拉克斯-米尔格拉姆定理

拉克斯-米尔格拉姆定理是数学泛函分析的定理,以彼得·拉克斯和阿瑟·米尔格拉姆命名。这定理可用来藉弱形式求解偏微分方程,因此主要用作有限元法的理论基础。

叙述

设

  •  是实希尔伯特空间,其内积记作 ,导出范数 ,
  •  是双线性型,使得
  • 在 上连续:
 ,
  • 在 上强制(有称为 -椭圆性):
 ,
  •  是 上的连续线性型。

那么存在唯一的 ,使得对所有 都有 :

 。

而且如果 是对称的,那么 是 中唯一的元素,使得以下泛函取最小值 , 对所有 ,即:

 。

证明

一般情形

套用里斯表示定理到连续线性型上,可知存在唯一的 ,使得 对任意 成立。

对所有 ,映射 是 上连续线性型,因此同样可知存在唯一的 ,使得 对任意 成立。易知算子  是一个 上连续线性自同态。由此可把 表示成如下等价形式:

 

要证明此命题,只要证得 是从 到 的双射。首先证明它是单射,再证它是满射。

从 的强制性,使用柯西-施瓦茨不等式,得到对任何 

 

从而知对任何 

  (*)。

这证明了 是单射。

要证明满射,考虑算子 在 内的像 。

不等式(*)表示,如 是柯西序列,那么  是 内的柯西序列。由 的完备性, 收敛至 。因 连续,得出 收敛至 。

 因此为 中的闭子空间,由投影定理可知 。

再设元素 ,从定义有 ,因此

 

故得 。所以 为 ,证得 是满射。

自同态 是双射,故在 内存在唯一的 使得 ,且可以由 得出。

附注

不用求出 ,有其范数的上界估计

 

其中 表示对偶空间 的范数。

对称情形

如果双线性型 对称,那么对所有 有:

 

因 是命题(1)的唯一解,有

 

从 的强制性有:

 

取 ,从上式有 对任意 成立,因而得到 的结果。

应用

这定理是有限元法的基础。实际上,若不在 内求 ,而是在 的有限 维子空间 内求 ,那么

  • 如果 对称,以 为内积, 是 的投影。
  • 给出 的基 ,上述问题化为求解线性方程组:
 

其中 , 。

泛函分析中的定理

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