Un resultado de H convergencia para operadores tipo elpticos fraccionarios
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- Jesús Calderón Camacho
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1 Un resultado de H convergencia para operadores tipo elpticos fraccionarios Julián Fernández Bonder Universidad de Buenos Aires e IMAS-CONICET Trabajo conjunto con Antonella Ritorto y Ariel Salort (UBA / IMAS-CONICET) Septiembre 2016, Bahía Blanca Argentina
2 Introducción Homogeneización Homogeneización es el estudio de las propiedades macroscópicas de materiales que son altamente heterogéneos a escala microscópica.
3 Introducción Homogeneización Homogeneización es el estudio de las propiedades macroscópicas de materiales que son altamente heterogéneos a escala microscópica. Matemáticamente, esto significa reemplazar un problema de valores de contorno con coeficientes altamente oscilatorios por otro, típicamente con coeficientes constantes, que capture las propiedades esenciales del problema.
4 Introducción Homogeneización Homogeneización es el estudio de las propiedades macroscópicas de materiales que son altamente heterogéneos a escala microscópica. Matemáticamente, esto significa reemplazar un problema de valores de contorno con coeficientes altamente oscilatorios por otro, típicamente con coeficientes constantes, que capture las propiedades esenciales del problema. La homogeneización es un objeto de estudio que se remonta a fines de la década del 60 y principios del 70 con los trabajos de Spagnolo, De Giorgi, Bessounsan, Lions, Papanicolau, Sánchez-Palencia, etc.
5 Introducción Homogeneización El problema matemático básico consiste en estudiar el comportamiento cuando n para { div(a n u n ) = f en Ω u n = 0 en Ω, (1) donde Ω R N es un abierto acotado, f H 1 (Ω) y {A n } n N [L (Ω)] N N es una sucesión de matrices uniformemente acotadas y uniformemente eĺıpticas.
6 Introducción Homogeneización El problema matemático básico consiste en estudiar el comportamiento cuando n para { div(a n u n ) = f en Ω u n = 0 en Ω, (1) donde Ω R N es un abierto acotado, f H 1 (Ω) y {A n } n N [L (Ω)] N N es una sucesión de matrices uniformemente acotadas y uniformemente eĺıpticas. Tipicamente, A n (x) = A(nx), donde A: R N R N N es una matriz acotada y coersiva con coeficientes periódicos de período 1 en cada variable.
7 Introducción Homogeneización Cuando Murat en 1974 estaba estudiando el problema (1) cuando n, la principal dificultad matemática que encontró fue que el ĺımite del producto de dos sucesiones débilmente convergentes no es necesariamente el producto de sus ĺımites.
8 Introducción Homogeneización Cuando Murat en 1974 estaba estudiando el problema (1) cuando n, la principal dificultad matemática que encontró fue que el ĺımite del producto de dos sucesiones débilmente convergentes no es necesariamente el producto de sus ĺımites. Murat desarrolló una herramienta hoy conocida como el div-curl Lemma que fue luego generalizada por Tartar en 1978.
9 Introducción Homogeneización Cuando Murat en 1974 estaba estudiando el problema (1) cuando n, la principal dificultad matemática que encontró fue que el ĺımite del producto de dos sucesiones débilmente convergentes no es necesariamente el producto de sus ĺımites. Murat desarrolló una herramienta hoy conocida como el div-curl Lemma que fue luego generalizada por Tartar en Teorema (div-curl Lemma) Sea {ψ n } n N y {φ n } n N en [L 2 (Ω)] N tales que ψ n ψ y φ n φ debil en [L 2 (Ω)] N. Si, adicionalmente, se verifica que div ψ n div ψ en H 1 (Ω) y curl φ n curl φ en [H 1 (Ω)] N N, entonces ψ n φ n ψ φ en el sentido de distribuciones.
10 Introducción Homogeneización Basado en el div-curl Lemma, Tartar en 1978 introduce un método para el estudio del comportamiento asintótico de (1) cuando n y obtiene la existencia de una matriz A 0 [L (Ω)] N N tal que u n u 0 la solución del problema ĺımite homogeneizado. { div(a 0 u 0 ) = f en Ω (2) u 0 = 0 en Ω.
11 Introducción Homogeneización Basado en el div-curl Lemma, Tartar en 1978 introduce un método para el estudio del comportamiento asintótico de (1) cuando n y obtiene la existencia de una matriz A 0 [L (Ω)] N N tal que u n u 0 la solución del problema ĺımite homogeneizado. { div(a 0 u 0 ) = f en Ω (2) u 0 = 0 en Ω. Este método es hoy conocido como el método de Tartar o como el método de las funciones test oscilatorias.
