În matematică , în special în domeniul analizei matematice , o inegalitate Sobolev se încadrează într-o clasă de inegalități , numită după Sobolev , referitoare la normele definite în spațiile Sobolev . Ele sunt folosite pentru a demonstra teorema de imersie a lui Sobolev (la incluziuni între unele spații Sobolev ) și teorema lui Rellich-Kondrakov (conform căreia, în condiții ușor mai puternice, unele spații Sobolev sunt conținute compact în altele).
Teorema de imersiune a lui Sobolev
Indicați cu {\ displaystyle W ^ {k, p}} spațiul Sobolev al unui distribuitor Riemannian compact de dimensiune n , un spațiu care, pe scurt, constă din funcții ale căror prime k derivate sunt în {\ displaystyle L ^ {p}} . În acest context k poate fi orice număr întreg negativ e {\ displaystyle 1 \ leq p \ leq \ infty} . (Pentru {\ displaystyle p = \ infty} spațiul Sobolev este definit ca spațiul Hölder{\ displaystyle C ^ {m, \ alpha}} unde este {\ displaystyle k = m + \ alpha} Și , {\ displaystyle 0 <\ alpha \ leq 1} iar m este un număr întreg.) Teorema de imersiune a lui Sobolev afirmă că dacă {\ displaystyle k \ geq 1} Și:
- {\ displaystyle k - {\ frac {n} {p}} \ geq l - {\ frac {n} {q}}}
asa de:
- {\ displaystyle W ^ {k, p} \ subseteq W ^ {l, q}}
iar această incluziune este continuă. De asemenea dacă {\ displaystyle k \ geq 1} Și {\ displaystyle kn / p \ geq ln / q} atunci includerea este complet continuă . Această proprietate este uneori numită teorema lui Kondrakov . Funcțiile din{\ displaystyle W ^ {l, \ infty}} toate derivatele de ordin mai mic decât l au continuu, iar această condiție implică faptul că în spațiile Sobolev diverse derivate sunt continue. În mod informal aceste incluziuni spun că convertirea unei estimări în {\ displaystyle L ^ {p}} într-o estimare de limitare costă 1 / p derivate pentru fiecare dimensiune.
Există alte variații ale teoremei de imersie pentru varietăți necompacte, cum ar fi {\ displaystyle \ mathbb {R} ^ {n}} .
Inegalitatea Gagliardo-Nirenberg-Perugini-Sobolev
Este {\ displaystyle u (x)} o funcție continuă și diferențiată cu suport compact de la {\ displaystyle \ mathbb {R} ^ {n}} la {\ displaystyle \ mathbb {R}} . Atunci pentru {\ displaystyle 1 \ leq p <n} există o constantă {\ displaystyle C_ {n} (p)} astfel încât:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {L ^ {p ^ {*}} (\ mathbb {R} ^ {n})} \ leq C_ {n} (p) \ | Du \ | _ {L ^ { p} (\ mathbb {R} ^ {n})}}
unde este:
- {\ displaystyle p ^ {*} = {\ frac {pn} {np}}> p}
este numărul numit Sobolev conjugat de p .
Constantele optime
În inegalitatea Gagliardo-Nirenberg-Sobolev poate fi interesant să cunoaștem valorile constantelor optime, adică cele mai mici constante care verifică inegalitatea și să putem găsi funcții care să verifice egalitatea. Este {\ displaystyle 1 <p <n} , apoi reține:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {L ^ {p ^ {*}}} \ leqslant C_ {n} (p) \ | Du \ | _ {L ^ {p}}}
cu:
- {\ displaystyle C_ {n} (p) = \ pi ^ {- {\ frac {1} {2}}} n ^ {- {\ frac {1} {p}}} \ left ({\ frac {p -1} {np}} \ right) ^ {1 - {\ frac {1} {p}}} \ left ({\ frac {\ Gamma \ left (1 + {\ frac {n} {2}} \ dreapta) \ Gamma (m)} {\ Gamma \ left ({\ frac {n} {p}} \ right) \ Gamma \ left (1 + n - {\ frac {n} {p}} \ right)} } \ right) ^ {\ frac {1} {n}}}
Mai mult, egalitatea dacă {\ displaystyle u} este de forma:
- {\ displaystyle u (x) = \ left (a + b | x | ^ {\ frac {p} {p-1}} \ right) ^ {1 - {\ frac {n} {p}}}}
cu adecvat {\ displaystyle a, b} pozitiv.
