SOLUBILIDADEDEUMACLASSEDEPROBLEMASDEVIBRAÇÃOAMORTECIDOSCOMIMPULSOS UNIVERSIDADEESTADUALDEMARINGÁCENTRODECIÊNCIASEXATASDEPARTAMENTODEMATEMÁTICAPROGRAMADEPÓS-GRADUAÇÃOEMMATEMÁTICA

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MATEMÁTICA

(Mestrado)

MARIANA APARECIDA CANIATTO

SOLUBILIDADE DE UMA CLASSE DE PROBLEMAS DE VIBRAÇÃO AMORTECIDOS COM IMPULSOS

Maringá-PR

2018

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM MATEMÁTICA

SOLUBILIDADE DE UMA CLASSE DE PROBLEMAS DE VIBRAÇÃO AMORTECIDOS COM IMPULSOS

M ARIANA A PARECIDA C ANIATTO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Matemática da Universidade Esta- dual de Maringá - UEM-PR, como parte dos requi- sitos necessários à obtenção do grau de Mestre.

Área de concentração: Análise.

Orientadora: Prof

^a

. Dr

^a

. Claudete Matilde Webler Martins.

Maringá-PR

2018

Dados Internacionais de Catalogação na Publicação (CIP) (Biblioteca Setorial BSE-DMA-UEM, Maringá, PR, Brasil) Caniatto, Mariana Aparecida

C223s Solubilidade de uma classe de problemas de vibração amortecidos com impulsos / Mariana Aparecida Caniatto.

– Maringá, 2018.

107 f. : il.

Orientadora: Prof.ª Dr.ª Claudete Matilde Webler Martins.

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Maringá, Centro de Ciências Exatas, Programa de Pós- Graduação em Matemática - Área de Concentração:

Análise, 2018.

1. Equações diferenciais impulsivas. 2. Ponto crítico. 3. Método variacional. 4. Equações diferenciais parciais. 5. Impulsive differential equations. 6. Critical point. 7. Variational method.

8. Partial differential equations. I. Martins, Claudete Matilde Webler, orient. II. Universidade Estadual de Maringá, Centro de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Matemática - Área de Concentração: Análise. III. Título.

CDD 22.ed. 515.353 Edilson Damasio CRB9-1.123

Agradeço primeiramente a Deus, pela força e coragem a mim concedida nos mo- mentos difíceis para que eu conseguisse alcançar meu objetivo.

Aos meus colegas de turma, pelos momentos compartilhados.

A todos os professores que contribuíram para a minha formação, em especial, a minha orientadora Claudete, pela paciência e dedicação.

À minha família pelo carinho e incentivo, sem os quais nada disso seria possível.

Finalmente agradeço à CAPES, pelo apoio financeiro, que foi fundamental para que

eu pudesse me dedicar exclusivamente aos estudos.

Neste trabalho, consideramos uma classe de problemas de vibração amortecidos com impulsos. Obtemos resultados de existência utilizando o método variacional e teorema do ponto crítico. Apresentamos um exemplo para ilustrar a viabilidade e a eficácia dos resultados.

Palavras-chave: Equações diferenciais impulsivas, ponto crítico, método variacional.

In this work, we consider a class of impulsive damped vibration problems. We obtain existence results by using variational method and critical point theorem. An example is presented to ilustrate the feasibility and effectiveness of the results.

Keywords: Impulsive differential equations, critical point, variational method.

Introdução 9

1 Resultados Preliminares 11

2 Método Direto do Cálculo de Variações 21

3 Solubilidade de uma classe de problemas de vibração amortecidos com im-

pulsos 47

Bibliografia 105

Baseados no artigo [3], estudamos a existência de solução do seguinte problema de vibração com saltos:

