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弱解なら必ず存在して一意に決まる|ラックス・ミルグラムの補題

リースの表現定理は、内積の形をした方程式を解く道具である。 をすべての でみたす が、ただ つ決まる。

同じことが、対称でない双線形形式でも言える。有界性と強圧性の つだけあればよい[1]。

ラックス・ミルグラムの補題である。微分方程式の弱解を作る土台になっている。

設定と主張

を実ヒルベルト空間、 を 上の双線形形式とする。次の つを仮定する[3]。

上の条件を有界性、下の条件を強圧性という。 と は正の定数である。

このとき、どの に対しても次をみたす がただ つ存在する[1]。

さらに大きさの評価もつく。 である。

対称なら内積そのもの

が対称で強圧的なら、 自身が の内積になる。有界性から、もとのノルムと同値なノルムを与える。

その場合はリースの表現定理で終わる。新しい定理は要らない。

対称でないときが本番である。回転のような成分が混ざっても、結論が変わらないところに意味がある[1]。

証明はリースの表現定理から

を固定すると は有界な線形汎関数になる。リースの表現定理で、これを内積に書きかえる[2]。

こうして作用素 が決まる。有界性から である。

強圧性を使うと下からの評価が出る。 を入れる。

両辺を で割って になる。単射であり、像が閉じていることも従う。

あとは像が稠密だと言えばよい。 が像と直交するなら で、強圧性から である。

双線形形式を作用素 A に書きかえる

強圧性から下からの評価を得る

単射で像が閉、しかも稠密

A は全単射で、逆作用素のノルムは 1/α 以下

方程式 は という形になる。 は をリースの定理で表した元である[2]。

例:2 次の行列で確かめる

とし、行列を つ用意する。

と定める。 は対称でないので、 も対称でない。

強圧性を確かめよう。歪対称な部分は に寄与しないので、対角の だけが残る。

である。有界性のほうは なので になる。

、 として解く。 なので逆行列が書ける。

評価も確かめる。 で、 以下に収まった。

例:ポアソン方程式の弱形式

区間 で 、両端で という問題を考える。

両辺に を掛けて部分積分する。境界項は で消える。

左辺を 、右辺を と見る。空間は をとる[1]。

有界性はコーシー・シュワルツの不等式から出る。強圧性にはポアンカレの不等式が要る[1]。

この不等式があるので、 が の同値なノルムになる。 がそのまま強圧性を与える。

例:解を具体的に出す

で解いてみる。 を積分すると である。

境界条件 から 、 になる。

最大値は での である。弱解として求めたものが、古典的な解と一致した。

例:移流が入ると対称でなくなる

を同じように弱形式にする。今度は項が つ増える。

第 項があるので である。リースの表現定理だけでは足りない。

強圧性は生き残る。 を入れると、第 項が境界の値だけで決まる。

両端で なので、この項は消える。 となり、強圧性がそのまま残った。

対称でない形の代表例である。ラックス・ミルグラムの補題が要る場面が、ここではっきりする。

一意性と評価の出し方

一意性は差をとれば出る。 と がどちらも解なら、すべての で である。

を入れる。強圧性から次のようになる。

ノルムが なので になる。大きさの評価も同じ手口である。

を入れると となり、 が出る。

この評価があるので、データが少し変わっても解は少ししか変わらないと言える。

の変化に対する解の変化が 倍でおさえられる。問題が安定しているという意味になる。

有限次元へ落とす

仮定はどれも部分空間へそのまま受け継がれる。有限次元の部分空間 をとろう[3]。

の上でも有界性と強圧性は保たれるので、離散化した問題も一意に解ける。基底を選べば連立 次方程式になる。

誤差の評価も出る。セアの補題である[3]。

近似解の誤差が、部分空間による最良近似の定数倍でおさえられる。有限要素法の理論的な支えになっている。

リースの表現定理

対称で正定値な形にだけ効く。内積そのものを扱う

ラックス・ミルグラムの補題

対称でなくてよい。移流や回転が混ざった形も扱える

境界条件がどこで効いているかを、移流の項でもう一度確かめておく。

と が両端で のとき、 の はどうなるか。

__RESULT__

第 項は で、両端が だから消える。残るのは第 項だけで、強圧性は に影響されない。 が残る形はどちらも、境界条件を使い忘れた場合になる。

答えを確かめる

強圧性を確かめるときは、まず歪対称な部分を切り離す。 には対称部分しか残らない。

の値は、対称部分の最小固有値から読める。有限次元ならそのまま計算できる。

得られた解は、大きさの評価 に入るかを見る。はみ出していれば計算違いである。

まちがえやすいところ

対称でない形にリースの表現定理を当てる。内積になっていない。
強圧性を だけで済ませる。 以上という一様な下からの評価が要る。
有界性を忘れる。作用素が定義できなくなる。
ポアンカレの不等式なしで強圧性を主張する。境界条件が効いている。
移流の項が強圧性をこわすと考える。境界で消えるので残る。
解の評価に を使う。分母に来るのは である。
離散化すると一意性が崩れると思う。部分空間でも仮定は保たれる。

有界性と強圧性。この つを確かめる作業に、弱解の存在と一意性がすべて押し込まれている。

出典

Lax–Milgram theorem - Wikipedia
Satz von Lax-Milgram - Wikipedia
Théorème de Lax-Milgram - Wikipédia
有界性と強圧性の 2 つがあれば、対称でない双線形形式でも $a(u, v) = f(v)$ の解がただ 1 つ決まります。リースの表現定理の非対称版。証明は $a(u, v) = \langle Au, v \rangle$ と書きかえ、$\|Au\| \geq \alpha \|u\|$ から全単射を導く筋になる。2 次の行列での計算、ポアソン方程式の弱形式とポアンカレの不等式、移流の項が入っても強圧性が残る理由、有限要素法を支えるセアの補題まで並べました。