En matemáticas , la desigualdad de Gårding es un resultado que da un límite inferior para la forma bilineal inducida por un operador diferencial parcial elíptico lineal real . La desigualdad lleva el nombre de Lars Gårding .
Declaración de la desigualdad
Sea un espacio euclidiano indimensional , de dominio abierto y acotado y denotemos el espacio de Sobolev de funciones débilmente diferenciables con derivadas débiles en . Supongamos que satisface la propiedad de extensión, es decir, que existe un operador lineal acotado tal que para todos .![{\displaystyle \Omega}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle H^{k}(\Omega)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle k}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle u\colon \Omega \rightarrow \mathbb {R} }](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle L^{2}(\Omega)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \Omega}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle E\dos puntos H^{k}(\Omega )\rightarrow H^{k}(\mathbb {R} ^{n})}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle Eu\vert _{\Omega }=u}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle u\en H^{k}(\Omega)}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Sea L un operador diferencial parcial lineal de orden par 2k , escrito en forma de divergencia
![{\displaystyle (Lu)(x)=\sum _{0\leq |\alpha |,|\beta |\leq k}(-1)^{|\alpha |}\mathrm {D} ^{\alpha }\left(A_{\alpha \beta }(x)\mathrm {D} ^{\beta }u(x)\right),}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
y supongamos que L es uniformemente elíptica, es decir, existe una constante θ > 0 tal que
![{\displaystyle \sum _{|\alpha |,|\beta |=k}\xi ^{\alpha }A_{\alpha \beta }(x)\xi ^{\beta }>\theta |\xi | ^{2k}{\mbox{ para todos }}x\in \Omega ,\xi \in \mathbb {R} ^{n}\setminus \{0\}.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Finalmente, supongamos que los coeficientes A αβ son funciones acotadas y continuas sobre el cierre de Ω para | α | = | β | = k y eso
![{\displaystyle A_{\alpha \beta }\in L^{\infty }(\Omega ){\mbox{ para todos }}|\alpha |,|\beta |\leq k.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
Entonces se cumple la desigualdad de Gårding : existen constantes C > 0 y G ≥ 0
![{\displaystyle B[u,u]+G\|u\|_{L^{2}(\Omega )}^{2}\geq C\|u\|_{H^{k}(\Omega )}^{2}{\mbox{ para todos }}u\in H_{0}^{k}(\Omega ),}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
dónde
![{\displaystyle B[v,u]=\sum _{0\leq |\alpha |,|\beta |\leq k}\int _{\Omega }A_{\alpha \beta }(x)\mathrm { D} ^{\alpha }u(x)\mathrm {D} ^{\beta }v(x)\,\mathrm {d} x}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
es la forma bilineal asociada al operador L .
Aplicación: el operador de Laplace y el problema de Poisson
Ojo, en esta aplicación la Desigualdad de Garding parece inútil ya que el resultado final es una consecuencia directa de la Desigualdad de Poincaré, o Desigualdad de Friedrich. (Ver charla sobre el artículo).
Como ejemplo sencillo, considere el operador de Laplace Δ. Más específicamente, supongamos que se desea resolver, para f ∈ L 2 (Ω), la ecuación de Poisson
![{\displaystyle {\begin{casos}-\Delta u(x)=f(x),&x\in \Omega ;\\u(x)=0,&x\in \partial \Omega ;\end{casos} }}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
donde Ω es un dominio de Lipschitz acotado en R n . La forma débil correspondiente del problema es encontrar u en el espacio de Sobolev H 0 1 (Ω) tal que
![{\displaystyle B[u,v]=\langle f,v\rangle {\mbox{ para todos }}v\in H_{0}^{1}(\Omega),}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
dónde
![{\displaystyle B[u,v]=\int _{\Omega }\nabla u(x)\cdot \nabla v(x)\,\mathrm {d} x,}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
![{\displaystyle \langle f,v\rangle =\int _{\Omega }f(x)v(x)\,\mathrm {d} x.}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
El lema de Lax-Milgram asegura que si la forma bilineal B es continua y elíptica con respecto a la norma en H 0 1 (Ω), entonces, para cada f ∈ L 2 (Ω), debe existir una solución única u en H 0 1 (Ω). Las hipótesis de la desigualdad de Gårding son fáciles de verificar para el operador de Laplace Δ, por lo que existen constantes C y G ≥ 0
![{\displaystyle B[u,u]\geq C\|u\|_{H^{1}(\Omega )}^{2}-G\|u\|_{L^{2}(\Omega )}^{2}{\mbox{ para todos }}u\in H_{0}^{1}(\Omega ).}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
La aplicación de la desigualdad de Poincaré permite combinar los dos términos del lado derecho, produciendo una nueva constante K > 0 con
![{\displaystyle B[u,u]\geq K\|u\|_{H^{1}(\Omega )}^{2}{\mbox{ para todos }}u\in H_{0}^{ 1}(\Omega),}](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)
que es precisamente la afirmación de que B es elíptica. La continuidad de B es aún más fácil de ver: basta con aplicar la desigualdad de Cauchy-Schwarz y el hecho de que la norma de Sobolev está controlada por la norma L 2 del gradiente.
Referencias
- Renardy, Michael; Rogers, Robert C. (2004). Una introducción a las ecuaciones diferenciales parciales . Textos de Matemática Aplicada 13 (Segunda ed.). Nueva York: Springer-Verlag. pag. 356.ISBN 0-387-00444-0.(Teorema 9.17)