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    jamp
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    <journal-title>
     Journal of Applied Mathematics and Physics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2327-4352
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   <issn publication-format="print">
    2327-4379
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   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
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   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/jamp.2025.137137
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    jamp-144400
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     <subject>
      Articles
     </subject>
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    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
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   <title-group>
    Descent Topological Gradient Optimization Algorithm Applied to 1D and 2D Charged Photonic Crystals
   </title-group>
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    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
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      <surname>
       Mouhamadou Baïdy
      </surname>
      <given-names>
       Dia
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
     </xref>
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      <surname>
       Ibrahima
      </surname>
      <given-names>
       Sagno
      </given-names>
     </name> 
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      <sup>1</sup>
     </xref>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Malick
      </surname>
      <given-names>
       Fall
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff2"> 
      <sup>2</sup>
     </xref>
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      <surname>
       Lansana
      </surname>
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       Toure
      </given-names>
     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</sup>
     </xref>
    </contrib>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
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       Mouctar
      </surname>
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       Ndiaye
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     </name> 
     <xref ref-type="aff" rid="aff1"> 
      <sup>1</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>
     aDepartement de Mathematiques, Université Gamal Abdel Nasser de Conackry, Conackry, Guinea
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   <pub-date pub-type="epub">
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     04
    </day> 
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     07
    </month>
    <year>
     2025
    </year>
   </pub-date> 
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    13
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    07
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    2395
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    2417
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      28,
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      May
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      2025
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      26,
     </day>
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      May
     </month>
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      2025
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    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      26,
     </day>
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      July
     </month>
     <year>
      2025
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    <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>
    The aim of this research article is to apply topological optimization gradient algorithm applied to 1D and 2D photonic charged slabs. We compute the topological gradient using min max method. We use an iterative algorithm for descending the topological gradient and with steps as the radius of circular holes, implemented under FreeFEM with the finite elements’ method.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Photonic Crystals
    </kwd> 
    <kwd>
      Band Gap
    </kwd> 
    <kwd>
      Topological Optimization
    </kwd> 
    <kwd>
      Min-Max Principle
    </kwd> 
    <kwd>
      Electromagnetic
    </kwd> 
    <kwd>
      Elastic and Acoustic Waves
    </kwd> 
    <kwd>
      Topological Derivatives
    </kwd> 
    <kwd>
      Finite Elements
    </kwd> 
    <kwd>
      FreeFEM
    </kwd>
   </kwd-group>
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  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>The year 1987 marked the discovery of periodic structures capable of trapping, confining, and guiding electromagnetic waves. Professors E. Yablonovitch <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-1">
     [1]
    </xref> and S. John <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-2">
     [2]
    </xref>, through their respective works, independently concluded that in periodically structured media, there exist forbidden and allowed bands for electromagnetic waves. This breakthrough revolutionized technology has led to major innovations in optical fibers, compact discs, and telecommunications. This has led to a growing interest in photonic, which represents a major breakthrough in emerging technologies and information science <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-3">
     [3]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-6">
     [6]
    </xref>.</p>
   <p>Recent years have seen significant progress in the field of photonic crystal optimization, with a wide range of methodologies developed to tackle both structural and functional objectives. Among the most prominent approaches are level-set methods <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-7">
     [7]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-8">
     [8]
    </xref>, phase-field formulations <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-9">
     [9]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-10">
     [10]
    </xref>, and density-based techniques such as SIMP <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-11">
     [11]
    </xref>. These methods have proven effective in generating complex dielectric patterns that enhance photonic performance, including band gap formation and wave guiding.</p>
   <p>Despite these advances, most existing studies primarily focus on passive structures without accounting for the influence of external charges or electric field-induced phenomena. Furthermore, the role of boundary conditions Dirichlet vs. Neumann has rarely been explored in a comparative optimization framework.</p>
   <p>In this work, we propose a novel perspective by investigating the topological optimization of charged photonic crystals using topological derivatives within a Mumford-Shah-type variational framework. Our approach addresses both Dirichlet and Neumann boundary conditions systematically, offering new insight into their respective impacts on algorithmic convergence and structural formation. To the best of our knowledge, such a dual-boundary analysis in the context of charged photonic systems remains largely unexplored, and we believe it provides valuable guidance for the design of efficient photonic structures.</p>
   <p>Topological optimization provides an opportunity to obtain important information on the topology of the considered domain to optimize at least one criterion. Domain optimization is used today in many industrial environments, such as Airbus for the reduction of structures, the improvement of resistance to vibrations and many other areas of physics <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-12">
     [12]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-14">
     [14]
    </xref>. This gives us the idea of looking at the topological derivative, but this time using the recent work of <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-15">
     [15]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-17">
     [17]
    </xref>. Therefore, we study the topological derivative using the min-max method. for more information on this method the reader can consult the work of <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-18">
     [18]
    </xref>. For more practical cases the reader can also consult the paper by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-19">
     [19]
    </xref>, where the topological derivative of a functional linked to a linear thermoplastic problem was calculated. on the other hand in the paper by <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-17">
     [17]
    </xref> the author established a practical case of the topological derivative linked to Helmholtz problems. The main objective in this article is to determine the topological derivative of the functional 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        J 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        J 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, where the perturbed domain 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       Ω 
     </mi> 
    </math> is defined by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         T 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        Ω 
      </mi> 
      <mo>
        \ 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> depending on the derivative to be calculated but also to perform numerical simulations for both edge conditions.</p>
   <p>The work program was as follows. Section 2 describes the modelization of photonic slabs. The application of topological derivatives to photonic slabs is described in section 3. To do this, we first establish the topological derivative for a Dirichlet condition and then for a Neumann condition using the minmax method. Section 4 establishes the numerical simulations for both the above conditions and Section 5 provides a conclusion and some possible extensions.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>2. Model of Photonic Slabs</title>
   <p>The modeling of photonic crystals aims to describe the propagation of electromagnetic waves in a medium with a periodically varying dielectric constant. Maxell’s equations govern the behavior of these waves in such structured materials.</p>
   <sec id="s2_1">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>2.1. Maxwell’s Equations for an Anisotropic Medium</title>
    <p>Maxwell’s equations were derived for anisotropic media. The equation governing the electric field in domain 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </math> is given by:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           ϵ 
         </mi> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(1)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        E 
      </mi> 
     </math> is the electric field, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ρ 
      </mi> 
     </math> represents the charge density, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ϵ 
      </mi> 
     </math> denotes the permittivity of the medium.</p>
    <p>From Gauss’s theorem, we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∮ 
          </mo> 
          <mi>
            Σ 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∬ 
          </mo> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(2)</p>
    <p>Maxwell-Thompson’s law states that the flux of the magnetic field across a closed surface 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Σ 
        </mi> 
        <mi>
          f 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is always zero.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∬ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Σ 
            </mi> 
            <mi>
              f 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            B 
          </mi> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            S 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(3)</p>
    <p>Using the divergence theorem, this implies:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mtext>
         in 
       </mtext> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(4)</p>
    <p>Because the magnetic field 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        H 
      </mi> 
     </math> is related to the magnetic induction field 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        B 
      </mi> 
     </math> by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, Maxwell-Faraday’s equation takes the following form.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(5)</p>
    <p>Maxwell-Ampère’s equation is given by:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           j 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            J 
          </mi> 
          <mi>
            D 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(6)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        μ 
      </mi> 
     </math> is the magnetic permeability, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        j 
      </mi> 
     </math> represents the current density ( 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the electrical conductivity), and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          J 
        </mi> 
        <mi>
          D 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         ϵ 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> corresponds to the displacement current.</p>
    <p>Thus, we obtain the following system of Maxwell’s equations:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable columnalign="left"> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               ⋅ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mi>
                 E 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mi>
