   
          <mn>
           
    0.1
   
          </mn>
  
         </mrow>
 
        </math> and the time 
 
        <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
   
          <mi>
           
    τ
   
          </mi>
   
          <mo>
           
    =
   
          </mo>
   
          <msub> 
    
           <mi>
            
     T
    
           </mi> 
    
           <mrow> 
     
            <mtext>
              max 
            </mtext>
    
           </mrow> 
   
          </msub> 
   
          <mo>
           
    =
   
          </mo>
   
          <mn>
           
    50
   
          </mn>
  
         </mrow>
 
        </math> were used.</img>The topological gradient descent algorithm seems to be a powerful tool for the analysis of several physical problems such as pollution <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-4">
        [4]
       </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-25">
        [25]
       </xref>. Therefore, we can write Algorithm (1) for the optimal design minimizing the least-squares functional.Algorithm 1 (Topological Optimization Algorithm)1) Initialization:<li class="lid"><p>Choose an initial domain 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mn>
              0 
            </mn> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>,</p></li>
<li class="lid"><p>Set a small threshold value 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
     
            <mn>
              0 
            </mn> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     &gt;
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
   
          </mrow>
  
         </math> and a radius 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              R 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>,</p></li>
<li class="lid"><p>Initialize the iteration index: 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <mi>
            
     k
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>2) Iterations: Repeat<li class="lid"><p>Solve the direct and adjoint problems to compute 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mtext>
                Ω 
              </mtext> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math> and 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              v 
            </mi> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mtext>
                Ω 
              </mtext> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math> in the domain 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>
<li class="lid"><p>Compute the topological gradient 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              g 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow>
  
         </math> for all 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <mi>
            
     x
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     ∈
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>
<li class="lid"><p>Identify the minimum of 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              g 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow>
  
         </math>, denoted 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              g 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mtext>
                * 
              </mtext> 
             </msubsup> 
            </mrow> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow>
  
         </math>, and its corresponding location 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msubsup> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
     
            <mtext>
              * 
            </mtext> 
    
           </msubsup> 
   
          </mrow>
  
         </math> within 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>
<li class="lid"><p>While 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              | 
            </mo> 
     
            <mrow> 
             <mtext>
               min 
             </mtext> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  g 
                </mi> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
               </msub> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
     
            <mo>
              | 
            </mo>
    
           </mrow>
    
           <mo>
            
     ≥
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mi>
              r 
            </mi> 
     
            <mn>
              0 
            </mn> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>, perform:</p></li>
<li class="lid"><p>Update domain 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
    
           <mo>
            
     ∖
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     B
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mtext>
                * 
              </mtext> 
             </msubsup> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                R 
              </mi> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow>
  
         </math>, where 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <mi>
            
     B
    
           </mi>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mrow> 
             <msubsup> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mtext>
                * 
              </mtext> 
             </msubsup> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                R 
              </mi> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow>
  
         </math> is the ball centered at 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msubsup> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
     
            <mtext>
              * 
            </mtext> 
    
           </msubsup> 
   
          </mrow>
  
         </math> and radius 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              R 
            </mi> 
     
            <mi>
              k 
            </mi> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>
<li class="lid"><p>Solve the updated direct and adjoint problems in 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math> to compute 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              u 
            </mi> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mtext>
                Ω 
              </mtext> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math> and 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              v 
            </mi> 
     
            <mrow> 
             <msub> 
              <mtext>
                Ω 
              </mtext> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>
<li class="lid"><p>Recompute the topological gradient: 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <msub> 
     
            <mi>
              g 
            </mi> 
     
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow>
  
         </math> for all 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <mi>
            
     x
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     ∈
    
           </mo>
    
           <msub> 
     
            <mtext>
              Ω 
            </mtext> 
     
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
    
           </msub> 
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>
<li class="lid"><p>Increment the iteration index: 
  
         <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
    
           <mi>
            
     k
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     =
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     k
    
