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Weak Convergence Methods for Nonlinear Partial Differential ...

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Suppose (u (ν) ), u satisfy (H) and, in addition,<br />

Then<br />

lim inf<br />

ν→∞<br />

∫<br />

Ω<br />

(u (ν) ) − u ∈ ker(A) ∀ν.<br />

∫<br />

f(u (ν) (x))dx ≥<br />

Ω<br />

f(u(x)) ∀Ω ⊂ R n open.<br />

Proof. Approximate Ω by unions of hypercubes of side-length 1 k :<br />

• H k =<br />

⋃1≤i≤I ˙<br />

k<br />

D ki , D ki ⊂ Ω translates of (0, 1 k )n<br />

• |Ω\H k | → 0 k → ∞.<br />

If x ∈ H k , then set<br />

Then<br />

∫<br />

∫<br />

u k (x) = − u(y)dy <strong>for</strong> x ∈ D ki .<br />

D ki<br />

H k<br />

|u(x) − u k (x)|dx = ∑ i<br />

≤ ∑ i<br />

∫ ∫<br />

|u(x) − − u(y) dy| dx<br />

D ki D ki<br />

∫ ∫<br />

1<br />

|u(x) − u(y)| dy dx.<br />

D ki<br />

|D ki | D ki<br />

If u is uni<strong>for</strong>mly continuous, then this expression converges to zero as k → ∞.<br />

But also <strong>for</strong> general u ∈ L 1 (Ω) we have<br />

∫<br />

|u k | ≤ ∑ ∫ ∫<br />

|D ki |<br />

H k i<br />

∫D −1 |u(y)| dy = |u|,<br />

ki D ki H k<br />

So that u ↦→ u k is a contraction on L 1 (H k ). Let ε > 0. Then approximate u by<br />

a uni<strong>for</strong>mly continuous v such that ‖u − v‖ L 1 < ε. This implies<br />

‖u − u k ‖ L 1 ≤ ‖u − v‖ + ‖v − v k ‖ + ‖u k − v k ‖ ≤ ‖v − v k ‖ + 2‖u − v‖ ≤ 3ε<br />

<strong>for</strong> k large. So<br />

∫<br />

H k<br />

|u(x) − u k (x)|dx → 0 (2.4)<br />

as k → ∞.<br />

Note also that if f is continuous and bounded, then <strong>for</strong> given ε > 0 there<br />

exists a constant C = C(ε) such that f(y 1 ) −f(y 2 )| ≤<br />

ε +C|y 4|Ω| 1 −y 2 | holds true<br />

<strong>for</strong> all y 1 , y 2 ∈ R m . It follows that<br />

|f(u + (u<br />

∫H (ν) − u)) − f(u k + (u (ν) − u))| ≤ ε ∫<br />

k<br />

4 + C |u − u k | < ε (2.5)<br />

H k<br />

2<br />

25

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