               ρ 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               ⋅ 
             </mo> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               × 
             </mo> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 H 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               × 
             </mo> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 j 
               </mi> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <mi>
                   E 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <mi>
                   t 
                 </mi> 
                </mrow> 
               </mfrac> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               . 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(7)</p>
   </sec>
   <sec id="s2_2">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>2.2. Propagation of Electromagnetic Waves in a Good Conductor</title>
    <p>In periodic structures such as photonic crystals, the medium is typically electrically neutral ( 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>) and has a periodic dielectric constant 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ϵ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are the permittivity of free space and the relative permittivity, respectively. The magnetic permeability is given by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the permeability of free space and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the relative permeability.</p>
    <p>For a good conductor, Maxwell’s equations simplify to:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mtable columnalign="left"> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               ⋅ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϵ 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
               <msub> 
                <mi>
                  ϵ 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
               <mi>
                 E 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               ⋅ 
             </mo> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               × 
             </mo> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 H 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
          <mtr columnalign="left"> 
           <mtd columnalign="left"> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mo>
               × 
             </mo> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
             <mo>
               = 
             </mo> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 j 
               </mi> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <mi>
                   E 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ∂ 
                 </mo> 
                 <mi>
                   t 
                 </mi> 
                </mrow> 
               </mfrac> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               . 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mtd> 
          </mtr> 
         </mtable> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(8)</p>
    <p>Using the identity:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msup> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(9)</p>
    <p>and substituting into the above equations, we derive the wave equation:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         ϵ 
       </mi> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
       </msub> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(10)</p>
    <p>Assuming a plane wave solution of the form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             ω 
           </mi> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        k 
      </mi> 
     </math> is the wave vector, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ω 
      </mi> 
     </math> is the angular frequency, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is the wave amplitude, we rewrite the equation as:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            ω 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(11)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            σ 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           ω 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> represents the speed of light.</p>
    <p>This equation describes the propagation of electromagnetic waves in a conducting photonic crystal, accounting for the dielectric and conductive properties of the material.</p>
   </sec>
   <sec id="s2_3">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>2.3. Propagation of Electromagnetic Waves in a Periodic Medium with Charge and Source</title>
    <p>In an inhomogeneous medium with a source, we have 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ϵ 
       </mi> 
       <mo>
         ≠ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, and the magnetic permeability 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        μ 
      </mi> 
     </math> satisfies 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>In this case, Maxwell’s equations become:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mtext>
             div 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ϵ 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                ϵ 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mtext>
             div 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              H 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             × 
           </mo> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mo>
             × 
           </mo> 
           <mi>
             H 
           </mi> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               j 
             </mi> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 E 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             . 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(12)</p>
    <p>Using the vector calculus identity</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(13)</p>
    <p>and combining it with (12), we obtain:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             H 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mo>
           × 
         </mo> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           μ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Simplifying, this leads to:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             j 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Finally, we obtain:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
        <mi>
          c 
        </mi> 
       </msub> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(14)</p>
    <p>By considering a plane harmonic wave solution of (14) in the form 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo> 
       </mo> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, we obtain:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <msup> 
        <mtext>
          e 
        </mtext> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           i 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(15)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         i 
       </mi> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            σ 
          </mi> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           w 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Remark 1 For the case of a monochromatic wave, we have: </p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mtext>
         Δ 
       </mtext> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         ρ 
       </mi> 
       <mi>
         cos 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             k 
           </mi> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             w 
           </mi> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(16)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            w 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            c 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <msub> 
        <mi>
          ϵ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> represents the dispersion relation of the crystal.</p>
   </sec>
  </sec><sec id="s3">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>3. Application of the Topological Derivative to Charged Photonic Slabs</title>
   <p>In this section, we focus on the study of photonic crystals using topological optimization methods. Topological optimization is a branch of shape optimization that seeks an optimal shape by changing the topology of the initial domain. This is a rapidly developing subject in several fields.</p>
   <p>Our research follows the studies of crystals using topological optimization methods by Ngom et al. (<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-20">
     [20]
    </xref>), where they minimized a least-squares type functional and compliance for photonic and phononic crystals, respectively. Thus, in our study, we considered a shape functional that combines the two functionals used in (<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-20">
     [20]
    </xref>).</p>
   <p>Let 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        Ω 
      </mi> 
      <mo>
        ⊂ 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> (or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
       <mn>
         3 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>) be an open bounded domain and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, a function of class 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi mathvariant="script">
         C 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>. We define the boundary operator of domain 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       Ω 
     </mi> 
    </math> as:</p>
   <p>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref> 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtable columnalign="left"> 
       <mtr columnalign="left"> 
        <mtd columnalign="left"> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            : 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
        <mtd columnalign="left"> 
         <mrow> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            → 
          </mo> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr columnalign="left"> 
        <mtd columnalign="left"> 
         <mrow></mrow> 
        </mtd> 
        <mtd columnalign="left"> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            → 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             { 
           </mo> 
           <mtable columnalign="left"> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
              </msub> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                or 
              </mtext> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ∂ 
                </mo> 
                <mi>
                  n 
                </mi> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </mrow> 
    </math>(17)</p>
   <p>and the partial differential equation:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mtext>
            Δ 
          </mtext> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <msub> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
            in 
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <msub> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
            on 
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            . 
          </mo> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(18)</p>
   <p>We then consider the functional 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       J 
     </mi> 
    </math> defined by:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        J 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        j 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(19)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the solution of (18), and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> are real numbers, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is a function in 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         L 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Consider 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and let 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> be a positive real number. We define 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        Ω 
      </mi> 
      <mo>
        \ 
      </mo> 
      <mover accent="true"> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           E 
         </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>
         E 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mo>
          ⊂ 
        </mo> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Let 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>, be the solution to the perturbed problem.</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mtable columnalign="left"> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <mtext>
            Δ 
          </mtext> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <msub> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
            in 
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <msub> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <msub> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
            on 
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
         </mtd> 
        </mtr> 
        <mtr> 
         <mtd> 
          <msub> 
           <mi>
             B 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               E 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mi>
               ε 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            = 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mtext>
            on 
          </mtext> 
          <mtext>
              
