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Weak formulation

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954: 1745: 1604: 1987: 1256: 2496: 1487: 792: 3087: 1067: 1134: 3267: 2613: 502: 2428: 1347: 2718: 1187: 826: 2233: 2049: 1021: 3009: 2866: 2300: 2815: 1911: 181: 1823: 613: 2536: 2126: 1664: 1310: 571: 1863: 355: 2335: 864: 212: 3150: 645: 2918: 1672: 120: 3178: 2363: 734: 708: 434: 297: 238: 2896: 1425: 680: 269: 1640: 1373: 2938: 2759: 2738: 2663: 2643: 2151: 2087: 1775: 1521: 1513: 1397: 853: 405: 377: 144: 91: 1922: 1198: 1434: 741: 34:. In a weak formulation, equations or conditions are no longer required to hold absolutely (and this is not even well defined) and has instead 1034: 2437: 2541: 441: 3378: 2370: 2672: 3383: 3373: 3189: 1996: 3277: 2820: 3019: 1074: 1273: 514: 3327: 3282: 1317: 1140: 799: 304: 2238: 2165: 962: 2947: 2244: 3012: 31: 2773: 1869: 656: 245: 1787: 583: 3311: 2512: 2096: 1646: 2159: 149: 1832: 46:, the solution space is constructed such that these equations or conditions are already fulfilled. 1492: 1754: 2941: 618: 3181: 2903: 2309: 1750: 1613: 1266: 186: 3157: 3097: 2342: 713: 687: 413: 276: 217: 3337: 2874: 1609: 1403: 1026: 3345: 8: 1619: 1376: 1352: 100: 3358: 2923: 2744: 2723: 2648: 2628: 2136: 2072: 1760: 1498: 1382: 838: 390: 362: 129: 76: 2665:. Since this implies in particular that no eigenvalue is zero, the system is solvable. 3323: 949:{\displaystyle \langle Au,e_{i}\rangle =\langle f,e_{i}\rangle ,\quad i=1,\ldots ,n.} 3341: 3315: 3307: 2505:
Here, application of the Lax–Milgram theorem is a stronger result than is needed.
3333: 1826: 1740:{\displaystyle \int _{\Omega }\nabla u\cdot \nabla v\,dx=\int _{\Omega }fv\,dx.} 3299: 2618: 648: 58: 27: 3319: 3367: 2129: 2090: 2063: 1782: 829: 507: 62: 39: 35: 856: 94: 1599:{\displaystyle -\int _{\Omega }(\nabla ^{2}u)v\,dx=\int _{\Omega }fv\,dx.} 61:
who proved it in 1954, provides weak formulations for certain systems on
2622: 1778: 123: 3295: 54: 23: 1982:{\displaystyle a(u,v)=\int _{\Omega }\nabla u\cdot \nabla v\,dx} 1251:{\displaystyle a(u,v)=\mathbf {v} ^{T}\mathbf {A} \mathbf {u} .} 410:
To bring this into the generic form of a weak formulation, find
3304:
Contributions to the theory of partial differential equations
1781:. The appropriate space to satisfy these requirements is the 1608:
The left side of this equation can be made more symmetric by
1777:
must be zero on the boundary, and have square-integrable
1482:{\displaystyle \langle u,v\rangle =\int _{\Omega }uv\,dx} 1193:
The bilinear form associated to this weak formulation is
787:{\displaystyle \langle Au,v\rangle =\langle f,v\rangle ,} 2062:
which relies on properties of the symmetric part of the
575: 3082:{\displaystyle |a(u,v)|\leq \|\nabla u\|\,\|\nabla v\|} 1749:
This is what is usually called the weak formulation of
1062:{\displaystyle \mathbf {A} \mathbf {u} =\mathbf {f} ,} 3192: 3160: 3100: 3022: 2950: 2926: 2906: 2877: 2823: 2776: 2747: 2726: 2675: 2651: 2631: 2544: 2515: 2491:{\displaystyle \|u\|\leq {\frac {1}{c}}\|f\|_{V'}\,.} 2440: 2373: 2345: 2312: 2247: 2168: 2139: 2099: 2075: 1999: 1925: 1872: 1835: 1790: 1763: 1675: 1649: 1622: 1524: 1501: 1437: 1406: 1385: 1355: 1320: 1276: 1201: 1143: 1077: 1037: 965: 867: 841: 802: 744: 716: 690: 659: 621: 586: 517: 444: 416: 393: 365: 307: 279: 248: 220: 189: 152: 132: 103: 79: 22:
are important tools for the analysis of mathematical
1491:to derive the weak formulation. Then, testing with 1129:{\displaystyle a_{ij}=\langle Ae_{j},e_{i}\rangle } 855:is a linear mapping, it is sufficient to test with 3261: 3172: 3144: 3081: 3003: 2932: 2912: 2890: 2860: 2809: 2753: 2732: 2712: 2657: 2637: 2607: 2530: 2490: 2422: 2357: 2329: 2294: 2227: 2145: 2120: 2081: 2043: 1981: 1905: 1857: 1817: 1769: 1739: 1658: 1634: 1598: 1507: 1481: 1419: 1391: 1367: 1341: 1304: 1250: 1181: 1128: 1061: 1015: 948: 847: 820: 786: 728: 702: 674: 639: 607: 565: 496: 428: 399: 371: 349: 291: 263: 232: 206: 175: 138: 114: 85: 3365: 2608:{\displaystyle |a(u,v)|\leq \|A\|\,\|u\|\,\|v\|} 1260: 497:{\displaystyle a(u,v)=f(v)\quad \forall v\in V,} 38:only with respect to certain "test vectors" or " 3306:, Annals of Mathematics Studies, vol. 33, 2423:{\displaystyle a(u,v)=f(v)\quad \forall v\in V} 1342:{\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{d}} 2713:{\displaystyle \|u\|\leq {\frac {1}{c}}\|f\|,} 2740:is the minimal real part of an eigenvalue of 1182:{\displaystyle f_{i}=\langle f,e_{i}\rangle } 821:{\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle } 651:. Then, the weak formulation of the equation 3215: 3208: 3202: 3193: 3076: 3067: 3063: 3054: 2992: 2982: 2852: 2843: 2831: 2824: 2704: 2698: 2682: 2676: 2602: 2596: 2592: 2586: 2582: 2576: 2470: 2463: 2447: 2441: 2279: 2272: 2218: 2212: 2209: 2203: 1450: 1438: 1176: 1157: 1123: 1094: 915: 896: 890: 868: 815: 803: 778: 766: 760: 745: 3262:{\displaystyle \|\nabla u\|\leq \|f\|_{'}.} 2765: 2500: 2228:{\displaystyle |a(u,v)|\leq C\|u\|\|v\|\,;} 2044:{\displaystyle f(v)=\int _{\Omega }fv\,dx.} 1016:{\displaystyle u=\sum _{j=1}^{n}u_{j}e_{j}} 3294: 2053: 1917:The generic form is obtained by assigning 30:to solve problems in other fields such as 3066: 3004:{\displaystyle |a(u,u)|=\|\nabla u\|^{2}} 2617:Coercivity: this actually means that the 2595: 2585: 2518: 2484: 2288: 2221: 2031: 1972: 1727: 1701: 1586: 1560: 1472: 1329: 595: 2861:{\displaystyle \|v\|_{V}:=\|\nabla v\|,} 2295:{\displaystyle a(u,u)\geq c\|u\|^{2}\,.} 26:that permit the transfer of concepts of 2669:Additionally, this yields the estimate 3366: 1865:and with zero boundary conditions, so 3359:MathWorld page on Lax–Milgram theorem 576:Example 1: linear system of equations 2810:{\displaystyle V=H_{0}^{1}(\Omega )} 2538:are bounded. In particular, we have 1906:{\displaystyle V=H_{0}^{1}(\Omega )} 1379:, and to specify the solution space 2870:where the norm on the right is the 2509:Boundedness: all bilinear forms on 2066:. It is not the most general form. 13: 3240: 3196: 3128: 3070: 3057: 2985: 2907: 2846: 2801: 2408: 2020: 1966: 1957: 1952: 1897: 1849: 1818:{\displaystyle H_{0}^{1}(\Omega )} 1809: 1716: 1695: 1686: 1681: 1653: 1650: 1575: 1542: 1533: 1461: 1321: 1281: 608:{\displaystyle V=\mathbb {R} ^{n}} 479: 68: 14: 3395: 3352: 3379:Numerical differential equations 2531:{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}} 2121:{\displaystyle a(\cdot ,\cdot )} 1659:{\displaystyle \partial \Omega } 1305:{\displaystyle -\nabla ^{2}u=f,} 1241: 1236: 1225: 1052: 1044: 1039: 566:{\displaystyle a(u,v):=(Au)(v).