Einführung in die Mehrdimensionale Variationsrechnung (Vorlesungsskript)

Ähnliche Dokumente
12 Der Gaußsche Integralsatz

Finite Elemente Methode für elliptische Differentialgleichungen

4 Fehlerabschätzungen und Konvergenz der FEM

4 Fehlerabschätzungen und Konvergenz der FEM

Merkblatt zur Funktionalanalysis

Übungsaufgaben zu Partielle Differentialgleichungen Blatt III vom

ist ein n-dimensionaler, reeller Vektorraum (vgl. Lineare Algebra). Wir definieren auf diesem VR ein Skalarprodukt durch i y i i=1

Lebesgue-Integral und L p -Räume

Optimale Steuerung, Prof.Dr. L. Blank 1. II Linear-quadratische elliptische Steuerungsprobleme

(c) (a) X ist abgeschlossen. X = A,wobeiderDurchschnittüberalleabgeschlossenenMengengebildet wird, die X enthalten. (d) (e)

10 Der Integralsatz von Gauß

4 Messbare Funktionen

ist reelles lineares Funktional. x(t) ϕ(t) dt ist reelles lineares Funktional für alle ϕ L 2 (0, 1).

3. Mai Zusammenfassung. g x. x i (x).

Finite Elemente I 2. 1 Variationstheorie

5 Der Gaußsche und Stokes sche Integralsatz

2.6 Der Satz von Fubini

Mathematische Grundlagen für die Vorlesung. Differentialgeometrie

Das heißt, Γ ist der Graph einer Funktion von d 1 Veränderlichen.

DIFFERENTIATION PARAMETERABHÄNGIGER INTEGRALE

8 1. GEOMETRIE DIFFERENZIERBARER MANNIGFALTIGKEITEN

Der Begriff der konvexen Menge ist bereits aus Definition 1.4, Teil I, bekannt.

8 Beispiele von Koordinatentransformationen

Lösung zu den Übungsaufgaben zur Lebesgueschen Integrationstheorie. Tobias Ried

Universität Ulm Abgabe: Mittwoch,

Differentialgleichungen und Hilberträume Sommersemester 2014 Übungsblatt 11

Zusammenfassung Analysis 2

Klausur zur Mathematik für Maschinentechniker

Analyis I -Metrische Räume - eine Einführung in die Topologie

Analysis II (FS 2015): ZUSAMMENHÄNGENDE METRISCHE RÄUME

Optimierung unter Nebenbedingungen

d x 2 = 1 y ' x 2 d x 2

Thema14 Der Satz über inverse Funktionen und der Satz über implizite Funktionen

Lagrange-Formalismus

7 Der Gaußsche Integralsatz

Klausur Analysis II

Zusammenfassung der Lebesgue-Integrationstheorie

Partielle Differentialgleichungen Kapitel 11

Stetige Funktionen. Definition. Seien (X, d) und (Y, D) metrische Räume und f : X Y eine Abbildung. i) f heißt stetig in x 0 (x 0 D(f)), wenn

Von Skalarprodukten induzierte Normen

3 Vektorräume abstrakt

Kapitel 3. Konvergenz von Folgen und Reihen

4 Absolutstetige Verteilungen und Zufallsvariablen 215/1

Integralsatz von Gauss und Greensche Formeln

Parametrisierung und Integralsätze

Schwache Lösungstheorie

12 Gewöhnliche Differentialgleichungen

$Id: hilbert.tex,v /06/21 13:11:01 hk Exp hk $

Ferienkurs in Maß- und Integrationstheorie

Elemente der Analysis II

26. Der Gaußsche Integralsatz

5 Stetigkeit und Differenzierbarkeit

2 Koordinatentransformationen

Ausgewählte Lösungen zu den Übungsblättern 4-5

Totale Ableitung und Jacobi-Matrix

Folgerungen aus dem Auflösungsatz

39 Differenzierbare Funktionen und Kettenregel

Elemente der mengentheoretischen Topologie

Implizite Funktionen, der Umkehrsatz und Extrema unter Nebenbedingungen

2. Dezember Lineare Algebra II. Christian Ebert & Fritz Hamm. Skalarprodukt, Norm, Metrik. Matrizen. Lineare Abbildungen

Der n-dimensionale Raum

3 Lineare Differentialgleichungen

cos(kx) sin(nx)dx =?