          </mtext> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             E 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
         </mtd> 
        </mtr> 
       </mtable> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(20)</p>
   <p>with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ϵ 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           w 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msup> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           w 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>, where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       n 
     </mi> 
    </math> is the refractive index of the periodic medium.</p>
   <p>We define the spaces 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mo>
          ˜ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> as follows:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mo>
          ∈ 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msup> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mi>
             ε 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
          on 
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(21)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mo>
          ˜ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mo>
          ∈ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           B 
         </mi> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
        </msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mo>
          = 
        </mo> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mtext>
          on 
        </mtext> 
        <mtext>
            
        </mtext> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           E 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(22)</p>
   <p>Consequently, we express the functional defined in (19) in the perturbed domain as:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        J 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        j 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  ε 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mstyle displaystyle="true"> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mo>
           ∫ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </mstyle> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(23)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         u 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the solution of (20) and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> are real constants.</p>
   <p>Thus, we determine the topological derivative 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> by seeking the asymptotic expansion of functional (19) in the case of Dirichlet or Neumann boundary conditions on the hole border.</p>
   <p>In each case, we determine 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> such that:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        j 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mi>
        j 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           u 
         </mi> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        f 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mi>
        g 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           x 
         </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> 
      <mo>
        . 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(24)</p>
   <p>Remark 2 The expression of the topological gradient does not depend on the condition imposed on the boundary of the domain 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       Ω 
     </mi> 
    </math>, but rather on the condition considered at the boundary of the hole. </p>
   <p>In the following theorem 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       N 
     </mi> 
    </math> denotes the dimension of the workspace, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       d 
     </mi> 
    </math> the dimension of a subset 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       E 
     </mi> 
    </math> of 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       r 
     </mi> 
    </math> is the radius of the ball, and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> is the volume of the unit ball in 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          N 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <sec id="s3_1">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>3.1. Dirichlet Condition around the Hole</title>
    <p>Let us associate with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, the perturbed domain 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         \ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, where by assumption, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         ∪ 
       </mo> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mo>
         ∩ 
       </mo> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∅ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="script">
          C 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>Let 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> be the solution for the following system:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mtext>
             Δ 
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             in 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(25)</p>
    <p>which can be extented to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </math> by intoducing the solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> of the problem</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
           Δ 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           and 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(26)</p>
    <p>We suppose that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> has two components 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>. 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is the component of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> for which 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> is part of its boundary. 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is the blind component of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> whose boundary has an empty intersection with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. The function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is distributed between the two components 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> as</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           and 
         </mtext> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
           Δ 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(27)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
           </msubsup> 
           <mo>
             ∩ 
           </mo> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Since 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is made up of two disjoint boundary 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∩ 
       </mo> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we can construct an extension to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </math> by defining the solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ← 
       </mo> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
           Δ 
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           and 
         </mtext> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msubsup> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mo>
           ∩ 
         </mo> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msubsup> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(28)</p>
    <p>For simplicity, we assumed that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is empty.</p>
    <p>In the following, we also consider the functional defined in 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>(29)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> be the solution to the following problem</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mtext>
             Δ 
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             in 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(30)</p>
    <p>Considering a shape function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        J 
      </mi> 
     </math> defined by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>(31)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> is solution to the variational problem</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(32)</p>
    <p>The shape functional associated the perforated domain is given by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         j 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            χ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math>(33)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mtext>
            Ω 
          </mtext> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is solution the variational problem</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(34)</p>
    <p>We aim to compute the topological derivative of the functional 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <munder> 
        <mrow> 
         <mi>
           lim 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           → 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
       </munder> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           J 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           J 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <msup> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             N 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>And for this purpose, we define the following set:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(35)</p>
    <p>Our variational formulation (25) consists of finding 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mtext>
            Ω 
          </mtext> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∀ 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <mi>
           H 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(36)</p>
    <p>By taking 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∀ 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(37)</p>
    <p>Thus, the Lagrangian dependent on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math> will be written in the form :</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ∇ 
                </mo> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         J 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <munder> 
        <mrow> 
         <mi>
           inf 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </munder> 
       <munder> 
        <mrow> 
         <mi>
           sup 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </munder> 
       <mi>
         L 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>From this, we can evaluate the derivative of the Lagrangian, dependent on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math>, with respect to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ϕ 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Subsequently, we obtained the variational formulation of the adjoint state equation given by 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         L 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>. Find 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                ϵ 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0. 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(38)</p>
    <p>And we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(39)</p>
    <p>Next, we derive the Lagrangian with respect to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        Φ 
      </mi> 
     </math>.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            Φ 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>The initial state 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is a solution of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          d 
        </mi> 
        <mi>
          Φ 
        </mi> 
       </msub> 
       <mi>
         L 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            Φ 
          </mi> 
          <mo>
            ′ 
          </mo> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mo>
        ∀ 
      </mo> 
     </math> 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          Φ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and in this case, we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            ⋅ 
          </mo> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
          </mfrac> 
          <msub> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            ρ 
          </mi> 
          <mi>
            cos 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                k 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <msup> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               c 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
          <msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
          </msub> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            ⋅ 
          </mo> 
          <msup> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             ′ 
           </mo> 
          </msup> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Then, we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The state 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> for all 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> satisfies</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          Φ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>In the following, we aim to determine the derivative of the Lagrangian, with respect to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math>. To achieve this, let us first compute the quotient</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mi>
          s 
        </mi> 
       </mfrac> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
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         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ∇ 
                </mo> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             β 
           </mi> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                Φ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mi>
                Φ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mi>
                cos 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    k 
                  </mi> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <mi>
                    w 
                  </mi> 
                  <mi>
                    t 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mi>
                Φ 
              </mi> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
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        <mtd> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             ϵ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>For 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ω 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            ℝ 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           ϵ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mo>
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             lim 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             → 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mrow> 
         </munder> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 B 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             M 
           </mi> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>By evaluating the last equation at the point 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we obtain:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Hence, if 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             L 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             L 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   w 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   c 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mi>
                 μ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mi>
                Φ 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           → 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Therefore, taking the ast result at the point 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> becomes:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>We now define 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> as</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            L 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           Ψ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mi>
         Ψ 
       </mi> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>By substituting 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         Ψ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math> into the adjoint equation for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we obtain:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mi>
                    r 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
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                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
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              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
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              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
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              <mi>
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              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
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                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
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                   u 
                 </mi> 
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                     Ω 
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                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
              </mfrac> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
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            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
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              ∫ 
            </mo> 
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             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mi>
                 s 
               </mi> 
              </mfrac> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mi>
                    r 
                  </mi> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mo>
                 + 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
             d 
           </mtext> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </mfrac> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ] 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
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         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
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            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
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          <mo>
            [ 
          </mo> 
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                ∫ 
              </mo> 
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               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
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                2 
              </mn> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
             </mrow> 
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              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
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                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
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                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   + 
                 </mo> 
                 <msub> 
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                    u 
                  </mi> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
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                  </mrow> 
                 </msub> 
                </mrow> 
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                  2 
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                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
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              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
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              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
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                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
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               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
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           <msub> 
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              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
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                Ω 
              </mi> 
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                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
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            <mrow> 
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               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
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                 ( 
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                     u 
                   </mi> 
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                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mi>
                       r 
                     </mi> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                  <mo>
                    + 
                  </mo> 
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                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
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                 </mrow> 
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                   2 
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               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
                  <mrow> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mn>
                      0 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                 </msub> 
                </mrow> 
                <mn>
                  2 
                </mn> 
               </mfrac> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
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            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
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                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
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              [ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mfrac> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    u 
                  </mi> 
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                    <mi>
                      Ω 
                    </mi> 
                    <mi>
                      r 
                    </mi> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                 </msub> 
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                   − 
                 </mo> 
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                      Ω 
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                      0 
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                  </mrow> 
                 </msub> 
                </mrow> 
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                  2 
                </mn> 
               </mfrac> 
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                ) 
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             </mrow> 
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               + 
             </mo> 
             <msub> 
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                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
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               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
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                u 
              </mi> 
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                0 
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              ] 
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              ( 
            </mo> 
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              <mi>
                u 
              </mi> 
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                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
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               − 
             </mo> 
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                u 
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                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
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             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
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            1 
          </mn> 
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            s 
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            [ 
          </mo> 
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              </mo> 
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                  Ω 
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                </mi> 
               </msub> 
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             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
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                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
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                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
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                   <mi>
                     Ω 
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                     0 
                   </mn> 
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                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
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                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
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               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
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                w 
              </mi> 