u

⁰⁰

(t) + g(t)u

⁰

(t) = ∇F (t, u(t)), (0.1) para quase todo t ∈ [0, T ] ,

u(0) − u(T ) = u

⁰

(0) − u

⁰

(T ) = 0, (0.2) com condições impulsivas

4(u

⁰ⁱ

(t

_j

)) = I

_ij

(u

ⁱ

(t

_j

)), i = 1, 2, ..., N, j = 1, 2, ..., p, (0.3) onde u(t) = (u

¹

(t), u

²

(t), ..., u

^N

(t)), T > 0, t

₀

= 0 < t

₁

< t

₂

< ... < t

_p

< t

_p+1

= T , g ∈ L

¹

(0, T ; R ), R

T

0

g(t)dt = 0, 4(u

⁰ⁱ

(t

_j

)) = u

⁰ⁱ

(t

⁺_j

) − u

⁰ⁱ

(t

⁻_j

), onde u

⁰ⁱ

(t

⁺_j

) e u

⁰ⁱ

(t

⁻_j

) denotam os limites à direita e à esquerda de u

⁰ⁱ

(t) em t = t

_j

, respectivamente. As funções impulsivas I

_ij

: R −→ R (i = 1, 2, ..., N, j = 1, 2, ..., p) são contínuas, ∇F (t, x) é o gradiente de F : [0, T ]× R

^N

−→ R com relação a x , e F satisfaz hipóteses apropriadas.

Mawhin e Willem estudaram em [4] as soluções periódicas de (0.1)-(0.3) quando g ≡ 0 e I

_ij

≡ 0, i = 1, 2, ..., N , j = 1, 2, ..., p , e obtiveram uma série de resultados. Eles provaram que se

k ∇F (t, x) k≤ g (t),

para algum g ∈ L

¹

(0, T ) e Z

T

0

F (t, x)dt → +∞ quando k x k→ +∞,

então o problema (0.1)-(0.3) (com g ≡ 0 ≡ I

_ij

, i = 1, 2, ..., N e j = 1, 2, ..., p ) tem pelo menos uma solução. Zhou e Li estabeleceram em [13] algumas condições suficientes para a existência de soluções para o problema (0.1)-(0.3) com g ≡ 0 . As soluções são encontradas usando técnicas que envolvem pontos críticos de um certo operador.

Muitos processos de evolução são caracterizados pelo fato de que em certos mo- mentos eles sofrem uma mudança abrupta de estado. Estes processos estão sujeitos às perturbações de curto prazo cuja duração é insignificante em comparação com a du- ração destes processos. Consequentemente, é natural assumir que estas perturbações são instantâneas, isto é, na forma de impulsos. Equações diferenciais impulsivas, isto é, equações diferenciais envolvendo efeitos de impulso, aparecem como uma descrição natural de fenômenos de evolução observados em vários problemas do mundo real, como podemos ver em [11].

A fim de aplicar a teoria de ponto crítico, construímos uma estrutura variacional.

Com esta estrutura, reduzimos o problema de encontrar soluções de (0.1)-(0.3) a pro- curar por pontos críticos de um funcional correspondente a este problema.

Esta dissertação esta organizada da seguinte maneira. No Capítulo 1, apresentamos

as notações, terminologias e resultados preliminares essenciais ao desenvolvimento

dos capítulos subsequentes. No Capítulo 2, introduzimos os conceitos de derivada

fraca, espaço de Sobolev e alguns resultados de cálculo variacional. Concluímos o

Capítulo 2 com um resultado que estabelece uma condição suficiente para a existência

de solução do problema dado por (0.1)-(0.2) com g ≡ 0. Por fim, no Capítulo 3, são

apresentados resultados de [3], que estabelecem condições suficientes para a existência

de solução fraca para o problema descrito por (0.1)-(0.3). Concluímos este trabalho com

um exemplo para ilustrar resultados aqui apresentados.

RESULTADOS PRELIMINARES

Neste capítulo, apresentamos as notações e os resultados fundamentais utiliza- dos no desenvolvimento deste trabalho, introduzindo alguns conceitos e resultados de Análise Funcional, sem enfoque nas demonstrações, porém, indicamos referências bibliográficas onde as quais podem ser encontradas.

Denotamos por x = (x

₁

, x

₂

, ..., x

_N

) um elemento de R

^N

e por K o corpo dos números reais ou complexos. Além disso, (., .) denota o produto interno usual em R

^N

, k . k a norma euclidiana e | . | o módulo de um número real. Também denotamos por N o conjunto dos números naturais e por N

^∗

= {1, 2, 3, ...}.

Seja Ω um aberto do R

^N

. Denotaremos por L

^p

(Ω) , 1 ≤ p ≤ +∞ , o espaço de Banach das (classes de) funções definidas em Ω com valores em K, tais que | u |

^p

é integrável no sentido de Lebesgue em Ω , com norma

k u k

_L^p

= Z

Ω

| u(x) |

^p

dx

¹_p

,

para 1 ≤ p < +∞, e essencialmente limitadas em Ω, Ω com a medida de Lebesgue, com norma

k u k

_L^∞

= supess | u(x) |,

para p = +∞.

