Kapitel 2 Der Gaußsche Satz Partielle Differentialgleichung sind typischerweise auf beschränkten Gebieten des R d, d 1, zu lösen. Dabei sind die Eigenschaften dieser Gebiete von Bedeutung, insbesondere die Beschaffenheit ihres Randes. 2.1 Glattheit von Gebietsrändern Definition 2.1 Rand von der Klasse C k,α. Ein beschränktes Gebiet R d und sein Rand sind von der Klasse C k,α, 0 α 1, wenn für alle x 0 eine Kugel B(x 0, r) mit r > 0 und eine bijektive Abbildung ψ : B(x 0, r) D R d existiert mit 1) ψ (B(x 0, r) ) R d +, 2) ψ (B(x 0, r) ) R d +, 3) ψ C k,α (B(x 0, r)), ψ 1 C k,α (D), Hölder-stetig. Das heißt, ist der Graph einer Funktion von d 1 eränderlichen. Wir werden oft voraussetzen, dass zur Klasse C 0,1 gehört. Da dies bedeutet, dass die Abbildung Lipschitz 1 stetig ist, sagt man zu einem C 0,1 Rand auch Lipschitz Rand. Beispiel 2.2 Beispiele und Gegenbeispiele für Lipschitz Gebiete. Gebiete mit Lipschitz Rand sind zum Beispiel Kugeln oder polygonal/polyhedral berandete Gebiete, bei denen das Gebiet jeweils nur auf einer Seite des Randes liegt. Ein Gebiet, das nicht zur Klasse C 0,1 gehört ist ein Kreis mit einem Schlitz {(x, y) : x 2 + y 2 < 1} \ {(x, y) : x 0, y 0}. Falls beschränkt ist, ist kompakt (abgeschlossen und beschränkt). Es gibt also eine Überdeckung von mit endlich vielen Zylindern U 1,..., U m gemäß der Definition von Kompaktheit. In den folgenden Beweisen nehmen wir oft eine offene Menge U 0 hinzu, die \ (U 1... U m ) überdeckt. Die Überdeckung wird mit (U j ) bezeichnet. Zur Überdeckung (U j ) werden wir in Beweisen oft eine zugehörige Teilung (Zerlegung) der 1 wählen, also m + 1 Funktionen η j C 0 (U j), η j : U j [0, 1], mit m j0 η j 1 auf. 1 Rudolf Otto Sigismund Lipschitz (1832 1903) 18
2.2 Randintegrale Das Ziel dieses Abschnitts besteht in der Definition von f ds für (d 1) dimensionale Mannigfaltigkeiten R d. Dabei beschränken wir uns auf den Fall, dass lokal Graph einer Lipschitz Funktion ist. Für eine entsprechende Überdeckung von mit Zylindern U j, j 1,..., m, wählen wir eine zugehörige Teilung der 1, η j, und setzen f ds : j1 U j fη j ds. (2.1) Damit reicht es, die Terme auf der rechten Seite zu definieren, also Integrale über Graphen. Sei also im Folgenden U ein Zylinder U I mit R d 1 und I (a, b). Weiterhin sei g : I Lipschitz stetig. Als Graph von g bezeichnen wir : graph(g) : {(x, y) : x, y g(x)}. Wir werden folgendes Resultat ohne Beweis verwenden. Satz 2.3 Satz von Rademacher 2 Sei g C 0,1 ( ) mit der Lipschitz Norm g(x) g(y) g Lip : g C + sup. x,y x y 2 Dann ist g fast überall differenzierbar und es gilt g L g Lip. Beweis: Siehe zum Beispiel Evans, Abschnitt 5.8, Theorem 6. Definition 2.4 Randfunktion ist messbar beziehungsweise integrierbar. Wir nennen eine Funktion f : R messbar beziehungsweise integrierbar, wenn die erkettung x f(x, g(x)) messbar beziehungsweise integrierbar ist. Dann setzen wir f ds : f(x, g(x)) 1 + g(x) 2 2 dx. (2.2) Bemerkung 2.5 Zur Definition: - Der Satz von Rademacher, Satz 2.3, sichert, dass das Integral von (f g) 1 + g(x) 2 2 existiert. - Der Faktor 1 + g(x) 2 2 sorgt dafür, dass das Integral unabhängig ist von der Wahl von und g. Das kann mit der Transformationsformel zwischen (d 1) dimensionalen Integrationsgebieten und gezeigt werden, siehe unten. Die Graphenkonstruktion liefert schnell geeignete Definitionen und ist auch die im Satz von Gauß verwendete Konstruktion. Im allgemeinen ist es aber günstiger, die Integrale über allgemeine Parametrisierungen zu berechnen und nicht über Graphen. 2 Hans Rademacher (1892 1969) 19