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                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
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              μ 
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              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
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              <mi>
                u 
              </mi> 
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                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
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         <mrow> 
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            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ( 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mfrac> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         u 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           Ω 
                         </mi> 
                         <mi>
                           r 
                         </mi> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                      <mo>
                        − 
                      </mo> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         u 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           Ω 
                         </mi> 
                         <mn>
                           0 
                         </mn> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                     <mrow> 
                      <msqrt> 
                       <mi>
                         s 
                       </mi> 
                      </msqrt> 
                     </mrow> 
                    </mfrac> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     ) 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mfrac> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       u 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         Ω 
                       </mi> 
                       <mi>
                         r 
                       </mi> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                    <mo>
                      − 
                    </mo> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       u 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         Ω 
                       </mi> 
                       <mn>
                         0 
                       </mn> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                   <mrow> 
                    <msqrt> 
                     <mi>
                       s 
                     </mi> 
                    </msqrt> 
                   </mrow> 
                  </mfrac> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Thus, for all 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, equation (38) becomes:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mfrac> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mi>
                cos 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    k 
                  </mi> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <mi>
                    w 
                  </mi> 
                  <mi>
                    t 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   w 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   c 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mi>
                 μ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             v 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   w 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   c 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mi>
                 μ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <msup> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∀ 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Now, considering the assumption about 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        E 
      </mi> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi mathvariant="script">
          C 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> and</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mi>
         n 
       </mi> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ⋅ 
       </mo> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mi>
         E 
       </mi> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mtext>
         on 
       </mtext> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>And in this case, we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mfrac> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mo>
                 ∇ 
               </mo> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
              </msub> 
              <mi>
                ρ 
              </mi> 
              <mi>
                cos 
              </mi> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   ( 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mi>
                    k 
                  </mi> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <mi>
                    w 
                  </mi> 
                  <mi>
                    t 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   ) 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   w 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <msup> 
                 <mi>
                   c 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <msub> 
               <mi>
                 μ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 ϵ 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mi>
                v 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              d 
            </mi> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <msup> 
             <mi>
               H 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mi>
                N 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
            </msup> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(40)</p>
    <p>Taking the difference between equation (38) and equation (40), we obtain</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             u 
           </mi> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               Ω 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </msub> 
          <mo>
            ⋅ 
          </mo> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            v 
          </mi> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <msup> 
           <mi>
             H 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              N 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The adjoint equation for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> yields:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0. 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(41)</p>
    <p>By taking 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> in equation (41), we have:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0. 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
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        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>The final equation for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> becomes:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ( 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mfrac> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         u 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           Ω 
                         </mi> 
                         <mi>
                           r 
                         </mi> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                      <mo>
                        − 
                      </mo> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         u 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           Ω 
                         </mi> 
                         <mn>
                           0 
                         </mn> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                     <mrow> 
                      <msqrt> 
                       <mi>
                         s 
                       </mi> 
                      </msqrt> 
                     </mrow> 
                    </mfrac> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     ) 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mfrac> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       u 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         Ω 
                       </mi> 
                       <mi>
                         r 
                       </mi> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                    <mo>
                      − 
                    </mo> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       u 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         Ω 
                       </mi> 
                       <mn>
                         0 
                       </mn> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                   <mrow> 
                    <msqrt> 
                     <mi>
                       s 
                     </mi> 
                    </msqrt> 
                   </mrow> 
                  </mfrac> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
                <mi>
                  m 
                </mi> 
               </msubsup> 
               <mo>
                 ∩ 
               </mo> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <msup> 
               <mi>
                 H 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>THEOREME Let 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>. The topological derivative exists if and only if the following limit is satisfied:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         l 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <munder> 
        <mrow> 
         <mtext>
           lim 
         </mtext> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           → 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
       </munder> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            l 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            l 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>exists with</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mfrac> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mi>
                       r 
                     </mi> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mrow> 
                  <msqrt> 
                   <mi>
                     s 
                   </mi> 
                  </msqrt> 
                 </mrow> 
                </mfrac> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <msqrt> 
                 <mi>
                   s 
                 </mi> 
                </msqrt> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>and</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            l 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
                <mi>
                  m 
                </mi> 
               </msubsup> 
               <mo>
                 ∩ 
               </mo> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <msup> 
               <mi>
                 H 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Moreover, the topological derivative of the function is given by the expression:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           J 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             lim 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             → 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mrow> 
         </munder> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           l 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are solutions of systems</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>In particular for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>,</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           J 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           l 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
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             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
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               ( 
             </mo> 
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                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
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               ) 
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            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
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              0 
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            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
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          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
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            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
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            1 
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          <mi>
            ϵ 
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          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
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          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
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         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
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            0 
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         </msub> 
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            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
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              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
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            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
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              w 
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          <mrow> 
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              c 
            </mi> 
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         </mfrac> 
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         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
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              0 
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         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
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     </math></p>
   </sec>
   <sec id="s3_2">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>3.2. Neumann Condition</title>
    <p>In this section, we consider the case of a Neumann condition, and the perturbed problem thus becomes:</p>
    <p>
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          <mtd> 
           <mi>
             Δ 
           </mi> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
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              <mi>
                Ω 
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                r 
              </mi> 
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              x 
            </mi> 
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              ) 
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             + 
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                c 
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              r 
            </mi> 
           </msub> 
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              ( 
            </mo> 
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              x 
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             = 
           </mo> 
           <mfrac> 
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              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             in 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <mi>
               n 
             </mi> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             . 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(42)</p>
    <p>First of all, the calculations were the same. The changes were simply in the spaces considered. The techniques for calculating the Lagrangian derivative with respect to the variables remain the same. For this, we do not need to go into all the details, as we did in the case of the Dirichlet condition. And we can be extended to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </math> by introducing the solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> of the problem</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           Δ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           and 
         </mtext> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msubsup> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(43)</p>
    <p>We suppose that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> has two components 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math>. 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is the component of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> for which 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math> is part of its boundary. 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is the blind component of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> whose boundary has an empty intersection with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>. The function 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is distributed between the two components 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> as</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           and 
         </mtext> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           Δ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(44)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <mi>
             Ω 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr> 
          <mtd> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             = 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mtext>
             on 
           </mtext> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msubsup> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mi>
              m 
            </mi> 
           </msubsup> 
           <mo>
             ∩ 
           </mo> 
           <mo>
             ∂ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              E 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>Since 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is made up of two disjoint boundary 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mi>
          m 
        </mi> 
       </msubsup> 
       <mo>
         ∩ 
       </mo> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we can construct an extension to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </math> by defining the solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <mi>
         ℝ 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           Δ 
         </mi> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           in 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <msubsup> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           and 
         </mtext> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msubsup> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mi>
            m 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mo>
           ∩ 
         </mo> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            E 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msubsup> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <msubsup> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(45)</p>
    <p>For simplicity, we assumed that 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msubsup> 
      </mrow> 
     </math> is empty. For this purpose, we define the following set:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(46)</p>
    <p>Our variational formulation (42) consists of finding 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              σ 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ∂ 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              σ 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∀ 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mover accent="true"> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
           <mo>
             ˜ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(47)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           ℋ 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> is define by</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mover accent="true"> 
         <mi>
           ℋ 
         </mi> 
         <mo>
           ˜ 
         </mo> 
        </mover> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msup> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
           on 
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           Ω 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>And we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           ∀ 
         </mo> 
         <mi>
           v 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mover accent="true"> 
           <mi>
             ℋ 
           </mi> 
           <mo>
             ˜ 
           </mo> 
          </mover> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(48)</p>
    <p>Thus, the Lagrangian dependent on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math> defined from 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℋ 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> to values in 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℝ 
      </mi> 
     </math> will be written in the form:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ∇ 
                </mo> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mrow> 
              <mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  ϕ 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mo>
                 | 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                n 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mi>
              v 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>The derivative of the Lagrangian, dependent on 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        r 
      </mi> 
     </math>, with respect to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ϕ 
      </mi> 
     </math> is given by:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msup> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ′ 
            </mo> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                ϕ 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mi>
              Φ 
            </mi> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>And the variational formulation of the adjoint state equation is given by: find 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <msubsup> 
        <mi>
          H 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msubsup> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> such that</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                ϵ 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mn>
           0. 
         </mn> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math>(49)</p>
    <p>And we have</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(50)</p>
    <p>The derive of the Lagrangian with respect to 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtext>
        Φ 
      </mtext> 
     </math> verifies:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>The state 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mtext>
            Ω 
          </mtext> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> for all 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         r 
       </mi> 
       <mo>
         ≥ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> satisfies</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mo>
               ∇ 
             </mo> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
            </msub> 
            <mi>
              ρ 
            </mi> 
            <mi>
              cos 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  k 
                </mi> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mi>
                  w 
                </mi> 
                <mi>
                  t 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               Φ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ∀ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          Φ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         ∈ 
       </mo> 
       <mi>
         H 
       </mi> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>For 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ω 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          E 
        </mi> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          { 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           ∈ 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            ℝ 
          </mi> 
          <mi>
            N 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           : 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ≤ 
         </mo> 
         <mi>
           ϵ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          } 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mover accent="true"> 
        <mi>
          B 
        </mi> 
        <mo>
          ¯ 
        </mo> 
       </mover> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             lim 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             s 
           </mi> 
           <mo>
             → 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mrow> 
         </munder> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               B 
             </mi> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  x 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
               <mo>
                 , 
               </mo> 
               <mi>
                 r 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              | 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 B 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    x 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                 <mo>
                   , 
                 </mo> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mi>
                    ϕ 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 ϕ 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <mi>
             ρ 
           </mi> 
           <mi>
             cos 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ( 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mi>
                 t 
               </mi> 
              </mrow> 
              <mo>
                ) 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             M 
           </mi> 
           <mi>
             ϕ 
           </mi> 
           <mtext>
               