A seguir, apresentamos os principais resultados utilizados neste trabalho relaciona- dos ao espaço L

^p

(Ω).

Proposição 1.0.1. (Desigualdade de H o ¨ lder) Seja E ⊂ R um conjunto mensurável, 1 ≤ p <

∞, e q o expoente conjugado de p, isto é,

¹_p

+

¹_q

= 1. Se f ∈ L

^p

(E) e g ∈ L

^q

(E), então f g é integrável sobre E e

k f g k

_L¹

≤k f k

_L^p

k g k

_L^q

. Demonstração. Veja [5], página 140.

Proposição 1.0.2. Sejam E um conjunto de medida finita e f uma função mensurável em E . Se f é integrável sobre E, então para cada > 0, existe δ > 0 tal que se A ⊂ E é mensurável e med(A) < δ , onde med denota a medida de Lebesgue de um determinado conjunto, então,

Z

A

| f |< .

Demonstração. Veja Proposição 23 em [5], página 92.

Observação 1.0.3. De acordo com as referências [8] e [9], se f é uma função de período T > 0 e f ∈ L

^p

(E), onde E ⊂ R , para 1 < p < ∞, então a série de Fourier de f, dada por

+∞

X

k=−∞

f(k)e ˆ

^2πikxT

, (1.1)

onde

f(k) = ˆ 1 T

Z

T 0

f(x)e

^−2πikxT

dx, converge em quase todo ponto de E.

Seja f ∈ L

^p

(E) uma função periódica de período T . Denotaremos por S

_N

f a N- ésima soma parcial simétrica da série dada em (1.1), isto é,

S

N

f(x) =

N

X

k=−N

f(k)e ˆ

^2πikxT

.

Lema 1.0.4. S

_N

f converge a f na norma L

^p

(E), 1 ≤ p < ∞ se, e somente se, existe uma

constante C

_p

> 0 independente de N tal que

k S

_N

f k

_L^p

≤ C

_p

k f k

_L^p

.

Demonstração. Veja [9], página 8.

Proposição 1.0.5. (Igualdade de Parseval) Se f ∈ L

²

(E) e f tem período T > 0, então 1

T Z

T

0

| f (x) |

²

dx = | f(0) ˆ |

²

2 +

+∞

X

k=−∞

| f(k) ˆ |

²

.

Demonstração. Veja [8], página 38.

Definição 1.0.6. Seja X um espaço normado. Uma função ϕ : X −→ (−∞, +∞] é convexa se

ϕ((1 − λ)u + λv) ≤ (1 − λ)ϕ(u) + λϕ(v), para todo λ ∈ (0, 1) e u, v ∈ X.

Proposição 1.0.7. (Desigualdade de Jensen) Sejam ϕ uma função convexa em (−∞, +∞) , f uma função integrável sobre [0, 1] e ϕ ◦ f também integrável sobre [0, 1]. Então,

ϕ Z

1

0

f(x)dx

≤ Z

1

0

(ϕ ◦ f )(x)dx.

Demonstração. A prova pode ser encontrada em [5], na página 133.

Teorema 1.0.8. (Teorema da Convergência Uniforme) Seja (f

_k

) uma sequência de funções Lebesgue-integráveis em um conjunto de medida finita E. Se f

_k

converge uniformemente a f , então f é Lebesgue-integrável em E e

Z

E

f

_k

→ Z

E

f.

Demonstração. A prova deste resultado corresponde a demonstração do Teorema 5.33 em [2].

Definição 1.0.9. Sejam E um espaço de Banach, E

⁰

seu dual (dotado da norma k f k

_E⁰

= sup

{x∈E;kxk≤1}

|< f, x >|) e E

⁰⁰

seu bidual, isto é, o dual de E

⁰

(dotado da norma k ξ k

E⁰⁰

=

sup

{f∈E⁰;kfk≤1}

|< ξ, f >|), a injeção canônica

J : E −→ E

⁰⁰

é definida como segue.

Seja x ∈ E fixo, a aplicação

f 7−→< f, x >

de E

⁰

em R é uma forma linear contínua sobre E

⁰

, isto é, um elemento de E

⁰⁰

. Assim, coloca-se,

< J

_x

, f >

_E⁰⁰_,E⁰

=< f, x >

_E⁰_,E

, ∀x ∈ E, ∀f ∈ E

⁰

.