12 Difusión fraccionaria Qué es la difusión fraccionaria? Operadores de la forma u(x) u(y) Lu(x) := v.p. a(x, y) R N x y O más generales N+2s dy.
13 Difusión fraccionaria Qué es la difusión fraccionaria? Operadores de la forma u(x) u(y) Lu(x) := v.p. a(x, y) R N x y O más generales Monótonos (de tipo p laplaciano) N+2s dy.
14 Difusión fraccionaria Qué es la difusión fraccionaria? Operadores de la forma u(x) u(y) Lu(x) := v.p. a(x, y) R N x y O más generales Monótonos (de tipo p laplaciano) Totalmente no lineales Muchas referencias!! N+2s dy.
15 Difusión fraccionaria Qué es la difusión fraccionaria? Operadores de la forma u(x) u(y) Lu(x) := v.p. a(x, y) R N x y O más generales Monótonos (de tipo p laplaciano) Totalmente no lineales Muchas referencias!! N+2s dy. Qué se puede decir del comportamiento asintótico de u(x) u(y) L n u(x) := v.p. a n (x, y) dy = f (x). R N x y N+2s
16 Difusión fractionaria La respuesta resulta ser muy simple!
17 Difusión fractionaria La respuesta resulta ser muy simple! Si a n (x, y) = a n (y, x), L n es el gradiente de un funcional convexo J n : L 2 (Ω) R, J n (u) := { R N R a N n (x, y) (u(x) u(y))2 dxdy si u H s x y N+2s 0 (Ω) sino.
18 Difusión fractionaria La respuesta resulta ser muy simple! Si a n (x, y) = a n (y, x), L n es el gradiente de un funcional convexo J n : L 2 (Ω) R, J n (u) := { R N R a N n (x, y) (u(x) u(y))2 dxdy si u H s x y N+2s 0 (Ω) sino. Luego, si a n a0 en L (R N ), entonces J n Γ J0.
19 Difusión fractionaria La respuesta resulta ser muy simple! Si a n (x, y) = a n (y, x), L n es el gradiente de un funcional convexo J n : L 2 (Ω) R, J n (u) := { R N R a N n (x, y) (u(x) u(y))2 dxdy si u H s x y N+2s 0 (Ω) sino. Luego, si a n a0 en L (R N ), entonces J n Γ J0. Como corolario se obtiene Teorema Sean 0 < α a n L (R N ) tales que a n a0. Si u n H0 s (Ω) es la solución de L n u n = f, entonces u n u 0 donde u 0 H0 s (Ω) es la solución de L 0 u 0 = f.
20 Demostración del resultado de Γ convergencia Desigualdad del ĺımite inferior Sea u n u en L 2 (R N ), fijemos 0 < δ < R < y definamos Q R,δ = (B R B R ) \ δ donde δ = { x y δ}.
21 Demostración del resultado de Γ convergencia Desigualdad del ĺımite inferior Sea u n u en L 2 (R N ), fijemos 0 < δ < R < y definamos Q R,δ = (B R B R ) \ δ donde δ = { x y δ}. Observemos que (u n (x) u n (y)) 2 x y N+2s (u(x) u(y))2 x y N+2s en L 1 (Q R,δ ).
22 Demostración del resultado de Γ convergencia Desigualdad del ĺımite inferior Sea u n u en L 2 (R N ), fijemos 0 < δ < R < y definamos Q R,δ = (B R B R ) \ δ donde δ = { x y δ}. Observemos que Luego, lim inf n (u n (x) u n (y)) 2 (u(x) u(y))2 x y N+2s x y N+2s en L 1 (Q R,δ ). RN RN a n (x, y) (u n(x) u n (y)) 2 x y N+2s dxdy lim inf n = QR,δ a n (x, y) (u n(x) u n (y)) 2 x y N+2s dxdy (u(x) u(y))2 a 0 (x, y) x y QR,δ N+2s dxdy y ahora se toma ĺımite R y δ 0.