           </mi>
    
           <mo>
            
     +
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     1
    
           </mn>
   
          </mrow>
  
         </math>.</p></li>3) Finalization: Print the obtained optimal design.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi mathvariant="script">
         A 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is the bilinear operator given by:</p>
    <p><img width="322.9166666666667" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId418.svg?20250725040504"> (4.2)</img></p>
    <p>The weak formulation at the time step 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> becomes:</p>
    <p><img width="508.6805555555556" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId422.svg?20250725040504"> (4.3)</img></p>
    <p>The problem is solved iteratively over the time steps, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> represents the solution at step n.</p>
    <p>The topological gradient 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi mathvariant="script">
          G 
        </mi> 
        <mi>
          τ 
        </mi> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> is given by:</p>
    <p><img width="609.375" src="https://html.scirp.org/file/2730388-rId428.svg?20250725040504"> (4.4)</img></p>
    <p>in the Neumann condition and</p>
    <fig id="fig8" position="float">
     <label>Figure 8</label>
     <caption>
      <title>for Dirichlet boundary conditions.4.1. Numerical Results in Two Dimensions Case with a Dirichlet Boundary Condition on the Hole 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mo>
          
   ∂
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   ℬ
  
         </mi>
 
        </mrow>

       </math>In two dimensions, we consider the computational domain 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mtext>
          
   Ω
  
         </mtext>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
    
           <mo>
            
     ,
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     H
    
           </mi>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   ×
  
         </mo>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mn>
            
     0
    
           </mn>
    
           <mo>
            
     ,
    
           </mo>
    
           <mi>
            
     L
    
           </mi>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math> with 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   H
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   10
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math> and 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   L
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   10
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>. The simulations were performed using the following parameters: the permeability is given by 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   κ
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   0.03
  
         </mn>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    y
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    2
   
          </mn> 
  
         </msup> 
  
         <mo>
          
   +
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   0.3
  
         </mn>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    2
   
          </mn> 
  
         </msup> 
  
         <mo>
          
   +
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   0.2
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>, while the solid density is 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    d
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    s
   
          </mi> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    y
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    2
   
          </mn> 
  
         </msup> 
  
         <mo>
          
   +
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   30
  
         </mn>
  
         <msup> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    2
   
          </mn> 
  
         </msup> 
  
         <mo>
          
   +
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   20
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>. The diffusion coefficient is defined as 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <mi>
          
   D
  
         </mi>
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   0.1
  
         </mn>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mn>
            
     3
    
           </mn>
    
           <msup> 
     
            <mi>
              y 
            </mi> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mo>
            
     +
    
           </mo>
   
          </mrow>
  
         </mrow>
  
         <mrow> 
   
          <mrow> 
    
           <mn>
            
     30
    
           </mn>
    
           <msup> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mo>
            
     +
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     20
    
           </mn>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math>, and the drift velocity is defined 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    U
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    d
   
          </mi> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    |
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mtext>
            
     cos
    
           </mtext>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
    
           <mtext>
            
     sin
    
           </mtext>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    |
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   +
  
         </mo>
  
         <mi>
          
   t
  
         </mi>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <msup> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mo>
            
     +
    
           </mo>
    
           <msup> 
     
            <mi>
              y 
            </mi> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mo>
            
     +
    
           </mo>
    
           <mn>
            
     1
    
           </mn>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math>. Additionally, we set 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    d
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    0
   
          </mn> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   100
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>, the initial condition as 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mi>
           
    i
   
          </mi> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   100
  
         </mn>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    |
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <mtext>
            
     sin
    
           </mtext>
    
           <mrow>
     
            <mo>
              ( 
            </mo> 
     
            <mrow> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mi>
               y 
             </mi> 
            </mrow> 
     
            <mo>
              ) 
            </mo>
    
           </mrow>
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    |
   
          </mo>
  
         </mrow>
 
        </mrow>

       </math>, and the boundary condition as 

       <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
         <msub> 
   
          <mi>
           
    u
   
          </mi> 
   
          <mn>
           
    1
   
          </mn> 
  
         </msub> 
  
         <mo>
          
   =
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   2
  
         </mn>
  
         <mtext>
          
   cos
  
         </mtext>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mtext>
          
   sin
  
         </mtext>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mi>
           
    x
   
          </mi> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mtext>
          
   exp
  
         </mtext>
  
         <mrow>
   
          <mo>
           
    (
   
          </mo> 
   
          <mrow> 
    
           <msup> 
     
            <mi>
              x 
            </mi> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msup> 
    
           <mo>
            
     +
    
           </mo>
    
           <msup> 
     
            <mi>
              y 
            </mi> 
     
            <mn>
              2 
            </mn> 
    
           </msup> 
   
          </mrow> 
   
          <mo>
           
    )
   