Definição 1.0.10. Sejam E um espaço de Banach e J a injeção canônica de E em E

⁰⁰

. Diz-se que E é reflexivo se a aplicação J for sobrejetora, isto é, J(E) = E

⁰⁰

.

Proposição 1.0.11. Sejam Ω um aberto do R

^N

. Para 1 < p < +∞ , L

^p

(Ω) é reflexivo.

Demonstração. Veja página 284 em [5].

Proposição 1.0.12. Suponhamos que E é um espaço de Banach reflexivo e seja M ⊂ E um subespaço fechado de E . Então, M é reflexivo.

Demonstração. Ver página 70 em [10].

Sejam E um espaço de Banach e f ∈ E

⁰

. Designamos por ϕ

f

: E −→ R a aplicação dada por

ϕ

_f

(x) =< f, x > .

Quando f percorre E

⁰

, se obtém uma família (ϕ

_f

)

f∈E⁰

de aplicações de E em R.

Definição 1.0.13. A topologia fraca σ(E, E

⁰

) sobre E é a topologia menos fina sobre E que torna contínuas todas as aplicações (ϕ

_f

)

_f∈E⁰

.

Dada uma sequência (x

_n

) ⊂ E, denotamos por x

_n

* x, a convergência de x

_n

a x na topologia fraca σ(E, E

⁰

).

Teorema 1.0.14. Sejam E um espaço de Banach reflexivo e (x

_n

) uma sequência limitada em

E . Então, existe uma subsequência (x

_nk

) de (x

_n

) que converge na topologia σ(E, E

⁰

) , isto é,

x

_nk

* x para algum x ∈ E.

Demonstração. Ver Proposição III.27 em [1].

Definição 1.0.15. Dizemos que uma função F : [a, b] → R é absolutamente contínua se, dado > 0, existe δ > 0 tal que para qualquer coleção (finita ou não) de sub-intervalos disjuntos [a

_i

, b

_i

] , temos

X

i

(b

_i

− a

_i

) < δ ⇒ X

i

| F (b

_i

) − F (a

_i

) |< .

Definição 1.0.16. Seja X um espaço de Banach sobre R dotado da norma k . k

_X

. Vamos denotar por C

¹

(X, R ), o conjunto da funções f : X −→ R que possuem a derivada contínua.

Dada f ∈ C

¹

(X, R ) , dizemos que f satisfaz a condição (PS) se qualquer sequência (u

_n

) ⊂ X para a qual (f(u

n

)) é limitada e f

⁰

(u

n

) −→ 0 quando n −→ ∞ possui uma subsequência convergente.

A seguir, denotamos por D o fecho de um conjunto D e por ∂D a fronteira do conjunto D .

Teorema 1.0.17. (Teorema do Ponto de Sela) Seja X = V ⊕ W um espaço de Banach, onde dim V < ∞ , e seja ϕ ∈ C

¹

(X; R ) um funcional satisfazendo a condição (PS). Se D é uma vizinhança limitada de 0 em V tal que

a := max

∂D

ϕ < inf

W

ϕ =: b, então

c := inf max

h∈τ,u∈D¯

ϕ(h(u))

é um valor crítico de ϕ com c ≥ b. (Aqui τ é uma classe de transformações de D em X que fixam ∂D pontualmente, isto é, τ = {h ∈ C( ¯ D, X); h(u) = u, ∀u ∈ ∂D}. )

Demonstração. Veja página 41 em [12].

Definição 1.0.18. Seja X um espaço normado. Uma sequência minimizante para uma função ϕ : X −→ (−∞, +∞] é uma sequência (u

_k

) em X tal que ϕ(u

_k

) −→ inf ϕ quando k −→ ∞ . Definição 1.1. Seja f : X −→ (−∞, +∞] uma aplicação definida em um espaço nor- mado X . Dizemos que f é coerciva se

f(u) → +∞ quando k u k

X

→ +∞.

Proposição 1.2. Seja X um espaço normado. Se ϕ : X −→ R é limitada inferiormente em X e é uma aplicação coerciva, então ϕ possui uma sequência minimizante limitada em X .

Demonstração. De fato, uma vez que ϕ é limitada inferiormente, existe uma sequência (ϕ(u

_k

)) ⊂ R tal que

ϕ(u

k

) → inf ϕ quando k → +∞.