Mathematik für Naturwissenschaftler I WS 2009/2010

(Gaußscher Integralsatz)

Analysis I. Guofang Wang Universität Freiburg

Lösungen zu den Hausaufgaben zur Analysis II

Konvergenz im quadratischen Mittel und die Parsevelsche Gleichung

30 Metriken und Normen

9 Metrische und normierte Räume

1 Euklidische und unitäre Vektorräume

Definition Eine Metrik d auf der Menge X ist eine Abbildung d : X X IR

18 Höhere Ableitungen und Taylorformel

9. Übung zur Maß- und Integrationstheorie, Lösungsskizze Aufgaben

16 Vektorfelder und 1-Formen

d(x, z) = z x = y x + z y y x + z y = d(x, y) + d(y, z). d(x, y) = 0, falls x = y.

Mathematik III. Vorlesung 74. Folgerungen aus dem Satz von Fubini. (( 1 3 x3 1 2 x2 y +2y 3 x) 1 2)dy. ( y +2y y +4y3 )dy

Analysis II. Vorlesung 44. Partielle Ableitungen

Lösungen der Übungsaufgaben von Kapitel 3

I Grundbegriffe 1 1 Wahrscheinlichkeitsräume Bedingte Wahrscheinlichkeiten und Unabhängigkeit Reellwertige Zufallsvariablen...

Lösungsvorschlag Klausur MA9802

Klausurenkurs zum Staatsexamen (WS 2016/17): Differential und Integralrechnung 8

9. Übung zur Linearen Algebra II -

Differentialformen. Lie-Ableitung von Differentialformen und Poincaré-Formel. Differentialform dp dx und ihre Invarianz bzgl. Hamiltonischer Flüsse.

- 1 - zum Extremum macht, wenn y(x) eine bestimmte, genau charakterisierte Funktionenklasse ( n

6. Die dreidimensionale Wellengleichung

Serie 4. Analysis D-BAUG Dr. Cornelia Busch FS 2015

4 Funktionenfolgen und normierte Räume

SS 2016 Höhere Mathematik für s Studium der Physik 21. Juli Probeklausur. Die Antworten zu den jeweiligen Fragen sind in blauer Farbe notiert.

2. Integration. {x : f(x) <a+ 1 n }

Wenn man den Kreis mit Radius 1 um (0, 0) beschreiben möchte, dann ist. (x, y) ; x 2 + y 2 = 1 }

Kapitel II. Vektoren und Matrizen

1.3 Differenzierbarkeit

Konvergenz im quadratischen Mittel und Parsevalsche Gleichung

1 Einführung, Terminologie und Einteilung

Grundlagen Kondition Demo. Numerisches Rechnen. (für Informatiker) M. Grepl P. Esser & G. Welper & L. Zhang

Kapitel 1. Holomorphe Funktionen

Funktionen mehrerer Variabler

Lösungsvorschlag zu den Hausaufgaben der 8. Übung

Inverse Fourier Transformation

Transkript:

Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik Institut für Mathematik und Rechneranwendung Universität der Bundeswehr München Einführung in die Mehrdimensionale Variationsrechnung (Vorlesungsskript) Univ. Prof. Dr. sc. math. Joachim Gwinner

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 2 3 Variationsprobleme von Mehrfachintegralen - notwendige Bedingungen Problemstellung, Voraussetzungen, Bezeichnungen Statt x [a, b]... x = (x 1, x 2,..., x m ) Gebiet R m Statt Punkt-Punkt-Problem... Problem mit vorgegebenen Randwerten: Gesucht ist eine Vektorfunktion y 0 mit den Komponenten y i = yi 0 (x 1,..., x m ), (i = 1,..., n), die auf dem Rand feste vorgegebene Werte annimmt und die das Integral I[y] = f(x, y, y ) dx zum (relativen) Minimum macht. Dabei bezeichnen x = (x 1,..., x m ); dx = dx 1 dx 2... dx m (m-fache Integration) y = (y 1,..., y n ) y = (y 1,1,..., y 1,m, y 2,1,..., y 2,m,..., y n,1,..., y n,m ) wobei y i, = y i ; i = 1,..., n; = 1,..., m Voraussetzung an : Normalgebiet (stückweise glatter Rand); es soll der Gaußsche Integral-Satz gelten: Für eine stetig differenzierbare Vektorfunktion Φ gilt div Φ(x) dx = Φ n do Dabei ist do das Oberflächenelement und n der Einheitsnormalenvektor, der fast überall auf dem Rand definiert ist und nach außen zeigt. Spezialisieren wir Φ = F C 1 () für eine skalare Funktion F und für einen fixierten Index, setzen Φ j = 0 für alle übrigen Indices j, dann erhalten wir folgende Formel der mehrdimensionalen partiellen Integration: F dx = F n do Dabei ist n = cos(n, x ) die Komponente in Richtung des Einheitsnormalenvektors n.