23 Demostración del resultado de Γ convergencia Desigualdad del ĺımite superior La desigualdad del ĺımite superior es trivial. Sólo se observa que la sucesión constante es la sucesión de recuperación, puesto que u H s 0(Ω) (u(x) u(y))2 x y N+2s L 1 (R N R N ),
24 Demostración del resultado de Γ convergencia Desigualdad del ĺımite superior La desigualdad del ĺımite superior es trivial. Sólo se observa que la sucesión constante es la sucesión de recuperación, puesto que u H s 0(Ω) (u(x) u(y))2 x y N+2s L 1 (R N R N ), luego RN RN (u(x) u(y))2 lim a n (x, y) n x y N+2s dxdy RN RN (u(x) u(y))2 = a 0 (x, y) x y N+2s dxdy
25 H convergencia Lo que no puede inferirse de la Γ convergencia es la convergencia de los flujos. En el contexto de EDPs clásico, esto es ξ n := A n u n ξ 0 := A 0 u 0 debil en L 2 (Ω).
26 H convergencia Lo que no puede inferirse de la Γ convergencia es la convergencia de los flujos. En el contexto de EDPs clásico, esto es ξ n := A n u n ξ 0 := A 0 u 0 debil en L 2 (Ω). El método de Tartar nos provee de este resultado y el mismo se basa en el div-curl Lemma. Además, el método de Tartar permite tratar problemas no simétricos.
27 H convergencia Lo que no puede inferirse de la Γ convergencia es la convergencia de los flujos. En el contexto de EDPs clásico, esto es ξ n := A n u n ξ 0 := A 0 u 0 debil en L 2 (Ω). El método de Tartar nos provee de este resultado y el mismo se basa en el div-curl Lemma. Además, el método de Tartar permite tratar problemas no simétricos. Nuestro objetivo es la extensión del div-curl Lemma al contexto fraccionario y mostrar la convergencia de los flujos fraccionarios.
28 div-curl Lemma fraccionario Recordemos el div-curl Lemma clásico Teorema (div-curl Lemma) Sean {ψ n } n N y {φ n } n N en [L 2 (Ω)] N tales que ψ n ψ y φ n φ debil en [L 2 (Ω)] N. Si adicionalmente se tiene que div ψ n div ψ en H 1 (Ω) y curl φ n curl φ en [H 1 (Ω)] N N, entonces ψ n φ n ψ φ en el sentido de las distribuciones.
29 div-curl Lemma fraccionario Recordemos el div-curl Lemma clásico Teorema (div-curl Lemma) Sean {ψ n } n N y {φ n } n N en [L 2 (Ω)] N tales que ψ n ψ y φ n φ debil en [L 2 (Ω)] N. Si adicionalmente se tiene que div ψ n div ψ en H 1 (Ω) y curl φ n curl φ en [H 1 (Ω)] N N, entonces ψ n φ n ψ φ en el sentido de las distribuciones. Cuando φ n es irrotacional (i.e. φ n = v n ), se obtiene un importante caso particular
30 div-curl Lemma fraccionario Teorema (div-curl Lemma, caso especial) Sean {ψ n } n N en [L 2 (Ω)] N y {v n } n N en H0 1 (Ω) tales que ψ n ψ y v n v debil en [L 2 (Ω)] N. Si adicionalmente tenemos que div ψ n div ψ en H 1 (Ω), entonces ψ n v n ψ v en el sentido de las distribuciones.
31 div-curl Lemma fraccionario Teorema (div-curl Lemma, caso especial) Sean {ψ n } n N en [L 2 (Ω)] N y {v n } n N en H0 1 (Ω) tales que ψ n ψ y v n v debil en [L 2 (Ω)] N. Si adicionalmente tenemos que div ψ n div ψ en H 1 (Ω), entonces ψ n v n ψ v en el sentido de las distribuciones. Proof. Inmediato de la fórmula de integración por partes.
32 div-curl Lemma fraccionario Algunas definiciones: Dada u H0 s (Ω), definimos su s gradiente como D s u(x, y) = u(x) u(y) x y N 2 +s. Observemos que D s u L 2 (R N R N ).
33 div-curl Lemma fraccionario Algunas definiciones: Dada u H0 s (Ω), definimos su s gradiente como D s u(x, y) = u(x) u(y) x y N 2 +s. Observemos que D s u L 2 (R N R N ). Dada φ L 2 (R N R N ), definimos su s divergencia como φ(x, y) φ(y, x) d s φ(x) = v.p. dy. R N x y N 2 +s Es fácil ver que si φ L 2 (R N R N ) entonces d s φ H s (R N ).