Ou seja, (u

k

) é uma sequência minimizante para ϕ. Suponhamos, por absurdo que, (u

_k

) não seja limitada, então k u

_k

k

_X

→ +∞ . Assim, ϕ(u

_k

) → +∞ , pois ϕ é coerciva.

Mas, isto é um absurdo, visto que a sequência (ϕ(u

k

)) é convergente. Portanto, (u

k

) é uma sequência minimizante limitada para ϕ .

A seguir, denotamos o lim inf

k→∞

ϕ(u

_k

) por limϕ(u

_k

) .

Definição 1.0.19. Seja X um espaço normado. Uma função ϕ : X −→ (−∞, +∞] é dita semi- contínua inferiormente (respectivamente fracamente semi-contínua inferiormente), se para toda sequência (u

_k

) em X

u

_k

→ u ⇒ limϕ(u

_k

) ≥ ϕ(u) (respectivamente,

u

_k

* u ⇒ limϕ(u

_k

) ≥ ϕ(u)).

Proposição 1.0.20. Seja X um espaço normado. Se φ : X −→ (−∞, +∞] e ϕ : X −→

(−∞, +∞] são funções semi-contínuas inferiormente (respectivamente, fracamente semi-contínuas inferiormente), então

(i) φ + ϕ é semi-contínua inferiormente (respectivamente fracamente semi-contínua inferior- mente).

(ii) φ.ϕ é semi-contínua inferiormente (respectivamente fracamente semi-contínua inferior- mente).

(iii) Se (ψ

_λ

)

λ∈Λ

é uma família de funções semi-contínuas inferiormente (respectivamente fra- camente semi-contínuas inferiormente), então a função sup

λ∈Λ

ψ

_λ

definida por

sup

λ∈Λ

ψ

_λ

(u) = sup

λ∈Λ

ψ

_λ

(u)

é semi-contínua inferiormente (respectivamente fracamente semi-contínua inferiormente).

Demonstração. Os itens (i) e (ii) seguem diretamente da definição de semi-contínua in- feriormente (respectivamente, fracamente semi-contínua inferiormente). O item (iii) segue diretamente das definições de supremo e semi-contínua inferiormente (respecti- vamente, fracamente semi-contínua inferiormente).

Teorema 1.0.21. Se ϕ é fracamente semi-contínua inferiormente em um espaço de Banach reflexivo X e tem uma sequência minimizante limitada, então ϕ tem um mínimo em X .

Demonstração. Seja (u

_k

) uma sequência minimizante limitada para a função ϕ . Pelo Teorema 1.0.14, existe uma subsequência (u

_kj

) que converge fracamente para algum u ∈ X . Assim,

ϕ(u) ≤ limϕ(u

_kj

) = lim ϕ(u

_kj

) = inf ϕ.

Portanto,

ϕ(u) = inf ϕ, donde segue que ϕ tem um mínimo em X .

Teorema 1.0.22. (Teorema de Mazur) Se (u

_k

) é uma sequência em um espaço normado X tal que u

_k

* u , então existe uma subsequência de combinações convexas

v

_k

=

k

X

j=1

α

_kj

u

_j

,

k

X

j=1

α

_kj

= 1, α

_kj

≥ 0(k ∈ N

^∗

)

tais que v

_k

→ u em X .

Demonstração. Veja página 350 em [7].

Lema 1.0.23. Se X é um espaço normado e ϕ : X −→ (−∞, +∞] é semi-contínua inferior- mente e convexa, então ϕ é fracamente semi-contínua inferiormente.

Demonstração. Veja Teorema 1.2 em [4].

Teorema 1.0.24. Seja X um espaço normado. Se ϕ : X −→ R é diferenciável, então todo ponto de mínimo local (respectivamente, máximo local) satisfaz a equação de Euler

ϕ

⁰

(u) = 0.

Demonstração. Veja Teorema 1.3 em [4].

O Teorema acima nos diz que se u é um ponto de mínimo ou máximo local de ϕ, então u é um ponto crítico de ϕ .

Definição 1.0.25. Sejam E e F espaços vetoriais normados. Denotamos por L(E, F ) o espaço dos operadores lineares contínuos de E em F dotado da norma

k T k

L(E,F)

= sup

{x∈E,kxk_E≤1}

k T x k

_F

.