Beispiel 2.6 Für die Kreislinie : B(0, R) R 2 und eine Funktion f : R soll f ds berechnet werden. Dabei soll nicht lokal als Graph geschrieben werden. Stattdessen wird mit Φ : : [0, 2π) R 2, Φ(t) (R cos(t), R sin(t)) (2.3) parametrisiert. Φ ist invertierbar als Abbildung Φ :. Das Ziel besteht darin, eine Formel der Gestalt 2π f ds f(φ(y))j(y) dy f(r cos(t), R sin(t))j(t) dt zu finden. Dafür muss der richtige Faktor J(t) bestimmt werden. Die Bestimmung des richtigen Faktors wird jetzt allgemein untersucht. Es genügt, die Situation lokal zu betrachten. Wir nehmen also an, dass wir als Graph schreiben können, graph(g), mit g : R Lipschitz stetig. Nun sei eine andere Parametrisierung Φ : R d, R d 1, Φ( ) gegeben. Wir fordern von Φ, dass Φ invertierbar ist auf und dass die Wechselabbildung ψ :, x Φ 1 G, G(x) (x, g(x)) Lipschitz stetig ist. Es soll nun gezeigt werden, dass das Integral von f über wie folgt berechnet werden kann f ds (f Φ) det(dφ T DΦ) d x, (2.4) wobei die Jacobi 3 Matrix mit D bezeichnet wird (DΦ) ij : Φ i x j, i, j 1,..., d. Wir verwenden den Transformationssatz in R d 1 für die Wechselabbildung ψ Φ 1 G (f Φ) det(dφ T DΦ) dx (f Φ ψ) det(dφ T DΦ) det(dψ) dx. Nun wird der Faktor im Integranden auf der rechten Seite umgeformt. Dabei werden det(a) det(a T ), det(ab) det(a) det(b) und die Kettenregel genutzt: det(dφ T DΦ) det(dψ) det(dφ T DΦ) det(dψ T Dψ) det(dψ T DΦ T DΦDψ) det(d(φ ψ) T D(Φ ψ)) det(dg T DG) 1 + g 2 2. Um den letzten Schritt zu verstehen, muss man sich die Struktur von DG T DG näher ansehen: (DG) ij δ ij + i g (DG T DG) ij δ ij + i g j g, 3 Carl Gustav Jacob Jacobi (1804 1851) 0 20
wobei δ ij das Kronecker 4 Symbol bezeichnet. Für Matrizen der Form I+aa T, wobei I die Einheitsmatrix der entsprechenden Dimension ist und a ein entsprechender ektor, gilt nun det(i + aa T ) 1 + a 2 2. Anwendung auf DGT DG liefert den letzten Schritt. Nun wird das Ergebnis in die Integraldarstellung eingesetzt und man erhält (f Φ) det(dφ T DΦ) d x (f G) 1 + g 2 2 dx, also Formel (2.2). Insbesondere ist damit gezeigt, dass die rechte Seite in (2.4) unabhängig vom Zylinder und der Parametrisierung Φ ist. Beispiel 2.7 Fortsetzung von Beispiel 2.6. Aus der Parametrisierung (2.3) der Kreislinie folgt DΦ(t) ( R sin(t), R cos(t)) T DΦ(t) T DΦ(t) R 2 R 1 1. Die Wurzel der Determinante ist R und man erhält 2π f ds f(r cos(t), R sin(t))r dt. 0 2.3 Der Satz von Gauß für glatte Integranden Satz 2.8 Seien R d beschränkt mit einem Lipschitz Rand und u, v C0(R 1 d ). Dann gelten für i 1,..., d und die äußere Einheitsnormale n an i u dx ue i n ds, (2.5) u i v + i uv dx uve i n ds, (2.6) wobei e i der kartesische Einheitsvektor in die i te Koordinatenrichtung ist. Beweis: Die Formel (2.6) der partiellen Integration folgt aus (2.5) durch Einsetzen von uv und Produktregel. Der Beweis von (2.5) erfolgt in drei Schritten. Schritt 1: Reduktion auf Graphen. Um (2.5) zu zeigen, lokalisieren wir zuerst u mit der Teilung der 1 (η j ) und schreiben u η j u. j0 Es reicht dann, (2.5) für Funktionen mit Träger in einem U j zu zeigen. Hat man nämlich das lokale Ergebnis i (uη j ) dx uη j e i n ds, (2.7) U j U j 4 Leopold Kronecker (1823 1891) 21