           </mtext> 
           <mi>
             Φ 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mi>
           Φ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>By evaluating the last equation at the point 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mtext>
            Ω 
          </mtext> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, we obtain:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Hence, if 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, we have: Therefore, taking the ast result at the point 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> becomes:</p>
    <p>
     <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           L 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             , 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>We now define 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> as</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             d 
           </mi> 
           <mi>
             x 
           </mi> 
          </msub> 
          <mi>
            L 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mi>
           Ψ 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                u 
              </mi> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mi>
              s 
            </mi> 
           </mfrac> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mtext>
         d 
       </mtext> 
       <mi>
         Ψ 
       </mi> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>And the formulas of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         R 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> becomes:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           R 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mo>
                     ( 
                   </mo> 
                   <mrow> 
                    <mfrac> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         u 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           Ω 
                         </mi> 
                         <mi>
                           r 
                         </mi> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                      <mo>
                        − 
                      </mo> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         u 
                       </mi> 
                       <mrow> 
                        <msub> 
                         <mi>
                           Ω 
                         </mi> 
                         <mn>
                           0 
                         </mn> 
                        </msub> 
                       </mrow> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                     <mrow> 
                      <msqrt> 
                       <mi>
                         s 
                       </mi> 
                      </msqrt> 
                     </mrow> 
                    </mfrac> 
                   </mrow> 
                   <mo>
                     ) 
                   </mo> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mi>
                α 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mfrac> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       u 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         Ω 
                       </mi> 
                       <mi>
                         r 
                       </mi> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                    <mo>
                      − 
                    </mo> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       u 
                     </mi> 
                     <mrow> 
                      <msub> 
                       <mi>
                         Ω 
                       </mi> 
                       <mn>
                         0 
                       </mn> 
                      </msub> 
                     </mrow> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                   <mrow> 
                    <msqrt> 
                     <mi>
                       s 
                     </mi> 
                    </msqrt> 
                   </mrow> 
                  </mfrac> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
                <mi>
                  m 
                </mi> 
               </msubsup> 
               <mo>
                 ∩ 
               </mo> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mi>
                ω 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <msup> 
               <mi>
                 H 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>THEOREME Let 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <mi>
         N 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>, and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         s 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          α 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           N 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>. The topological derivative exists if and only if the following limit is satisfied:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         l 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <munder> 
        <mrow> 
         <mtext>
           lim 
         </mtext> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           → 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </mrow> 
       </munder> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            l 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            l 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>exists with</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          l 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          r 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mi>
            β 
          </mi> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mfrac> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mi>
                       r 
                     </mi> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                  <mo>
                    − 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mrow> 
                  <msqrt> 
                   <mi>
                     s 
                   </mi> 
                  </msqrt> 
                 </mrow> 
                </mfrac> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mi>
                     r 
                   </mi> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <msub> 
                 <mi>
                   u 
                 </mi> 
                 <mrow> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     Ω 
                   </mi> 
                   <mn>
                     0 
                   </mn> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <msqrt> 
                 <mi>
                   s 
                 </mi> 
                </msqrt> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
             </mrow> 
             <mo>
               | 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>and</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <msub> 
          <mi>
            l 
          </mi> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msubsup> 
                <mi>
                  Ω 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
                <mi>
                  m 
                </mi> 
               </msubsup> 
               <mo>
                 ∩ 
               </mo> 
               <mo>
                 ∂ 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  E 
                </mi> 
                <mi>
                  r 
                </mi> 
               </msub> 
              </mrow> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                ⋅ 
              </mo> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                d 
              </mi> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
              <msub> 
               <mi>
                 p 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
              <mtext>
                d 
              </mtext> 
              <msup> 
               <mi>
                 H 
               </mi> 
               <mrow> 
                <mi>
                  N 
                </mi> 
                <mo>
                  − 
                </mo> 
                <mn>
                  1 
                </mn> 
               </mrow> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            s 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <mstyle displaystyle="true"> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mo>
              ∫ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mi>
                   r 
                 </mi> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mstyle> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>Moreover, the topological derivative of the function is given by the expression:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           J 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <munder> 
          <mrow> 
           <mi>
             lim 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mi>
             r 
           </mi> 
           <mo>
             → 
           </mo> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </mrow> 
         </munder> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mi>
                r 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             J 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msup> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               N 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           l 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mo>
            [ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mstyle displaystyle="true"> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mo>
                ∫ 
              </mo> 
              <mi>
                E 
              </mi> 
             </msub> 
             <mrow> 
              <mi>
                β 
              </mi> 
              <msup> 
               <mrow> 
                <mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                 <mrow> 
                  <mo>
                    ∇ 
                  </mo> 
                  <msub> 
                   <mi>
                     u 
                   </mi> 
                   <mrow> 
                    <msub> 
                     <mi>
                       Ω 
                     </mi> 
                     <mn>
                       0 
                     </mn> 
                    </msub> 
                   </mrow> 
                  </msub> 
                 </mrow> 
                 <mo>
                   | 
                 </mo> 
                </mrow> 
               </mrow> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </mstyle> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mi>
             α 
           </mi> 
           <msup> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mrow> 
                 <msub> 
                  <mi>
                    Ω 
                  </mi> 
                  <mn>
                    0 
                  </mn> 
                 </msub> 
                </mrow> 
               </msub> 
               <mo>
                 − 
               </mo> 
               <msub> 
                <mi>
                  u 
                </mi> 
                <mn>
                  0 
                </mn> 
               </msub> 
              </mrow> 
              <mo>
                | 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             ⋅ 
           </mo> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
           <mtable> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
            <mtr> 
             <mtd> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
             </mtd> 
            </mtr> 
           </mtable> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                w 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                c 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              μ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              ϵ 
            </mi> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              u 
            </mi> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                Ω 
              </mi> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </msub> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              p 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ] 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mtext>
           d 
         </mtext> 
         <msup> 
          <mi>
            H 
          </mi> 
          <mi>
            d 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          p 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          u 
        </mi> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are solutions of systems</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mi>
            Ω 
          </mi> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mrow> 
           <mo>
             [ 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mrow> 
                <msub> 
                 <mi>
                   Ω 
                 </mi> 
                 <mn>
                   0 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 u 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 w 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <msup> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msup> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msub> 
             <mi>
               ϵ 
             </mi> 
             <mi>
               r 
             </mi> 
            </msub> 
            <msup> 
             <mi>
               ϕ 
             </mi> 
             <mo>
               ′ 
             </mo> 
            </msup> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               p 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
           </mrow> 
           <mo>
             ] 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mtext>
            d 
          </mtext> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0. 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math></p>
    <p>In particular for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         d 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>,</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mi>
           d 
         </mi> 
         <mi>
           J 
         </mi> 
         <mo>
           = 
         </mo> 
         <mi>
           l 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           β 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
         <msup> 
          <mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
           <mrow> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 Ω 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               u 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 x 
               </mi> 
               <mn>
                 0 
               </mn> 
              </msub> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mo>
             | 
           </mo> 
          </mrow> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           ⋅ 
         </mo> 
         <mo>
           ∇ 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mtd> 
       </mtr> 
       <mtr> 
        <mtd> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mtext>
             