Teorema 1.0.26. (Banach-Steinhaus) Sejam E e F espaços de Banach e (T

_i

)

i∈I

uma família (não necessariamente enumerável) de operadores lineares e contínuos de E em F . Suponhamos que

sup

i∈I

k T

_i

x k

_F

< +∞, ∀x ∈ E.

Então,

sup

i∈I

k T

_i

k

_L(E,F)

< +∞.

Dito de outro modo, existe uma constante c > 0 tal que k T

_i

x k

_F

≤ c k x k

_E

∀x ∈ E, ∀i ∈ I.

Demonstração. Veja Teorema II.1 em [1].

Proposição 1.0.27. Sejam E um espaço de Banach, f ∈ E

⁰

e (x

_n

) uma sequência em E . Se verifica:

(i) x

_n

* x em σ(E, E

⁰

) ⇔ < f, x

_n

>→< f, x >, ∀f ∈ E

⁰

. (ii) Se x

n

→ x, então x

n

* x em σ(E, E

⁰

).

(iii) Se x

_n

* x em σ(E, E

⁰

) , então (x

_n

) é limitada e k x k

_E

≤ lim inf k x

_n

k

_E

.

(iv) Se x

_n

* x em σ(E, E

⁰

) e se f

_n

→ f em E

⁰

(isto é, k f

_n

−f k

_E⁰

→ 0), então < f

_n

, x

_n

>→<

f, x > .

Demonstração. Veja Proposição III.5 em [1].

Definição 1.0.28. Sejam X um espaço de Banach real e T > 0. Definimos C(0, T ; X) como sendo o espaço das funções v : [0, T ] → X que são contínuas no intervalo fechado [0, T ] , com norma

k v k

_C(0,T;X)

= max

t∈[0,T]

k v(t) k

_X

.

Definição 1.0.29. Seja Ω ⊂ R

^N

. Vamos denotar por C

^∞

(Ω) o espaço das funções f : Ω → R

^N

x 7→ f (x)

que são infinitamente diferenciáveis. Dotamos tal espaço da seguinte norma k f k

∞

= max

x∈Ω

k f(x) k .

Definição 1.0.30. Seja E um conjunto de funções f : I → R , todas com o mesmo domínio I ⊂ R. Dado x

₀

∈ I , dizemos que o conjunto E é equicontínuo no ponto x

₀

quando, dado arbitrariamente > 0, existir δ > 0 tal que

x ∈ I, |x − x

₀

| < δ ⇒ |f (x) − f (x

₀

)| < ,

qualquer que seja f ∈ E. Ainda, diz-se que (f

n

) é uma sequência equicontínua no ponto x

0

∈ I quando o conjunto E = {f

₁

, f

₂

, ...} é equicontínuo no ponto x

₀

.

Definição 1.0.31. Um conjunto E de funções f : I → R chama-se equicontínuo quando E é equicontínuo em todos os pontos x

₀

∈ I. Analogamente, uma sequência de funções (f

_n

) é equicontínua quando é equicontínua em todos os pontos x

₀

∈ I .

Definição 1.0.32. Um conjunto E de funções f : I → R chama-se uniformemente equicontí- nuo quando, para cada > 0 dado, existe δ > 0 tal que

x, y ∈ I, |x − y| < δ ⇒ |f (x) − f(y)| < , ∀f ∈ E.

Teorema 1.0.33. Se uma sequência equicontínua de funções f

_n

: I → R converge simples- mente num subconjunto denso D ⊂ I, então (f

_n

) converge uniformemente em cada parte compacta K ⊂ I .

Demonstração. Veja Teorema 20, página 410 de [6].

Definição 1.0.34. Um conjunto E de funções f : I → R diz-se simplesmente limitado (ou

pontualmente limitado) quando para cada x ∈ I existe um número c

_x

> 0 tal que |f (x)| ≤

c

_x

, ∀f ∈ E.

Definição 1.0.35. Um conjunto E de funções f : I → R diz-se uniformemente limitado quando existe c > 0 tal que |f (x)| ≤ c para toda f ∈ E e todo x ∈ I .

Definição 1.0.36. Uma sequência (f

_n

) diz-se simplesmente (ou uniformemente) limitada quando o conjunto {f

₁

, f

₂

, ...} for simplesmente (ou uniformemente) limitado.