          </mo>
  
         </mrow>
  
         <mo>
          
   +
  
         </mo>
  
         <mn>
          
   1
  
         </mn>
 
        </mrow>

       </math>.According to these data we obtain <xref ref-type="fig" rid="fig1">
        Figure 1
       </xref> that represents the direct and adjoin states, and the topological derivative in the Domain.<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144297-"></xref><p class="imgGroupCss_v"><img class=" imgMarkCss lazy" data-original="https://html.scirp.org/file/2730388-rId454.jpeg?20250725040504" /></p>Figure 1. 2D pollution problem (Dirichlet condition) at initial step. After 35 iterations, the topological derivative is almost null everywhere in the perforated domain. Then we achieve the following optimal domain in <xref ref-type="fig" rid="fig2">
        Figure 2
       </xref>.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="" />
    </fig>
    <fig id="fig9" position="float">
     <label>Figure 9</label>
     <caption>
      <title>Figure 2. 2D pollution problem (Dirichlet condition) after 35 iterations.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2730388-rId455.jpeg?20250725040504" />
    </fig>
   </sec>
   <sec id="s3_3">
    <title>4.2. Numerical Results in Three Dimensions with Neumann Condition</title>
    <p>In 3-dimensional cases, we consider the initial domain 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mtext>
          Ω 
        </mtext> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           5 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. The simulations were performed under the following parameter values: the permeability is given by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         κ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         7 
       </mn> 
       <msup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
       <msup> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         4 
       </mn> 
       <msup> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, while the density is 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mn>
           100 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mn>
           7 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            z 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>. The diffusion coefficient is given as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.0003 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           7 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           3 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           4 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            z 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and the desired state is 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mtext>
         cos 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mtext>
         sin 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mtext>
         sin 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>. In addition, we set the initial condition as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mtext>
         cos 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mtext>
         sin 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         0.5 
       </mn> 
       <mtext>
         sin 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, and the homogen boundary condition as 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mo stretchy="false">
           ( 
         </mo> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo stretchy="false">
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
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       <mrow> 
        <mo>
          ( 
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        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           12 
         </mn> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           11 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            4 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <fig id="fig10" position="float">
     <label>Figure 10</label>
     <caption>
      <title>Figure 3. 3D pollution transportation at the first iteration.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2730388-rId472.jpeg?20250725040505" />
    </fig>
    <fig id="fig11" position="float">
     <label>Figure 11</label>
     <caption>
      <title>Figure 4. 3D pollution transportation after 25 iterations.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/2730388-rId473.jpeg?20250725040505" />
    </fig>
    <p>Based on these data, <xref ref-type="fig" rid="fig3">
      Figure 3
     </xref> shows the distributions of pollutant mass fraction and topological gradient in the perforated domain by inserting the spherical hole 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℬ 
      </mi> 
     </math> centered at the minimum of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi mathvariant="script">
          G 
        </mi> 
        <mi>
          τ 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>. We notice that creating a spherical hole, at the negative minimum of the topological derivative, decreases the objective function.</p>
    <p>Thus, after 25 iterations, the topological gradient is almost null throughout the perforated domain (see <xref ref-type="fig" rid="fig4">
      Figure 4
     </xref>). The gradient descent algorithm converges, achieving the optimal domain.</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s4">
   <title>5. Conclusions</title>
   <p>This study presents a generalized framework for modeling and optimizing pollutant transfer in porous media without imposing restrictive assumptions on density or other physical parameters. By leveraging an optimization-based approach, we demonstrated that pollutant dispersion can be effectively controlled while maintaining flexibility in the governing equations. The key contributions of this study is the successful application of our methodology to both two-dimensional and three-dimensional domains, showcasing its robustness and adaptability to real-world scenarios.</p>
   <p>Through three-dimensional simulations, we validated the effectiveness of the proposed approach in capturing the complex behavior of pollutant transfer in porous media. These simulations highlight how topological optimization techniques can identify optimal pollutant diffusion patterns and improve environmental management strategies. The numerical results confirm that our model can handle intricate spatial variations and provide valuable insights into the pollution control in heterogeneous porous structures.</p>
   <p>Future work will involve further optimization of the numerical scheme, to improve the computational efficiency and address large-scale 3D problems. In addition, we sought to integrate real data with our models to enhance their utility in real-world applications, such as industrial-waste processing, groundwater contamination and soil bioremediation scenarios. We will also combine field measurements with established experimental data to quantitatively test these theoretical predictions and to develop the best control strategies.</p>
   <p>Furthermore, future work will include cutting-edge numerical techniques, such as machine learning and data-driven optimization, which could improve the quality of the model to facilitate the control of pollutants in porous media and allow better strategies of environmental protection, detection, and exploitation of non-renewable energies.</p>
  </sec>
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