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Weak Convergence Methods for Nonlinear Partial Differential ...

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Using that ∂ xi u ε ζ = ∂ xi (u ε ζ) − u ε ∂ xi ζ and that ϕ ε k solves (3.28) and thus<br />

we arrive at<br />

∫ ∫<br />

f ζ ϕ ε k =<br />

Ω<br />

∫<br />

Ω i,j=1<br />

n∑ ( x<br />

a ij<br />

ε<br />

Ω i,j=1<br />

n∑ ( x<br />

a ij<br />

ε<br />

)<br />

∂ xi (u ε ζ) ∂ xj ϕ ε k dx = 0,<br />

) ∫<br />

∂ xi u ε ∂ xj ζ −<br />

Ω<br />

n∑ ( x<br />

)<br />

a ij u ε ∂ xi ζ ∂ xj ϕ ε k<br />

ε<br />

. (3.29)<br />

i,j=1<br />

Now by the definition of ϕ ε k and by uε ⇀ u in W 1.2 we have<br />

strongly in L 2 as ε → 0. Also,<br />

n∑ ( x<br />

)<br />

a ij ∂ xj ϕ ε<br />

ε<br />

k(x) =<br />

j=1<br />

ϕ ε k → x k and u ε → u<br />

n∑ ( x<br />

)( ( x<br />

))<br />

a ij δ kj + ∂ j χ k ⇀ ā ik<br />

ε<br />

ε<br />

j=1<br />

as the L 2 -weak limit of a highly oscillating sequence. Together with (3.26) we<br />

find by first sending ε to 0 in (3.29) and then using (3.27) with ϕ = x k ζ<br />

∫<br />

Ω j=1<br />

n∑<br />

∫<br />

ξ j x k ∂ xj ζ −<br />

Ω i=1<br />

n∑<br />

∫<br />

ā ik u ∂ xi ζ =<br />

∫<br />

=<br />

Ω<br />

∫<br />

f x k ζ =<br />

Ω j=1<br />

Ω<br />

ξ · ∇(x k ζ)<br />

n∑<br />

∫<br />

ξ j x k ∂ xj ζ +<br />

Ω j=1<br />

n∑<br />

ξ j ζ δ jk<br />

and so<br />

∫<br />

Ω<br />

n∑<br />

i=1<br />

∫<br />

ā ik ∂ xi u ζ = −<br />

Ω<br />

n∑<br />

∫<br />

ā ik u ∂ xi ζ<br />

i=1<br />

Ω<br />

ξ k ζ.<br />

Since ζ was arbitrary, this yields<br />

ξ k =<br />

n∑<br />

ā ik ∂ xi u.<br />

i=1<br />

But then again from (3.27) we obtain that <strong>for</strong> every ϕ ∈ W 1,2<br />

0 (Ω)<br />

∫ n∑<br />

∫ n∑<br />

∫<br />

ā ik ∂ xi u ∂ xk ϕ = ξ k ∂ xk ϕ = f ϕ.<br />

Ω<br />

i,k=1<br />

Ω<br />

k=1<br />

Ω<br />

This proves that u is indeed a weak solution of (3.25).<br />

□<br />

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