Funcția gamma apare în teoremă. Funcțiile care realizează egalitatea sunt radial simetrice , conform inegalității Pólya-Szegő . De fapt, dacă vrem să încercăm să micșorăm norma de gradient a unei funcții, putem lua în considerare rearanjarea sa radială .
Cazul {\ displaystyle p = 1} în schimb este puțin diferit. În acest caz {\ displaystyle 1 ^ {*} = {\ frac {n} {n-1}}.}
Se poate observa că, în general, constanta optimă poate fi găsită pentru scufundarea {\ displaystyle W ^ {1,1}} în {\ displaystyle L ^ {\ frac {n} {n-1}}} .
De fapt, urmează următoarea teoremă. Este {\ displaystyle u \ in W ^ {1,1}} , asa de:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {L ^ {1 ^ {*}}} \ leqslant n ^ {- 1} \ omega _ {n} ^ {- 1} \ | Du \ | _ {L ^ {1 }}}
De asemenea, nu există funcții în {\ displaystyle W ^ {1,1}} care aduc egalitate. Se observă că constanta care apare în teoremă este exact aceeași care apare în inegalitatea izoperimetrică .
Lemă Hardy-Littlewood-Sobolev
Dovada originală a lui Sobolev a teoremei de imersiune s-a bazat pe lema Hardy-Littlewood-Sobolev, un rezultat numit uneori teorema de integrare Hardy-Littlewood-Sobolev (fracționată) . Există, de asemenea, o propoziție echivalentă cunoscută sub numele de lema lui Sobolev . Este {\ displaystyle 0 <\ alpha <n} Și {\ displaystyle 1 <p <q <\ infty} . Spus {\ displaystyle I _ {\ alpha} \ equiv - \ Delta ^ {- \ alpha / 2}} potențialul lui Riesz pe {\ displaystyle \ mathbb {R} ^ {n}} , apoi pentru q definit de:
- {\ displaystyle q = {\ frac {pn} {n- \ alpha p}}}
există o constantă {\ displaystyle C} dependent doar de p astfel încât:
- {\ displaystyle \ left \ | I _ {\ alpha} f \ right \ | _ {q} \ leq C \ | f \ | _ {p}}
Inegalitatea Nash
Introdusă de John Nash în 1958, inegalitatea stabilește existența unei constante {\ displaystyle C> 0} astfel încât pentru fiecare {\ displaystyle u \ in L ^ {1} (\ mathbb {R} ^ {n}) \ cap W ^ {1,2} (\ mathbb {R} ^ {n})} apare:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {L ^ {2} (\ mathbb {R} ^ {n})} ^ {1 + 2 / n} \ leq C \ | u \ | _ {L ^ {1} (\ mathbb {R} ^ {n})} ^ {2 / n} \ | Du \ | _ {L ^ {2} (\ mathbb {R} ^ {n})}}
Este o relație care rezultă din proprietățile transformatei Fourier . Integrarea pe complementul sferei de rază {\ displaystyle \ rho} , din teorema lui Parseval rezultă:
- {\ displaystyle \ int _ {| x | \ geq \ rho} \ left | {\ hat {u}} (x) \ right | ^ {2} \, dx \ leq \ int _ {| x | \ geq \ rho} {\ frac {x ^ {2}} {\ rho ^ {2}}} \ left | {\ hat {u}} (x) \ right | ^ {2} \, dx \ leq \ rho ^ { -2} \ int _ {\ mathbb {R} ^ {n}} | Du | ^ {2} \, dx}
Pe de altă parte, avem:
- {\ displaystyle | {\ hat {u}} | \ leq \ | u \ | _ {L ^ {1}}}
decât integrarea pe sfera razei {\ displaystyle \ rho} oferă:
- {\ displaystyle \ int _ {| x | \ leq \ rho} | {\ hat {u}} (x) | ^ {2} \, dx \ leq \ rho ^ {n} \ omega _ {n} \ | u \ | _ {L ^ {1}} ^ {2}}
unde este {\ displaystyle \ omega _ {n}} este volumul sferei n- . Dacă alegeți {\ displaystyle \ rho} pentru a minimiza suma celor două integrale anterioare și din nou folosind teorema lui Parseval:
- {\ displaystyle \ | {\ hat {u}} \ | _ {L ^ {2}} = \ | u \ | _ {L ^ {2}}}
se obține inegalitatea.
