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Weak Convergence Methods for Nonlinear Partial Differential ...

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Proof. ”⇒”: clear by the preceding theorem.<br />

”⇐”: By linearity ϕ(x n ) → ϕ(x) ∀ϕ ∈ span A. For ψ ∈ X ′ , ε > 0, choose<br />

ϕ ∈ span A such that ‖ϕ − ψ‖ X ′ < ε. Then<br />

lim sup |ψ(x n ) − ψ(x)|<br />

n→∞<br />

≤ lim sup(|ψ(x n ) − ϕ(x n )| + |ϕ(x n ) − ϕ(x)| + |ϕ(x) − ψ(x)|)<br />

≤ ‖ψ − ϕ‖ X ′ ‖x<br />

} {{ } n ‖ X + ‖ψ − ϕ‖<br />

} {{ }<br />

X ′ ‖x‖<br />

} {{ } X<br />

≤ε bd.<br />

≤ε<br />

≤ Cε.<br />

The analogous statement <strong>for</strong> weak*-convergence is proved similarly.<br />

□<br />

2.2 <strong>Weak</strong> convergence in L p spaces<br />

We consider L p = L p (Ω), Ω ⊂ R n open, with Lebesgue-measure. Then<br />

∫ ∫<br />

1 ≤ p < ∞ : f k ⇀ f iff f k g → fg ∀g ∈ L q 1<br />

,<br />

Ω Ω<br />

p + 1 q = 1,<br />

∫ ∫<br />

p = ∞ : f ∗ k ⇀ f iff f k g → fg ∀g ∈ L 1 .<br />

Ω<br />

Notation: In the sequel we will sometimes just write “f k<br />

(∗)<br />

⇀ f” meaning “f k ⇀ f”<br />

<strong>for</strong> p < ∞ and “f k ∗ ⇀ f” <strong>for</strong> p = ∞.<br />

As span {χ A : A ⊂ Ω measurable} is dense in L q <strong>for</strong> all q ∈ [1, ∞], by Theorem<br />

(∗)<br />

2.8 we deduce that <strong>for</strong> a bounded sequence (f k ) we have f k ⇀ f iff<br />

∫ ∫<br />

f k → f ∀A ⊂ Ω measurable,<br />

A<br />

A<br />

i.e. if “local averages” of the f k converge.<br />

In fact, it will be sufficient to choose an even smaller class of test functions:<br />

the characteristic functions of hypercubes.<br />

Lemma 2.9 Let (f k ) ⊂ L p (Ω) be a bounded sequence. If 1 < p ≤ ∞, then<br />

(∗)<br />

f k ⇀ f iff ∫ ∫<br />

f k → f ∀A = (0, a) n + b ⊂ Ω, a, b ∈ R n .<br />

A<br />

A<br />

If p = 1, then f k ⇀ f iff (f k ) is equiintegrable and<br />

∫ ∫<br />

f k → f ∀A = (0, a) n + b ⊂ Ω, a, b ∈ R n .<br />

A<br />

A<br />

7<br />

Ω

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