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 3 Naheliegend sind die folgenden Funktionenräume: C 1 ()... Vektorraum, der auf stetig differenzierbaren (Vektor-)Funktionen CS 1()... Vektorraum, der auf stetigen (Vektor-)Funktionen F, für die es eine Zerlegung von in endlich viele Normalgebiete k gibt, so daß F auf jedem k stetig differenzierbar (fortsetzbar auf den Rand) ist Normen auf C 1 (), bzw. CS 1 () bei beschränktem : Tschebyscheff-Norm: y 0 := max y(x), bzw. y 0 := max max y i (x), bei Vektorfunktionen y. x i=1,...,n x y 1 := y 0 + max { y,1 0,..., y,m 0 } bei (Vektor-) funktionen y in CS 1(). Dabei bezeichnet y, = y die partielle Ableitung. Bei Komponenten von Vektorfunktionen schreiben wir y i, = y i. Lebesgue-Norm: y L 2 = { y i (x) 2 dx} 1 2 i entsteht aus dem Skalarprodukt < y (1), y (2) > L 2= y (1) i y (2) i i dx Damit ist C()) ein Skalarproduktraum (Praehilbertraum) versehen mit diesem Skalarprodukt.. Durch Vervollständigung (Äquivalenzklassen von Cauchyfolgen) entsteht der Raum L 2 (). Es ist L 2 () Sobolev-Norm: C() C 1 S () = C 1 (), aber C 1 () ist dicht in L 2 () y H 1 = { [ y i (x) 2 + [ y i, (x) 2 ] dx} 1 2 i entsteht aus dem Skalarprodukt < y (1), y (2) > H 1 = [y (1) i y (2) i i + y (1) i, y(2) i, ] dx Damit wird C 1 () zu einem Skalarproduktraum. Durch Vervollständigung entsteht der Sobolevraum H 1 ().

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 4 i.a.: H 1 () C k () falls k 1, aber C () dicht H 1 () Falls = (a, b), d.h.ein Intervall = 1 -dimensionales Gebiet, dann sind die H 1 Funktionen absolut stetig und fast überall differenzierbar. Bemerkung. Vollständigkeit, d.h. die Verwendung von Hilbert-Räumen ist wichtig bei Existenzfragen (Anwendung von Lax-Milgram und Verallgemeinerungen), auf die wir im folgenden aber nicht näher eingehen. Das Gateaux-Differential und die 1. notwendige Bedingung vgl. 1. Kapitel 4 IV Wir gehen aus von dem linear normierten Funktionenraum V = C 1 (), bzw C 1 S (). Bedingungen an zur Konkurrenz zugelassenen Funktionen y V : y = g (vorgegebene Funktion); weiterhin c i (x) < y i (x) < d i (x) (c i, d i vorgegebene Funktionen) auf und definieren so eine Teilmenge U V. Ansatz von Lagrange: y = y 0 + ε η mit Testfunktion η Raum der Testfunktionen η (mit η = 0) ist Teilraum W V ; U ist W offen. Unabhängig von der Normierung liefert Satz 1 aus 4 DI(y 0, η) = 0 für alle η W als notwendige Bedingung dafür, daß y 0 ein relatives Minimum für I erzeugt. Sei im folgenden f mindestens C 2. Dann können wir zu I(ε) = f(x, yi 0 (x) + ε η i (x), yi,(x) 0 + ε η i, (x)) dx DI(y 0, η) berechnen : di(ε) dε ε=0 = { n [fy 0 i (x) η i (x) + i m fy 0 i, (x) η i, (x)]} dx