         </mtext> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mo>
            ∇ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <mi>
           ρ 
         </mi> 
         <mi>
           cos 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mi>
               x 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               w 
             </mi> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              w 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              c 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mi>
            μ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ϵ 
          </mi> 
          <mi>
            r 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            u 
          </mi> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              Ω 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            p 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
         <mo>
           . 
         </mo> 
        </mtd> 
       </mtr> 
      </mtable> 
     </math></p>
   </sec>
  </sec><sec id="s4">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>4. Numerical Simulations</title>
   <p>In this section, we present the numerical results of the application of topological optimization to one-dimensional and two-dimensional photonic crystal problems. This method seems to be suitable for such kind models <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-21">
     [21]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-22">
     [22]
    </xref>. To achieve this, we used the topological gradient descent method to minimize the functional (19), with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        β 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>.</p>
   <p>Indeed, this is an optimization problem of functional J under the constraint that state u is the solution of the partial differential equation (18). The existence and uniqueness of this minimization problem are ensured by the ellipticity of the bilinear form associated with the problem that corresponds to the Helmholtz equation with a source term.</p>
   <p>Thus, we used the finite element method to solve the direct and adjoint states involved in the partial differential equation.</p>
   <p>We then developed a topological gradient descent algorithm to obtain the optimal shape using FreeFEM (<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-23">
     [23]
    </xref>).</p>
   <p>The simulations were made under these data the light celerity 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        c 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        3 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mn>
          10 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mn>
         8 
       </mn> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>; the pulsation 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        w 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        8 
      </mn> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <msup> 
       <mrow> 
        <mn>
          10 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          8 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math>, the magnetic permeability is assumed to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        μ 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>; and the time 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        T 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        50 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>. The charge distribution follows is supposed to be Gaussian and given by: 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          100 
        </mn> 
        <mo>
          ⋅ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                0.5 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                0.5 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> in 2D or 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ρ 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          z 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mtext>
        exp 
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mn>
          100 
        </mn> 
        <mo>
          ⋅ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                0.5 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                0.5 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <msup> 
           <mrow> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                z 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mn>
                0.5 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
           </mrow> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> in 3D.</p>
   <fig id="fig1" position="float">
    <label>Figure 1</label>
    <caption>
     <title>
      <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>4.1. Results in 1D Dimension Photonic Crystal with ChargeWe consider an initial domain 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <msub> 
   
