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Weak Convergence Methods for Nonlinear Partial Differential ...

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Proof. Clearly (i) =⇒ (ii), so we only prove (ii). ”⇒”: Suppose<br />

lim inf<br />

n→∞ F(u n) ≥ F(u) ∀(u n ) s.t. u n ∗ ⇀ u.<br />

In particular, <strong>for</strong> a, b ∈ R m , λ ∈ [0, 1], let f : [0, 1] n → R<br />

{<br />

a, x 1 ≤ λ,<br />

u(x) =<br />

b, x 1 > λ,<br />

extended to R n by periodicity and define u k (x) = u(kx)χ Ω (x).<br />

As u k ∗ ⇀ u = ∫ [0,1] n u = λa + (1 − λ)b in L ∞ (R n ), also u| Ω ∗ ⇀ u in L ∞ (Ω).<br />

Similarly, f(u n ) ⇀ ∗ λf(a) + (1 − λ)f(b) and consequently<br />

∫ ∫<br />

F(u n ) = f(u n ) n→∞<br />

→ λf(a) + (1 − λ)f(b) = |Ω|[λf(a) + (1 − λ)f(b)].<br />

But<br />

Ω<br />

Ω<br />

∫<br />

F(u) =<br />

f(u) = |Ω|f(λa + (1 − λ)b),<br />

and so f is convex.<br />

”⇐:” As f is convex there are affine functions l 1 , l 2 , ... such that f = sup i l i .<br />

For fixed n let<br />

E j := {x ∈ R m : l j (x) > l i (x) <strong>for</strong> 1 ≤ i < j and l j (x) ≥ l i (x) <strong>for</strong> j < i ≤ n} ,<br />

so that E 1 ˙∪ · · · ˙∪E n = R m and max 1≤i≤n l i (x) = l j (x) on E j . Suppose u ∗ k ⇀ u.<br />

Then also χ A u ∗ k ⇀ χ A u <strong>for</strong> all measurable A. But then<br />

∫<br />

lim inf F(u k) = lim inf f(u k )<br />

k→∞<br />

k→∞<br />

Ω<br />

n∑<br />

∫<br />

≥ lim inf l j (u k )<br />

k→∞<br />

If l j (x) = a j x + b j , this reads<br />

n∑<br />

∫<br />

lim inf F(u k ) ≥ lim inf<br />

=<br />

=<br />

∫<br />

=<br />

j=1<br />

n∑<br />

∫<br />

j=1<br />

n∑<br />

∫<br />

j=1<br />

Ω<br />

u −1 (E j )<br />

u −1 (E j )<br />

max l i(u).<br />

1≤i≤n<br />

10<br />

j=1<br />

u −1 (E j )<br />

a j χ u −1 (E j )u k + χ u −1 (E j )b j<br />

l j (u)<br />

max l i(u)<br />

1≤i≤n

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