} 3384:Theorems in functional analysis 3302:(1954), "Parabolic equations", 2407: 921: 478: 176:{\displaystyle A\colon V\to V'} 3374:Partial differential equations 3247: 3243: 3237: 3219: 3135: 3131: 3125: 3107: 3047: 3043: 3031: 3024: 2975: 2971: 2959: 2952: 2920:(this provides a true norm on 2804: 2798: 2569: 2565: 2553: 2546: 2404: 2398: 2389: 2377: 2263: 2251: 2193: 2189: 2177: 2170: 2115: 2103: 2009: 2003: 1941: 1929: 1900: 1894: 1858:{\displaystyle L^{2}(\Omega )} 1852: 1846: 1812: 1806: 1554: 1538: 1217: 1205: 736:the following equation holds: 631: 557: 551: 548: 539: 533: 521: 475: 469: 460: 448: 341: 335: 326: 320: 317: 308: 240:is a solution of the equation 162: 32:partial differential equations 1: 3288: 2058:This is a formulation of the 1261:Example 2: Poisson's equation 350:{\displaystyle (Au)(v)=f(v).} 7: 3278:Babuška–Lax–Milgram theorem 3271: 3154:there is a unique solution 2339:there is a unique solution 10: 3400: 3312:Princeton University Press 3320:10.1515/9781400882182-010 3283:Lions–Lax–Milgram theorem 3184:and we have the estimate 3013:Cauchy–Schwarz inequality 2766:Application to example 2 2501:Application to example 1 1493:differentiable functions 640:{\displaystyle A:V\to V} 2913:{\displaystyle \Omega } 2330:{\displaystyle f\in V'} 2054:The Lax–Milgram theorem 1399:later, one can use the 359:A particular choice of 273:if and only if for all 207:{\displaystyle f\in V'} 3263: 3174: 3173:{\displaystyle u\in V} 3146: 3145:{\displaystyle f\in '} 3083: 3005: 2934: 2914: 2892: 2862: 2811: 2755: 2734: 2714: 2659: 2639: 2609: 2532: 2492: 2424: 2359: 2358:{\displaystyle u\in V} 2331: 2305:Then, for any bounded 2296: 2229: 2147: 2122: 2083: 2045: 1983: 1907: 1859: 1819: 1771: 1757:in the solution space 1741: 1660: 1636: 1600: 1509: 1483: 1421: 1393: 1369: 1343: 1306: 1252: 1183: 1130: 1063: 1017: 992: 950: 849: 822: 788: 730: 729:{\displaystyle v\in V} 704: 703:{\displaystyle u\in V} 676: 641: 609: 567: 498: 430: 429:{\displaystyle u\in V} 407:is a function space). 401: 373: 351: 293: 292:{\displaystyle v\in V} 265: 234: 233:{\displaystyle u\in V} 208: 177: 140: 116: 87: 3264: 3175: 3147: 3084: 3006: 2935: 2915: 2893: 2891:{\displaystyle L^{2}} 2863: 2812: 2756: 2735: 2715: 2660: 2645:are not smaller than 2640: 2610: 2533: 2493: 2425: 2360: 2332: 2297: 2230: 2148: 2123: 2084: 2046: 1984: 1908: 1860: 1820: 1772: 1742: 1661: 1637: 1601: 1510: 1484: 1422: 1420:{\displaystyle L^{2}} 1394: 1370: 1344: 1307: 1253: 1184: 1131: 1064: 1029:form of the equation 1018: 972: 951: 850: 823: 789: 731: 705: 677: 642: 610: 568: 499: 431: 402: 374: 352: 294: 266: 235: 209: 178: 141: 117: 88: 3314:, pp. 167–190, 3190: 3158: 3098: 3020: 2948: 2944:). But, we see that 2924: 2904: 2875: 2821: 2774: 2745: 2724: 2673: 2649: 2629: 2542: 2513: 2438: 2371: 2343: 2310: 2245: 2166: 2137: 2097: 2073: 1997: 1923: 1870: 1833: 1788: 1761: 