         <mi>
          
    Ω
   
         </mi> 
   
         <mn>
          
    0
   
         </mn> 
  
        </msub> 
  
        <mo>
         
   =
  
        </mo>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    ]
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mo>
           
     −
    
          </mo>
    
          <mn>
           
     10
    
          </mn>
    
          <mo>
           
     ;
    
          </mo>
    
          <mn>
           
     10
    
          </mn>
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    [
   
         </mo>
  
        </mrow>
  
        <mo>
         
   ×
  
        </mo>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    ]
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mo>
           
     −
    
          </mo>
    
          <mn>
           
     10
    
          </mn>
    
          <mo>
           
     ;
    
          </mo>
    
          <mn>
           
     10
    
          </mn>
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    [
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>. Photonic crystal in one direction are characterized by a medium in which the permittivity varies periodically in one direction. In this section we assume that the permittivity function is periodic in the x direction with a period of 2.Its expression is 

      <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   ε
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     x
    
          </mi>
    
          <mo>
           
     ,
    
          </mo>
    
          <mi>
           
     y
    
          </mi>
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
  
        <mo>
         
   =
  
        </mo>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    {
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mtable columnalign="left"> 
     
           <mtr columnalign="left"> 
            <mtd columnalign="left"> 
             <mrow> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mtd> 
            <mtd columnalign="left"> 
             <mrow> 
              <mtext>
                si 
              </mtext> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                mod 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mo>
                &lt; 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
     
           <mtr columnalign="left"> 
            <mtd columnalign="left"> 
             <mrow> 
              <mn>
                18 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
             </mrow> 
            </mtd> 
            <mtd columnalign="left"> 
             <mrow> 
              <mtext>
                si 
              </mtext> 
              <mtext>
                  
              </mtext> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mi>
                mod 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
              <mo>
                ≥ 
              </mo> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
             </mrow> 
            </mtd> 
           </mtr> 
    
          </mtable>
   
         </mrow> 
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math> 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mo>
         
   ∀
  
        </mo>
  
        <mi>
         
   y
  
        </mi>
  
        <mo>
         
   ∈
  
        </mo>
  
        <mi>
         
   ℝ
  
        </mi>
 
       </mrow>

      </math> with 

      <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
  
        <mi>
         
   ε
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     x
    
          </mi>
    
          <mo>
           
     +
    
          </mo>
    
          <mn>
           
     2
    
          </mn>
    
          <mo>
           
     ,
    
          </mo>
    
          <mi>
           
     y
    
          </mi>
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
  
        <mo>
         
   =
  
        </mo>
  
        <mi>
         
   ε
  
        </mi>
  
        <mrow>
   
         <mo>
          
    (
   
         </mo> 
   
         <mrow> 
    
          <mi>
           
     x
    
          </mi>
    
          <mo>
           
     ,
    
          </mo>
    
          <mi>
           
     y
    
          </mi>
   
         </mrow> 
   
         <mo>
          
    )
   
