W tym rozdziale przedstawimy elementy teorii przestrzeni Sobolewa oraz kilka technicznych lematów potrzebnych do dowodów zbieżności metody elementu skończonego. Mimo, że przedstawimy tylko najmniej techniczne dowody odpowiednich lematów to, aby w pełni zrozumieć dowody, należałoby zapoznać się wcześniej z teorią przestrzeni Sobolewa, zob. np. [21].
Materiał w poniższym rozdziale wykracza poza materiał z wykładu.
Poniżej podamy kilka faktów, dotyczących przestrzeni Sobolewa, potrzebnych do udowodnienia zbieżności metody elementu skończonego dla równania eliptycznego drugiego stopnia.
Najpierw zdefiniujmy przestrzenie Sobolewa
Rozpatrzmy
z normą
i półnormą
Tutaj
Można pokazać następujące twierdzenie:
Rozpatrzmy
Proszę zauważyć, że to twierdzenie pozwala nam inaczej zdefiniować przestrzeń
Dodatkowo wprowadzamy:
Niech
Zaznaczmy, że:
Zachodzą jeszcze następujące nierówności:
Jeśli
Dowód w ogólności można znaleźć np. w [2], ale dla kostek w dwóch i trzech wymiarach dowód pozostawiamy jako zadanie.
Istnieje też następujące twierdzenie mówiące w jakim sensie możemy rozważać wartości funkcji z
Rozpatrzmy
i
Funkcję
Kolejnym ważnym twierdzeniem jest tzw. twierdzenie Sobolewa o włożeniu. Tutaj przedstawimy tylko szczególny przypadek potrzebny w przedstawionych dowodach.
Rozpatrzmy
Stała
W tym rozdziale przedstawimy ogólne zasady konstrukcji zgodnej metody elementu skończonego. Zgodna metoda oznacza, że przestrzenie elementu skończonego
Dla
wtedy elementem skończonym nazywamy trójkę
Dla elementu skończonego
Jeśli założymy, że funkcjonały z
Dla elementu skończonego
dla
Jeśli rozpatrujemy podział obszaru na elementy (triangulacje) i każdy element
Przestrzenią elementu skończonego
Oczywiście w praktyce elementy skończone są tego samego typu. Często dokładamy na przestrzenie elementu skończonego warunki ciągłości lub dodatkowe warunki na brzegu obszaru.
Definicja 16.3 elementu skończonego dotyczy pojedynczego elementu, a analiza metody elementu skończonego będzie polegała na tym, że wyniki otrzymane na elemencie wzorcowym przenoszą się na dowolny element, o ile wszystkie elementy są skonstruowane przy pomocy przekształceń afinicznych.
Rodzina przestrzeni elementu skończonego
oraz dla dowolnego
Widzimy, że przekształcenie afiniczne spełnia:
dla
Rozpatrzmy afiniczną rodzinę przestrzeni elementu skończonego
gdzie
Z gęstości funkcji gładkich w
dla
Sumowanie po wszystkich multiindeksach
Rozpatrzmy afiniczną rodzinę przestrzeni elementu skończonego
gdzie
Widzimy, że
Dla dowolnego
Drugą nierówność dowodzimy analogicznie.
∎Jako wniosek otrzymujemy:
Rozpatrzmy regularną rodzinę triangulacji
gdzie
Kolejne twierdzenie pozwala oszacować normę
Niech
Rozpatrzmy regularną rodzinę triangulacji
dla
Zauważmy, że
Stąd na mocy wniosku 16.1 otrzymujemy, że
Z założeń twierdzenia otrzymujemy teraz:
Oczywiście
Zatem
Stąd na mocy twierdzenia 16.4 otrzymujemy
Z kolei z wniosku 16.1 otrzymujemy
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.