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 5 Also 1. notwendige Bedingung für ein relatives Minimum ( ) { n [fy 0 i (x) η i (x) + i=1 für alle η W. Dabei ist fy 0 i (x) = f y i (x, y 0 (x), y 0 (x)) f 0 y i,(x) = m fy 0 i,(x) η i, (x)]} dx = 0 =1 f y i, (x, y 0 1(x),..., y 0 n(x), y 0 1,1(x),..., y 0 n,m(x)) η i, (x) = η i (x) In dieser notwendigen Bedingung stören die η i,! Das Fundamentallemma und die Euler-Lagrangeschen Differentialgleichungen Hilfssatz 3.1 (FL) Sei R m ein Normalgebiet, F C(). Es gelte F (x) h(x) dx = 0 für alle h C 1 () mit h = 0. Dann ist F 0 in. Beweis indirekt. Annahme: x 0 : F (x 0 ) 0 Wegen Stetigkeit können wir annehmen o.b.d.a., daß x 0. Es sei F (x 0 ) > 0. Wegen Stetigkeit gibt es abgeschlossenen Ball B(x 0, ρ), in dem F (x) > 0 ist. Konstruiere eine Funktion h C 1 () so, dass h > 0 in B(x 0 0, ϱ), = 0 sonst, damit wird h = 0. Eine solche Funktion h ist zum Beispiel die Glockenfunktion 0 für x x 0 ϱ h(x) = exp x x 0 2 x x 0 2 ϱ 2 für x x 0 < ϱ

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 6 Dabei bezeichnet die euklidische Norm. Darum wird F h > 0 Widerspruch! q.e.d. Sei die Menge U der zur Konkurrenz zugelassenen Funktionen enthalten in C 1 (). Betrachte in ( ) fy 0 i, (x) η i, (x) = (fy 0 x i, (x) η i (x)) (fy 0 x i, (x)) η i (x) Andererseits mit Gaußschem Integral-Satz (fy 0 x i, (x) η i (x)) dx = yi,(x) 0 η i (x) n do = 0 Somit schreibt sich ( ) F L n {fy 0 i (x) i=1 f 0 y i (x) m =1 m =1 f 0 y i, (x)} η i (x) dx = 0 f 0 y i, (x) = 0 (i = 1,..., n). Dies sind die Euler-Lagrangeschen Differentialgleichungen Lösungen y 0 mit Komponenten y i = y 0 i (x) heißen wieder Extremalen. Das Haarsche Lemma (anstelle des Lemmas von Du Bois-Reymond) Zu p [1, ) definiert man bekanntlich die Lebesgue-Normen für (Vektor-) Funktionen auf einem Gebiet R m und den Funktionenraum f L p := f(x) p dx L p () := {f : R, bzw. R n messbar mit f L P < + } 1/P

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 7 Im folgenden der Fall p = 1, also der Raum der summierbaren Funktionen auf. Aus der Maßtheorie und der Theorie der reellen Funktionen benötigen wir (siehe zum Beispiel I.P. Natanson: Theorie der Funktionen einer reellen Veränderlichen, Akademie-Verlag. 1961) Lemma 3.1 (L1) (Satz von Fubini) Sei beschränktes Gebiet R m, I = (c, d) beschränktes Intervall R. Sei G L 1 ( ) auf dem Gebiet = I. Dann gilt a) Für fast alle x I, d.h. für alle x I 1 I, wobei Lebesguessches Mass λ(i 1 ) = λ(i) = d c, ist die durch x G(x, x ) definierte Funktion G(x, x ) L 1 () b) Die durch G(x, x ) dx für x I 1 g(x ) = beliebig sonst in I definierte Funktion g L 1 (I). c) Es gilt G(x, x ) dx dx = d c g(x ) dx Integral über Produktmenge = iteriertes Integral Lemma 3.2 (L2) Ist ϕ L 1 (0, R), so ist die durch r (0, R) ψ(r) = r 0 ϕ(t) dt definierte Funktion ψ stetig, fast überall (f.ü.) in [0, R] differenzierbar und ψ (r) = ϕ(r). Lemma 3.3 (HS) (Haarsches Lemma) Seien A ( = 1,..., m), B C S () [allgemeiner: L 1 ()] und es gelte { m } A (x) h (x) + B(x) h(x) dx = 0 =1