so erhält man durch Summation, Beachtung der Träger von η j, (2.7) und Produktregel ue i n ds (uη j )e i n ds uη j e i n ds U j j0 j0 ( i uη j + u i η j ) dx ( i uη j + u i η j ) dx j0 U j j0 m i u dx + u i η j dx i u dx. j0 }{{} 1 Schritt 2: Beweis für C 1 Graphen. Wir können also nun u mit Träger in U j betrachten. z U I n g(x) x Für U 0 verschwindet das Integral U 0 i u d x. (Übungsaufgabe) (Mit x werden jetzt die d dimensionalen Punkte bezeichnet.) Betrachte nun U U j, 1 j m. Wir haben U I R d mit R d 1, g : I und die Punkte von seien durch {(x, y) U : y < g(x)} gekennzeichnet. Wir nehmen an, dass g C 1 ( ). Die Tangentialebene im Punkt (x 1,..., x d 1 ) T hat die Gestalt x d g (x 1,..., x d 1 ), also gilt für den Einheitsnormalenvektor an (Nenner ist die Normierung) n(x, g(x)) ( g, 1)T. 1 + g 2 2 Da u seinen Träger in U hat, ist U u d x u d x. Transformiert man das Kurvenintegral über U in ein Integral über, Formel(2.2), U u( g, 1) T 1 + g 2 2 ds u(x, g(x))( g(x), 1) T dx, so muss man zum Beweis von (2.7) zeigen, dass u d x u(x, g(x))( g(x), 1) T dx (2.8) gilt Zu diesem Zweck betrachten wir eine neue Funktion v : R R v(x, z) : u(x, g(x) + z), x (x, z) T. 22
Integrale von u über entsprechen nun Integralen von v über : (, 0), siehe obige Festlegung der Punkte von. Wegen eindimensionaler partieller Integration und dem erschwinden der Randintegrale (kompakter Träger) gilt i v d x 0, 1 i d 1. Bei der partiellen Ableitung in Richtung e d verschwindet nur das Randintegral in und man erhält d v d x v(x, 0) dx. Wir betrachten zunächst den Fall i < d. Mittels Kettenregel, Transformationsformel der Integrale über u und v und nochmaliger eindimensionaler partieller Integration erhält man 0 i v d x i u d x + d u(x, g(x) ) i g(x) d x }{{} i u d x + i u d x + i u d x + ( 0 ) d v(x, z) dz i g(x) dx v(x, 0) i g(x) dx u(x, g(x)) i g(x) dx. Das ist (2.8) für i < d. Für i d gilt mit der Definition von v und der Festlegung der Punkte von u(x, g(x)) dx v(x, 0) dx d v d x d u d x. Schritt 3: Beweis für Lipschitz Graphen. Wir approximieren ein allgemeines g C 0,1 ( ) durch Funktionen aus C 1 ( ). Dazu wird p < fixiert. Die Approximationen können so gewählt werden, dass g k g in C( ) und g k g in L p ( ), Existenz siehe später im Satz 4.4. Für jede Funktion g k gilt das lokale Resultat (2.8) nach Schritt 2 u d x u(x, g k (x))( g k (x), 1) T dx k (lokal: u hat nur Träger in U). Für k konvergieren auf der linken Seite die Integrationsgebiete gleichmäßig und u ist beschränkt. Auf der rechten Seite konvergieren u(, g k ( )) u(, g( )) ebenfalls gleichmäßig und g k g in L p ( ). Damit können wir auf beiden Seiten zum Grenzwert übergehen und wir erhalten das lokale Ergebnis u d x u(x, g(x))( g(x), 1) T dx. Addition der lokalen Ergebnisse liefert nach Schritt 1 die Behauptung des Satzes. x 23