Twierdzenie Laxa-Milgrama
Twierdzenie Laxa-Milgrama, sformułowane przez Peter Laxa i Arthura Milgrama w 1954 roku, stanowi istotny element analizy funkcjonalnej. To fundamentalne twierdzenie, które rozszerza twierdzenie Riesza o reprezentacji funkcjonału na przestrzeni Hilberta, znalazło szerokie zastosowanie w teorii równań różniczkowych cząstkowych. Dzięki niemu możliwe stało się ustalenie warunków, które zapewniają istnienie i jednoznaczność słabych rozwiązań eliptycznych równań różniczkowych cząstkowych w kontekście różnych zagadnień brzegowych.
Definicje i założenia
Rozważmy przestrzeń Hilberta oznaczoną jako H, która jest zdefiniowana nad ciałem liczb zespolonych lub rzeczywistych z odpowiednim iloczynem skalarnym. Przestrzeń ta posiada normę indukowaną przez ten iloczyn. Dodatkowo, definiujemy funkcjonał B jako półtoraliniowy (dwuliniowy) na przestrzeni H, który spełnia określone warunki ograniczoności oraz koercywności. Oznacza to, że dla pewnych dodatnich skalarów b oraz c oraz dowolnych wektorów u i v z przestrzeni H, zachodzą nierówności:
- Ograniczoność: |B(u,v)| ≤ c ‖u‖ ‖v‖
- Koercywność: |B(u,u)| ≥ b ‖u‖²
W przypadku spełnienia powyższych warunków, każde ograniczone funkcjonał liniowy φ może być przedstawione w postaci φ(u) = B(u,v), gdzie v jest jednoznacznie wyznaczonym elementem przestrzeni H.
Dowód twierdzenia
Dla udowodnienia twierdzenia wykorzystuje się właściwości ograniczoności oraz eliptyczności funkcjonału B. Z tych własności wynika, że B(u, ⋅) jest ograniczonym funkcjonałem liniowym. Zastosowanie twierdzenia Riesza umożliwia zapisanie tego funkcjonału w postaci B(u,v) = ⟨u,w⟩ dla pewnego w ∈ H. Element ten jest jednoznacznie wyznaczony przez v, co potwierdza liniowość tej zależności.
W celu wykazania domkniętości zbioru elementów w powyższym równaniu stosuje się fakt, że przy założeniu u = v uzyskuje się pewne oszacowanie związane z eliptycznością oraz nierównością Schwarz’a. Przyjmując ciągi {wn} oraz {vn}, można wykazać ich zbieżność oraz spełnienie warunków Cauchy’ego, co prowadzi do udowodnienia istnienia limitu v.
Ostatecznie dowód kończy się stwierdzeniem, że wszystkie funkcjonały φ mogą być przedstawione w formie ⟨u,w⟩, co potwierdza tezę twierdzenia Laxa-Milgrama.
Uogólnienia i zastosowania
W 1971 roku Ivo Babuška zaproponował uogólnienie twierdzenia Laxa-Milgrama, rezygnując z konieczności określenia funkcjonału dwuliniowego na tej samej przestrzeni. Jego wyniki odnoszą się do dwóch rzeczywistych przestrzeni Hilberta U oraz V oraz ciągłego przekształcenia dwuliniowego B: U × V → R. Wprowadza on również pojęcie słabej koercywności, co prowadzi do istnienia jednoznacznego rozwiązania weak formulation.
Kolejne uogólnienie zostało opracowane przez Jacques’a-Louisa Lionsa. W tym przypadku mowa jest o równoważności warunków słabej koercywności oraz słabej odwracalności dla ciągłych funkcjonałów liniowych φ ∈ V*.
Zastosowania w teorii r
Artykuł sporządzony na podstawie: Wikipedia (PL).