Inegalitatea Morrey
Este {\ displaystyle n <p \ leq \ infty} . Apoi, există o constantă {\ displaystyle C} , care depinde doar de p și n , astfel încât:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {C ^ {0, \ gamma} (\ mathbb {R} ^ {n})} \ leq C \ | u \ | _ {W ^ {1, p} (\ mathbb {R} ^ {n})}}
pentru fiecare {\ displaystyle u \ in C ^ {1} (\ mathbb {R} ^ {n})} , unde este:
- {\ displaystyle \ gamma: = 1-n / p}
Cu alte cuvinte, dacă {\ displaystyle u \ in W ^ {1, p} (\ mathbb {R} ^ {n})} asa de {\ displaystyle u} este continuă conform lui Hölder (cu exponent {\ displaystyle \ gamma} ), după ce a fost posibil redefinit pe un set de măsuri zero.
Un rezultat similar este valabil într-un domeniu limitat {\ displaystyle U} cu margine {\ displaystyle C ^ {1}} ; în acest caz se aplică următoarele:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {C ^ {0, \ gamma} (U)} \ leq C \ | u \ | _ {W ^ {1, p} (U)}}
unde constanta {\ displaystyle C} depinde de n , p și {\ displaystyle U} . Această versiune a inegalității rezultă din cea precedentă printr-o extensie (care păstrează norma) de {\ displaystyle u} din {\ displaystyle W ^ {1, p} (U)} la {\ displaystyle W ^ {1, p} (\ mathbb {R} ^ {n})} .
Inegalități generale Sobolev
Este {\ displaystyle U} un subgrup limitat și deschis de {\ displaystyle \ mathbb {R} ^ {n}} , cu o garnitură elegantă {\ displaystyle C ^ {1}} . Asuma ca {\ displaystyle u \ in W ^ {k, p} (U)} .
- De sine {\ displaystyle k <n / p} asa de{\ displaystyle u \ în L ^ {q} (U)} , unde este:
- {\ displaystyle {\ frac {1} {q}} = {\ frac {1} {p}} - {\ frac {k} {n}}}
- Avem și estimarea:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {L ^ {q} (U)} \ leq C \ | u \ | _ {W ^ {k, p} (U)}}
- unde constanta {\ displaystyle C} depinde doar de k , p , n și {\ displaystyle U} .
- De sine {\ displaystyle k> n / p} asa de {\ displaystyle u} aparține spațiului Holder{\ displaystyle C ^ {k- [n / p] -1, \ gamma} (U)} , unde este:
- {\ displaystyle \ gamma = \ left [{\ frac {n} {p}} \ right] +1 - {\ frac {n} {p}}}
- de sine {\ displaystyle n / p} nu este un număr întreg sau {\ displaystyle \ gamma} este orice număr pozitiv mai mic de 1, dacă {\ displaystyle n / p} este un întreg.
- Avem și estimarea:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {C ^ {k- [n / p] -1, \ gamma} (U)} \ leq C \ | u \ | _ {W ^ {k, p} (U) }}
- unde constanta {\ displaystyle C} depinde doar de k , p , n , {\ displaystyle \ gamma} Și {\ displaystyle U} .
Caz {\ displaystyle p = n}
De sine {\ displaystyle u \ in W ^ {1, n} (\ mathbb {R} ^ {n}) \ cap L_ {loc} ^ {1} (\ mathbb {R} ^ {n})} , asa de {\ displaystyle u} este o funcție cu oscilație medie limitată și:
- {\ displaystyle \ | u \ | _ {BMO} <C \ | Du \ | _ {L ^ {n} (\ mathbb {R} ^ {n})}}
pentru unele constante {\ displaystyle C} care depinde doar de n . Această estimare este un corolar al inegalității Poincaré .
Bibliografie
- G.Talenti, „Cea mai bună constantă în inegalitatea lui Sobolev”, Analele matematicii pure și aplicate, volumul 110 (1976), pp. 353–376.
- ( EN ) OV Besov, și colab., "Teoria încorporării claselor funcțiilor diferențiate ale mai multor variabile", Ecuații diferențiale parțiale , Moscova (1970) pp. 38–63
- ( EN ) SM Nikol'skii, Despre teoreme de încorporare, continuare și aproximare pentru funcții diferențiate ale mai multor variabile Matematica rusă. Surveys, 16: 5 (1961) pp. 55–104 Uspekhi Mat. Nauk, 16: 5 (1961) pp. 63-114
- ( EN ) SM Nikol'skii, Aproximarea funcțiilor mai multor variabile și încorporarea teoremelor , Springer (1975)
- ( EN ) Lawrence C. Evans, Ecuații diferențiale parțiale , American Mathematical Society, 1998, ISBN 0-8218-0772-2 .
Elemente conexe
linkuri externe