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 8 für alle Funktionen h CS 1() mit h = 0. Dann ist für beliebige x 0 und fast alle ϱ > 0 mit K(x 0, ϱ) A n do = B dx. K(x 0,ϱ) K(x 0,ϱ) Beweis Wähle aus eine beliebige Kugel K(x 0, R) aus, setze mit r = x x 0 (Euklidische Länge) und Parametern ϱ, ϱ mit R ϱ > ϱ > 0 speziell für h die Funktion 0 für r ϱ h(x) = ϱ r für ϱ r ϱ ϱ ϱ für ϱ > r 0 in obige Voraussetzung ein. Mit der Bezeichnung (x 0, ϱ, ϱ ) = K(x 0, ϱ )\ K(x 0, ϱ) erhalten wir hieraus (Beachte partielle Ableitung h = 0 außerhalb von!) ( ) K(x 0,ϱ) Bh dx + (x 0,ϱ,ϱ ) B h dx + (x 0,ϱ,ϱ ) A h dx = 0 Einführung von Kugelkoordinaten zum Koordinatenursprung x 0 mit Koordinaten x 0 und n = cos(n, x ) = x x 0 r Wir schreiben h(x) = h(r, ϕ 1,..., ϕ m 1 ). Dann ist h, = h = h r r = h r r h wegen = 0 für alle λ = 1,..., m 1. Es ist ϕ λ r 2 = m (x x 0 ) 2, also r = 1 r (x x 0 ), folglich =1 h, = h r 1 r (x x 0 ) = h r cos(n, x ) (= h r n )

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 9 Bezüglich der Kugelkoordinaten wird K(x 0, ϱ) = (0, ϱ) mit Einheitssphäre = {x IR m x x 0 = 1}, dx = r m 1 d dr mit Oberflächenelement d auf Mit L1 wird aus ϱ (ϱ ϱ)b r m 1 d dr + ϱ (ϱ r) B r m 1 d dr 0 ϱ ϱ A cos(n, x ) r m 1 d dr = 0 ϱ Mit L2 liefert die Differentiation nach ϱ für fast alle ϱ 0 = (ϱ ϱ) B ϱ m 1 d ϱ B r m 1 d dr (ϱ ϱ) B ϱ m 1 d + A 0 cos(n, x ) ϱ m 1 d Rücktransformiert ergibt dies B dx = A n do q.e.d. K(x 0,ϕ) K(x 0,ϱ) Die Euler-Lagrangeschen Gleichungen in Integralform Wende auf ( ) das Lemma von Haar an für und erhalte m =1 K(x 0,ϱ) η i CS(), 1 A = fy 0 i,, B = fy 0 i fy 0 i, n do = fy 0 i dx (i = 1,..., n) K(x 0,ϱ)

ME Variationsrechnung und Optimale Steuerung FT 2013 10 Dies sind die Euler-Lagrangeschen Gleichungen in Integralform. Wiederum läßt sich hieraus für glatte y 0 C 1 () die Euler-Lagrangeschen Differentialgleichungen herleiten, denn dann ist A = fy 0 i, C 1 () und B = fy 0 i C() Mit dem Gaußschen Integralsatz, d.h. genauer mit partieller Integration folgt nämlich aus der Aussage des Haarschen Lemmas K(x 0,ϱ) A dx = K(x 0,ϱ) B dx Division durch das Volumen von K(x 0, ϱ), Anwendung des Mittelwertsatzes, Grenzübergang ϱ 0 liefert So erhalten wir A (x 0 ) = div A(x 0 ) = B(x 0 ) für beliebige x 0. Satz 3.1 Dafür, daß y 0 unter den Vergleichsfunktionen y CS 1 () ein relatives Minimum für das Funktional I[y] = f(x, y, y ) dx erzeugt, ist notwendig, daß für fast alle Kugeln K(x 0, ϱ) die Euler- Lagrangeschen Gleichungen in Integralform gelten. Auf allen glatten Stücken sind notwendig die Euler-Lagrangeschen Differentialgleichungen erfüllt. Spezialfall n = 1, m = 2; u := y 1, x = x 1, y = x 2 ; Oberflächenelement do = Bogenelement ds Tangentenvektor t = ( dx, ) ( dy ds ds, Normalenvektor n = dy, ) dx ds ds Euler-Lagrangeschen Gleichungen in Integralform für Kreise K = K(x 0 y 0, ϱ) und deren Rand K fu 0 dx dy = {fu,x 0 dy fu,y 0 dx}. K K