         </mo>
  
        </mrow>
 
       </mrow>

      </math>.For this case, we have <xref ref-type="fig" rid="fig1">
       Figure 1
      </xref>, which shows the permittivity distribution in both two-dimensional and three-dimensiosnal views. We observed the periodicity of permittivity along the x-direction.<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref><p class="imgGroupCss_v"><img class=" imgMarkCss lazy" data-original="https://html.scirp.org/file/1724217-rId607.jpeg?20250729030609" /></p>Figure 1. (a) permittivity in 1 dimension view; (b) permittivity in 3 dimensions view.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId598.jpeg?20250729030609" />
   </fig>
   <p>Using finite elements in FreeFEM and the above data values, <xref ref-type="fig" rid="fig2">
     Figure 2
    </xref> represents the direct and adjoint states and the topological derivative with Dirichlet and Neumann conditions.</p>
   <fig id="fig2" position="float">
    <label>Figure 2</label>
    <caption>
     <title>Figure 2. (a) Direct state; (b) Adjoint state; (c) Dirichlet topological derivative; (d) Neumann topological gradient.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId608.jpeg?20250729030609" />
   </fig>
   <p>In <xref ref-type="fig" rid="fig2">
     Figure 2
    </xref>, we observe the distributions of the topological gradient for both Neumann and Dirichlet boundary conditions. These distributions provide insight into the location of the gradient minima by examining the values indicated on the color bar. Using the topological gradient descent algorithm, we identify the points in 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         Ω 
       </mi> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> where the gradient reaches a minimum and insert a hole at those locations in order to perturb the topology accordingly.</p>
   <p>1) Case of Dirichlet condition around the hole.</p>
   <p>Inserting circular holes 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        B 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mtext>
           * 
         </mtext> 
        </msup> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           ε 
         </mi> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> in the initial domain where the topological derivatives admits a minimum global at 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mtext>
         * 
       </mtext> 
      </msup> 
     </mrow> 
    </math> and iterate, we have</p>
   <fig id="fig3" position="float">
    <label>Figure 3</label>
    <caption>
     <title>Figure 3. (a) Dirichlet topological derivative; (b) After one iteration; (c) After 245 iterations; (d) After 246 iterations.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId615.jpeg?20250729030610" />
   </fig>
   <p>Graphs (a) and (b) in <xref ref-type="fig" rid="fig3">
     Figure 3
    </xref> illustrate the initial step of inserting a hole at the point where the topological gradient reaches its most negative value. Thus, for a Dirichlet boundary condition on the hole, we observe that after 246 iterations, the distribution of the topological gradient is zero everywhere. The descent algorithm converges, and the optimal topology of the domain is achieved, as shown in graph (d).</p>
   <p>2) Case of a Neumann condition around the hole.</p>
   <p>For the Neumann boundary condition, graphs (a) and (b) of <xref ref-type="fig" rid="fig4">
     Figure 4
    </xref> illustrate the creation of a hole at the location where the topological gradient is the most negative. This leads to a decrease in the gradient distribution, which progressively approaches zero throughout the domain 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       Ω 
     </mi> 
    </math>.</p>
   <fig id="fig4" position="float">
    <label>Figure 4</label>
    <caption>
     <title>Figure 4. (a) Neumann topological derivative after one iteration; (b) After two iterations; (c) After 443 iterations; (d) After 444 iterations. After 444 iterations, the algorithm converges. The topological gradient becomes nearly zero throughout the domain, indicating that the optimal shape minimizing the objective function has been reached.</title>
    </caption>
    <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId618.jpeg?20250729030609" />
   </fig>
   <sec id="s4_1">
    <title>
     <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>4.2. Results in 2D Dimension Photonic Crystal with Charge and Height Near to Zero</title>
    <p>Considering a initial domain 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          Ω 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ; 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         × 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           ; 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>.</p>
    <p>In this section we present a quasi two dimensional photonic crystal which is characterized by a periodic permittivity 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ε 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> in the x and y directions.</p>
    <p>Thus the permittivity is shown by <xref ref-type="fig" rid="fig5">
      Figure 5
     </xref></p>
    <fig id="fig5" position="float">
     <label>Figure 5</label>
     <caption>
      <title>Figure 5. (a) Permittivity periodicity in 2 dimension; (b) Permittivity in 3 dimension view.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId623.jpeg?20250729030610" />
    </fig>
    <p>With this characteristic in the charged photonic medium, we have:</p>
    <fig id="fig6" position="float">
     <label>Figure 6</label>
     <caption>
      <title>Figure 6. (a) Direct state; (b) Adjoint state; (c) Dirichlet topological derivative; (d) Neumann topological gradient.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId624.jpeg?20250729030610" />
    </fig>
    <p>For two-dimensional photonic crystals with charge sources and unit thickness, <xref ref-type="fig" rid="fig6">
      Figure 6
     </xref> shows the topological gradient plots under both Dirichlet and Neumann boundary conditions, as well as the corresponding direct and adjoint states. From these results, we observe that the location of the most negative values of the topological gradient indicates where the structure should be perturbed to improve the objective functional. The direct state reflects the wave propagation in the current structure, while the adjoint state captures the sensitivity of the objective to changes in the domain. The comparison between the two boundary conditions also highlights the influence of the choice of boundary model on the resulting optimized design.</p>
    <p>1) Case of Dirichlet condition around the hole. Inserting circular hole 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         B 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mtext>
            * 
          </mtext> 
         </msup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            ε 
          </mi> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> in the initial domain where the topological derivatives admits a minimum global at 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mtext>
          * 
        </mtext> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> and iterating we have the <xref ref-type="fig" rid="fig7">
      Figure 7
     </xref> which shows the variation of the gradient when perturbing the topology of the initial domain.</p>
    <fig id="fig7" position="float">
     <label>Figure 7</label>
     <caption>
      <title>Figure 7. (a) Dirichlet topological derivative after 1 iteration; (b) After 2 iteration; (c) After 88 iterations; (d) After 89 iterations.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId629.jpeg?20250729030610" />
    </fig>
    <p>
     <xref ref-type="fig" rid="fig7">
      Figure 7
     </xref> shows that insertion a hole in the minium of the Dirichlet gradient vanishes the gradient sited at neighborhood at this minimizer. Following the procedure of the algorithm, we see after 89 iterations or insertions of holes, the gradient vanishes everywhere at the domain. We have convergence and the topological optimal design in graph (d) of <xref ref-type="fig" rid="fig7">
      Figure 7
     </xref>.</p>
    <p>2) Case of a Neumann condition around the hole.</p>
    <p>For the Neumann boundary condition, after inserting one or two holes at the points where the topological derivative reaches its minimum, we observe that the gradient distribution approaches zero.</p>
    <p>
     <xref ref-type="fig" rid="fig8">
      Figure 8
     </xref> shows that after 1241 iterations we get the optimal design.</p>
    <fig id="fig8" position="float">
     <label>Figure 8</label>
     <caption>
      <title>Figure 8. (a) Neumann topological derivative after one iteration; (b) After two iterations; (c) After 1240 iterations; (d) After 1241 iterations.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724217-rId630.jpeg?20250729030610" />
    </fig>
   </sec>
  </sec><sec id="s5">
   <title>
    <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144400-"></xref>5. Conclusions</title>
   <p>The present work focuses on the topological optimization of one- and two-dimensional charged photonic crystal problems. We first derive the topological derivative for Dirichlet boundary conditions, followed by the case of Neumann boundary conditions. Numerical simulations are then performed and interpreted for both types of boundary conditions. The application of the topological derivative to charged photonic crystals appears to be well-suited, based on the convergence results obtained for both Dirichlet and Neumann cases.</p>
   <p>The results show that, for the same initial domain and simulation parameters, the descent-gradient topological algorithm converges more rapidly under Dirichlet conditions than under Neumann conditions.</p>
   <p>This observation provides a useful recommendation for choosing boundary conditions when aiming to efficiently design photonic crystals and save computational time.</p>
   <p>In future work, we aim to couple shape and topological derivatives in the context of photonic slabs. This combined algorithm will enable the search for an optimal topology without the need to add or remove material along the domain boundary.</p>
   <p>Finally, a comparative study between our proposed algorithm and one based on the coupling of shape and topological gradients would be essential to evaluate the practical relevance of these tools in mathematical and physical modeling.</p>
  </sec>
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