1673: 1647: 1620: 1610:integration by parts 1522: 1499: 1435: 1404: 1383: 1353: 1318: 1274: 1199: 1141: 1075: 1035: 963: 958:Actually, expanding 865: 839: 800: 742: 714: 688: 675:{\displaystyle Au=f} 657: 619: 584: 515: 442: 414: 391: 363: 305: 277: 264:{\displaystyle Au=f} 246: 218: 187: 150: 130: 101: 77: 3236: 3124: 3093:Therefore, for any 2942:PoincarĂ© inequality 2797: 2060:Lax–Milgram theorem 1893: 1805: 1635:{\displaystyle v=0} 1368:{\displaystyle u=0} 51:Lax–Milgram theorem 3300:Milgram, Arthur N. 3259: 3222: 3182:Poisson's equation 3170: 3142: 3110: 3079: 3001: 2930: 2910: 2888: 2858: 2807: 2783: 2751: 2730: 2710: 2655: 2635: 2605: 2528: 2488: 2420: 2355: 2327: 2292: 2225: 2143: 2118: 2079: 2041: 1979: 1903: 1879: 1855: 1825:of functions with 1815: 1791: 1767: 1751:Poisson's equation 1737: 1656: 1632: 1616:and assuming that 1596: 1505: 1479: 1417: 1389: 1365: 1339: 1302: 1267:Poisson's equation 1248: 1179: 1126: 1059: 1013: 946: 845: 818: 784: 726: 710:such that for all 700: 672: 637: 605: 563: 494: 426: 397: 383:(in general) or a 369: 347: 289: 261: 230: 204: 173: 136: 115:{\displaystyle V'} 112: 83: 44:strong formulation 16:Mathematical tools 2933:{\displaystyle V} 2754:{\displaystyle A} 2733:{\displaystyle c} 2696: 2658:{\displaystyle c} 2638:{\displaystyle A} 2461: 2146:{\displaystyle V} 2082:{\displaystyle V} 1770:{\displaystyle V} 1508:{\displaystyle v} 1392:{\displaystyle V} 848:{\displaystyle A} 684:involves finding 400:{\displaystyle V} 372:{\displaystyle v} 139:{\displaystyle V} 86:{\displaystyle V} 20:Weak formulations 3391: 3348: 3308:Princeton, N. J. 3268: 3266: 3265: 3260: 3255: 3254: 3253: 3235: 3230: 3179: 3177: 3176: 3171: 3153: 3151: 3149: 3148: 3143: 3141: 3123: 3118: 3090: 3088: 3086: 3085: 3080: 3050: 3027: 3010: 3008: 3007: 3002: 3000: 2999: 2978: 2955: 2939: 2937: 2936: 2931: 2919: 2917: 2916: 2911: 2899: 2897: 2895: 2894: 2889: 2887: 2886: 2867: 2865: 2864: 2859: 2839: 2838: 2816: 2814: 2813: 2808: 2796: 2791: 2762: 2760: 2758: 2757: 2752: 2739: 2737: 2736: 2731: 2719: 2717: 2716: 2711: 2697: 2689: 2664: 2662: 2661: 2656: 2644: 2642: 2641: 2636: 2614: 2612: 2611: 2606: 2572: 2549: 2537: 2535: 2534: 2529: 2527: 2526: 2521: 2497: 2495: 2494: 2489: 2483: 2482: 2481: 2462: 2454: 2429: 2427: 2426: 2421: 2365:to the equation 2364: 2362: 2361: 2356: 2338: 2336: 2334: 2333: 2328: 2326: 2301: 2299: 2298: 2293: 2287: 2286: 2234: 2232: 2231: 2226: 2196: 2173: 2154: 2152: 2150: 2149: 2144: 2127: 2125: 2124: 2119: 2088: 2086: 2085: 2080: 2050: 2048: 2047: 2042: 2024: 2023: 1988: 1986: 1985: 1980: 1956: 1955: 1914: 1912: 1910: 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Index

equations
linear algebra
partial differential equations
weak solutions
test functions
Peter Lax
Arthur Milgram
Hilbert spaces
Banach space
dual space
bilinear form
linear mapping
inner product
basis vectors
matrix
Poisson's equation
boundary
differentiable functions
integration by parts
Green's identity
Poisson's equation
Functions
derivatives
Sobolev space
weak derivatives
bilinear form
Hilbert space
bilinear form
bounded
coercive

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