I ⇒ II。 令 j(ε)=J(u+εv),其中 u∈M, v∈M。于是
j′(0)=∫Ω∇v⋅∇u+vudx+∫∂Ωαuvdx−∫Ωfvdx−∫∂Ωgvdx=0
即
∫Ω(∇u⋅∇v+u⋅v−fv)dx+∫∂Ω(α(x)uv−gv)ds=0.
再验证 j′′(ε)=∫Ω(∣∇v∣2+v2)dx+∫∂Ωαv2dx>0.
II ⇒ I。 令 w=v−u∈M,考虑
J(u+w)−J(u)=∫Ω∇u⋅∇w+uw+21(∣∇w∣2+w2)dx+∫∂Ωα(uw+21w2)dx−∫Ωfwdx−∫∂Ωgwdx.
由条件带入 v=w.
得到
J(u+w)−J(u)=21∫Ω(∣∇w∣2+w2)dx+21∫∂Ωαw2dx⩾0
从而问题 II 的解 u 是 J(u) 的最小值点.
综上问题 I, II 等价.
II ⇒ III。 取 v∈C02,由 Green 公式
∫Ω(∇u⋅∇v+uv−fv)dx=∫Ω(−Δu+u−f)vdx=0
那么由 v 任意可得 −Δu+u=f. 再带回 II 得到
∫∂Ω(∂n∂u+αu−g)vds=0
从而 ∂n∂u+αu=g.
III ⇒ II。 由 Green 公式可得问题 II 的条件成立。
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