34 div-curl Lemma fraccionario Algunas definiciones: Dada u H0 s (Ω), definimos su s gradiente como D s u(x, y) = u(x) u(y) x y N 2 +s. Observemos que D s u L 2 (R N R N ). Dada φ L 2 (R N R N ), definimos su s divergencia como φ(x, y) φ(y, x) d s φ(x) = v.p. dy. R N x y N 2 +s Es fácil ver que si φ L 2 (R N R N ) entonces d s φ H s (R N ). Además, L n u = 1 2 d s(a n (x, y)d s u)
35 div-curl Lemma fraccionario Teorema (FB-Ritorto-Salort 16) Sean {ψ n } n N en L 2 (R N R N ) y {v n } n N en H0 s (Ω) tales que ψ n ψ y D s v n D s v debil en L 2 (R N R N ). Si adicionalmente se verifica que d s ψ n d s ψ en H s (R N ), entonces ψ n D s v n ψd s v en el sentido de las distribuciones.
36 div-curl Lemma fraccionario Teorema (FB-Ritorto-Salort 16) Sean {ψ n } n N en L 2 (R N R N ) y {v n } n N en H0 s (Ω) tales que ψ n ψ y D s v n D s v debil en L 2 (R N R N ). Si adicionalmente se verifica que d s ψ n d s ψ en H s (R N ), entonces ψ n D s v n ψd s v en el sentido de las distribuciones. Proof. La demostración se basa en la fórmula de integración por partes fraccionaria φd s u dxdy = d s φ u dx R N R N R N
37 Corolario Como una consecuencia del div-curl Lemma fraccionario, obtenemos Teorema (FB-Ritorto-Salort, 16) Sean α a n (x, y) β tales que a n a0 en L (R N R N ) y sean u n H0 s (Ω) (n 0) las soluciones de { L n u n = f en Ω u n = 0 en R N \ Ω Entonces u n u 0 debil en H s 0 (Ω) y, más aún, ξ n = a n D s u n ξ 0 = a 0 D s u 0 debil en L 2 (R N R N ).
38 Corolario Como una consecuencia del div-curl Lemma fraccionario, obtenemos Teorema (FB-Ritorto-Salort, 16) Sean α a n (x, y) β tales que a n a0 en L (R N R N ) y sean u n H0 s (Ω) (n 0) las soluciones de { L n u n = f en Ω u n = 0 en R N \ Ω Entonces u n u 0 debil en H0 s (Ω) y, más aún, ξ n = a n D s u n ξ 0 = a 0 D s u 0 debil en L 2 (R N R N ). Proof. La demostración sigue las ideas de la prueba original de Tartar y la principal dificultad técnica es la construcción de las funciones test oscilantes.
39 Observaciones, trabajo futuro y otras aplicaciones El caso cuasilineal (e.g. p laplacian fraccionario) se trata de manera análoga
40 Observaciones, trabajo futuro y otras aplicaciones El caso cuasilineal (e.g. p laplacian fraccionario) se trata de manera análoga Sólo con el resultado de la Γ convergencia, el comportamiento asintótico de los autovalores se puede analizar sin mayores dificultades
41 Observaciones, trabajo futuro y otras aplicaciones El caso cuasilineal (e.g. p laplacian fraccionario) se trata de manera análoga Sólo con el resultado de la Γ convergencia, el comportamiento asintótico de los autovalores se puede analizar sin mayores dificultades Qué se puede decir del problema con s n 1? L n u(x) := v.p. RN (u(x) u(y))2 a n (x, y) dy x y N+2sn
42 Observaciones, trabajo futuro y otras aplicaciones El caso cuasilineal (e.g. p laplacian fraccionario) se trata de manera análoga Sólo con el resultado de la Γ convergencia, el comportamiento asintótico de los autovalores se puede analizar sin mayores dificultades Qué se puede decir del problema L n u(x) := v.p. RN (u(x) u(y))2 a n (x, y) dy x y N+2sn con s n 1? Con a n (x, y) = 1 esto está bien entendido.
43 Observaciones, trabajo futuro y otras aplicaciones El caso cuasilineal (e.g. p laplacian fraccionario) se trata de manera análoga Sólo con el resultado de la Γ convergencia, el comportamiento asintótico de los autovalores se puede analizar sin mayores dificultades Qué se puede decir del problema L n u(x) := v.p. RN (u(x) u(y))2 a n (x, y) dy x y N+2sn con s n 1? Con a n (x, y) = 1 esto está bien entendido. El div-curl Lemma fue usado con mucho éxito en Electromagnetismo (ecuaciones de Maxwell), Navier-Stokes, etc. Se puede aplicar el div-curl Lemma fraccionario a las versiones fraccionarias de estos modelos?
44 Muchas Gracias!
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