38 4 Das BipotentialBeweis. Man setzt voraus, dass es zwei Zerlegungen gibt: b 1 (·, ·) = b (·, ·) = ϕ 1 (·)+ϕ ∗ 1 (·)und b 2 (·, ·) = b (·, ·) + c = ϕ 2 (·) + ϕ ∗ 2 (·). Dann gilt:b 1l = b l , b 2l = b l − c, b 1r = b r , b 2r = b r − c. (4.13)Aus c1) und c2) des Lemma 4.3.4 folgt:ϕ ∗ 1 = b 1l + d 1 , ϕ 1 = b 1r + b 1 (0, 0) − d 1 , (4.14)ϕ ∗ 2 = b 2l + d 2 = b 1l − c + d 2 = ϕ ∗ 1 − c + d 2 − d 1 , (4.15)ϕ 2 = b 2r + b 2 (0, 0) − d 2 = b 1r − c + b 1 (0, 0) + c − d 2 = ϕ 1 − d 2 + d 1 . (4.16)Dann wären sowohl ϕ 1 und ϕ ∗ 1 , als auch ϕ 1 − (d 2 − d 1 ) und ϕ ∗ 1 − c + (d 2 − d 1 ) gültigeZerlegungen. Das ist e<strong>in</strong> Wi<strong>der</strong>spruch. Die Voraussetzung, dass es zwei Zerlegungen gibt,ist daher falsch.Sei nunb (x, y ∗ ) + c 1 = ϕ (x) + ϕ ∗ (y ∗ ) ≥ 〈y ∗ , x〉 mit c 1 > c 0 . (4.17)Es gilt auch:Dannb (x, y ∗ ) + c 0 ≥ 〈y ∗ , x〉. (4.18)b (x, y ∗ ) + c 0 = ϕ (x) + ϕ ∗ (y ∗ ) − c 1 + c 0 ≥ 〈y ∗ , x〉. (4.19)Laut Moreau ([45], Seite 46) ist diese letzte Beziehung falsch, und wir haben e<strong>in</strong>en Wi<strong>der</strong>sprucherhalten.Die Frage, ob e<strong>in</strong>e solche Konstante c immer existiert, kann leicht beantwortet werden:E<strong>in</strong> Bipotential, welches nicht global konvex ist, bleibt so auch nach <strong>der</strong> Addition e<strong>in</strong>erKonstanten; daher wird ke<strong>in</strong> Element <strong>der</strong> Familie zerlegbar se<strong>in</strong> (Beispiel b)). Die globaleKonvexität ist nicht h<strong>in</strong>reichend, wie es das Beispiel b (x, y) = x 2 + y 4 + c zeigt, und dieSymmetrie des Bipotentials ist es auch nicht: b (x, y) = x 2 + y 2 + c.Immerh<strong>in</strong> gibt Lemma 4.3.4 e<strong>in</strong>e Methode an, wie man das Funktional ϕ(·) aus e<strong>in</strong>emgegebenen Bipotential b(·, ·) erhalten kann und somit e<strong>in</strong>e Charakterisierung <strong>der</strong> zerlegbarenBipotentiale. Die e<strong>in</strong>zige Möglichkeit für das Funktional ϕ(·) ist, laut Lemma 4.3.4Punkt c2), b r (0, w) + c r . Analog muss ϕ ∗ (·) die Form b l (z ∗ , 0 ∗ ) + c l haben.Satz 4.3.6. Sei b (·, ·) e<strong>in</strong> allgeme<strong>in</strong>es Bipotential. Sei φ (w) = b r (0, w) + b (0, 0 ∗ ) undψ (z ∗ ) = b l (z ∗ , 0 ∗ ). Das Funktional b (·, ·) ist zerlegbar wenn und nur wenn:a) φ konvex ist,b) ψ konvex ist,c) φ ∗ ≡ ψ und
4.3 Charakterisierung <strong>der</strong> zerlegbaren Bipotentiale 39d) b ≡ φ + ψ.In diesem Fall ist dies die – bis auf e<strong>in</strong>e additive Konstante – e<strong>in</strong>zige Zerlegung von b(·, ·)als Summe aus e<strong>in</strong>em <strong>konvexen</strong> Funktional und dessen Konjugierten.Man kann auch e<strong>in</strong>e notwendige Bed<strong>in</strong>gung für die Zerlegbarkeit e<strong>in</strong>es Bipotentials erhalten.Satz 4.3.7. Sei b(·, ·) e<strong>in</strong> Bipotential. E<strong>in</strong>e notwendige Bed<strong>in</strong>gung für se<strong>in</strong>e Zerlegbarkeitist:b (x 1 , y1 ∗ ) + b (x 2, y2 ∗ ) = b (x 1, y2 ∗ ) + b (x 2, y1 ∗ ) ∀x 1, x 2 , y1 ∗ , y∗ 2 . (4.20)Beweis. Laut Satz 4.3.6 Unterpunkt d) gilt:b (x 1 , y ∗ 1) = b r (0, y ∗ 1) + b l (x 1 , 0 ∗ ) + b (0, 0 ∗ ) , (4.21)b (x 2 , y2 ∗ ) = b r (0, y2 ∗ ) + b l (x 2 , 0 ∗ ) + b (0, 0 ∗ ) , (4.22)b (x 1 , y2 ∗ ) = b r (0, y2 ∗ ) + b l (x 1 , 0 ∗ ) + b (0, 0 ∗ ) , (4.23)b (x 2 , y1) ∗ = b r (0, y1) ∗ + b l (x 2 , 0 ∗ ) + b (0, 0 ∗ ) . (4.24)Die Aussage ist nun offensichtlich.43210–2 –1.5 –1 –0.5 0 0.5210–1yxAbbildung 4.8: Geometrische Interpretation