Research Group of Prof. Dr. M. Griebel
Institute for Numerical Simulation
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Monotonie- und Eindeutigkeitsaussage

 

Sei tex2html_wrap_inline7781 ein beschränktes Gebiet mit tex2html_wrap_inline7839 -Rand, und sei b>0 eine reelle Konstante. In dem Gebiet

equation1747

betrachten wir die quasilineare Differentialgleichung

  equation1749

wobei f = f(x, z, p) stetig in der Variablen x, lokal Lipschitzstetig in z, p und monoton wachsend in tex2html_wrap_inline7801 für tex2html_wrap_inline8943 sei. Als Randbedingungen fordern wir

   eqnarray1753

Dann gilt

  SATZ2744

BEWEIS. Zu tex2html_wrap_inline8957 setze

equation2755

Wir zeigen, daß für zwei Lösungen tex2html_wrap_inline8959 und tex2html_wrap_inline8961 auf tex2html_wrap_inline8963 gilt:

  equation2760

Setzt man tex2html_wrap_inline8965 , so folgt daraus unmittelbar die strenge Monotonie. Ebenfalls folgt für zwei beliebige Lösungen aus Stetigkeitsgründen tex2html_wrap_inline8967 und wegen der Vertauschbarkeit von u und tex2html_wrap_inline8971 die Eindeutigkeit.

Nun zum Beweis von (3.7). Es gilt

equation2764

Für tex2html_wrap_inline8973 folgt tex2html_wrap_inline8975 , weil f nach Voraussetzung monoton wachsend in tex2html_wrap_inline7801 ist, insbesondere gilt auch tex2html_wrap_inline8981 . Für tex2html_wrap_inline8983 ist f(x,z,p) nach Voraussetzung lokal Lipschitzstetig in z und p. Da die beiden Funktionen tex2html_wrap_inline8971 und v tex2html_wrap_inline7839 -Funktionen auf einer kompakten Menge sind, sind die Argumente x, v(x) und tex2html_wrap_inline9001 kompakt und f dort global Lipschitzstetig. Die Lipschitzkonstante tex2html_wrap_inline9005 hängt dabei natürlich von v ab. Wegen tex2html_wrap_inline8981 folgt

equation2771

Setze

equation2777

Wir haben damit eine Funktion tex2html_wrap_inline9011 mit tex2html_wrap_inline9013 gefunden, so daß tex2html_wrap_inline9015 gilt. Damit erhalten wir die Differentialungleichung

equation2787

Diese linearisieren wir wie folgt:

eqnarray2790

Die Schreibweise der Differenzen als Integrale ist aus folgendem Grund möglich: Da f in den Variablen z und p lokal Lipschitzstetig ist, ist die Funktion tex2html_wrap_inline9023 aus tex2html_wrap_inline9025 . Gemäß Satz A5.5 aus [Alt], Seite 185 ist tex2html_wrap_inline9027 . Setze tex2html_wrap_inline9029 . G läßt sich durch tex2html_wrap_inline8107 -Funktionen bzgl. der tex2html_wrap_inline9035 -Norm approximieren, d.h. es gibt eine Funktionenfolge tex2html_wrap_inline9037 mit tex2html_wrap_inline9039 in tex2html_wrap_inline9035 ; automatisch gilt tex2html_wrap_inline9043 in tex2html_wrap_inline9045 . Damit folgt:

eqnarray2802

Die andere Umformung wird analog gerechtfertigt.

Setze

eqnarray2804

Falls tex2html_wrap_inline8189 eindimensional ist, d.h. n=2 gilt, hat U folgendes Aussehen:

  tex2html_wrap9157

Wegen tex2html_wrap_inline9053 erhalten wir in U die Differentialungleichung

equation2816

Für tex2html_wrap_inline9057 gilt aufgrund der Randbedingungen (3.3) und (3.4) tex2html_wrap_inline9059 oder tex2html_wrap_inline9061 . Daher folgt für hinreichend kleine tex2html_wrap_inline9063 aus Satz 3.5 tex2html_wrap_inline9065 auf tex2html_wrap_inline9067 . Nach Voraussetzung des Satzes gibt es zu tex2html_wrap_inline8961 ein tex2html_wrap_inline7789 , so daß tex2html_wrap_inline9073 ist. Daher folgt aus Satz 3.7 w>0 in tex2html_wrap_inline9067 .

Sei tex2html_wrap_inline9079 die größte Zahl, für die noch tex2html_wrap_inline9065 für alle tex2html_wrap_inline9083 gilt. Wie gerade erörtert gilt tex2html_wrap_inline9085 . Wir möchten tex2html_wrap_inline9087 zeigen.

Annahme: tex2html_wrap_inline9089 . Dann gibt es Folgen tex2html_wrap_inline9091 und tex2html_wrap_inline9093 mit tex2html_wrap_inline9095 . Die tex2html_wrap_inline9097 können so gewählt werden, daß w auf tex2html_wrap_inline9101 sein Minimum annimmt und somit tex2html_wrap_inline9103 gilt. Durch Übergang zu einer Teilfolge erreicht man, daß die tex2html_wrap_inline9097 gegen ein tex2html_wrap_inline9107 konvergieren. Aus Stetigkeitsgründen folgt tex2html_wrap_inline9109 . Wie oben gibt es zu tex2html_wrap_inline9079 ein tex2html_wrap_inline7789 , so daß tex2html_wrap_inline9115 ist. Aus Satz 3.7 folgt w>0 in tex2html_wrap_inline9119 , so daß tex2html_wrap_inline9121 nicht im Inneren tex2html_wrap_inline9123 liegen kann. Aus Satz 3.6 folgt tex2html_wrap_inline9125 , so daß tex2html_wrap_inline9121 aus dem Dirichletrand stammen muß. Es gilt also:

  equation2829

Fallunterscheidung:

  1. tex2html_wrap_inline9129 mit tex2html_wrap_inline9131 :

    Aus Satz 3.6 folgt tex2html_wrap_inline9133 , Widerspruch zu tex2html_wrap_inline9135 .

  2. tex2html_wrap_inline9137 mit tex2html_wrap_inline9131 :

    Aus Satz 3.6 folgt tex2html_wrap_inline9141 , Widerspruch zu tex2html_wrap_inline9135 .

  3. tex2html_wrap_inline9145 mit tex2html_wrap_inline9147 und tex2html_wrap_inline9149 :

    Aus Satz 3.8 folgt tex2html_wrap_inline9151 oder tex2html_wrap_inline9153 . Beides steht im Widerspruch zu (3.17).

Da alle drei Fälle zum Widerspruch führen, muß die Annahme falsch sein, und es folgt die Behauptung. tex2html_wrap_inline7963


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Marcel Arndt
Tue Mar 28 09:56:06 MSZ 2000