Teorema 1.0.37. (Ascoli-Arzelá) Seja K ⊂ R um compacto. Toda sequência equicontínua e simplesmente limitada de funções f

_n

: K → R possui uma subsequência uniformemente convergente.

Demonstração. Veja Teorema 22, página 412 em [6].

MÉTODO DIRETO DO CÁLCULO DE VARIAÇÕES

Introduzimos neste capítulo os conceitos de derivada fraca e algumas de suas pro- priedades. Definimos o espaço de Sobolev W

_T^1,p

e apresentamos alguns resultados im- portantes para o desenvolvimento deste trabalho. Nossa principal referência é [4].

Seja C

_T^∞

o espaço das funções T -periódicas infinitamente diferenciáveis de R em R

^N

.

Lema 2.0.1. (Lema Fundamental) Sejam u, v ∈ L

¹

(0, T ; R

^N

) . Se para toda f ∈ C

_T^∞

, Z

T

0

(u(t), f

⁰

(t)) dt = − Z

T

0

(v(t), f(t)) dt, (2.1) então

Z

T 0

v(s)ds = 0 (2.2)

e existe C ∈ R

^N

tal que

u(t) = Z

t

0

v(s)ds + C, (2.3)

quase sempre em [0, T ].

Demonstração. Denotemos por (e

j

) a base canônica de R

^N

. Podemos escolher as fun- ções constantes f(t) = e

_j

em (2.1), o que nos dá

Z

T 0

(u(t), 0)dt = − Z

T

0

(v (t), e

_j

)dt, j = 1, 2, ..., N,

o que implica que

Z

T 0

(v(t), e

_j

)dt = 0, j = 1, 2, ..., N, e, portanto,

Z

T 0

v

^j

(t)dt = 0, j = 1, 2, ..., N.

Logo,

Z

T 0

v(s)ds = Z

T

0

((v(s), e

₁

), (v(s), e

₂

), ..., (v(s), e

_N

)) ds

= Z

T

0

v

¹

(s), ..., v

^N

(s) ds

= Z

T

0

v

¹

(s)ds, ..., Z

T

0

v

^N

(s)ds

= 0, provando (2.2).

Definamos w ∈ C(0, T ; R

^N

) por w(t) =

Z

t 0

v(s)ds,

de modo que,

Z

T 0

(w(t), f

⁰

(t))dt = Z

T

0

Z

t 0

(v(s), f

⁰

(t))ds

dt.

Pelo Teorema de Fubini e (2.2), temos que Z

T

0

(w(t), f

⁰

(t))dt = Z

T

0

Z

t 0

(v(s), f

⁰

(t))ds

dt

= Z

T

0

Z

T s

(v(s), f

⁰

(t))dt

ds

= Z

T

0

(v(s), f (T ) − f (s))ds

= Z

T

0

(v(s), f (T ))ds − Z

T

0

(v(s), f(s))ds

= Z

T

0 N

X

i=1

v

ⁱ

(s)f

ⁱ

(T )ds − Z

T

0

(v (s), f(s))ds

=

N

X

i=1

Z

T 0

v

ⁱ

(s)f

ⁱ

(T )ds − Z

T

0

(v (s), f(s))ds

=

N

X

i=1

f

ⁱ

(T ) Z

T

0

v

ⁱ

(s)ds − Z

T

0

(v (s), f (s))ds

(2.4)

= − Z

T

0

(v(s), f (s))ds.

Por (2.4) e (2.1), para toda f ∈ C

_T^∞

, Z

T

0

(u(t) − w(t), f

⁰

(t))dt = 0. (2.5)

Seja g = u − w. A série de Fourier de g é dada por

∞

X

−∞

ˆ

g(k) exp

2πikx T

,

sendo g(k) ˆ os coeficientes de g , ou seja,

ˆ

g(k) = 1 T

Z

T 0

g(x) exp

− 2πikx T

dx

= 1 T

Z

T 0

g(x)

cos

2πkx T

− isen

2πkx T

dx

= 1 T

Z

T 0

g(x) cos

2πkx T

dx − i T

Z

T 0

g(x)sen

2πkx T

dx.

Tomando

f (t) = sen

2πkt T

e

_j

, k ∈ N − {0}, 1 ≤ j ≤ N e

f (t) = cos

2πkt T

e

j

, k ∈ N − {0}, 1 ≤ j ≤ N,

obtemos por (2.5) que os coeficientes de Fourier de g são todos nulos para k 6= 0.

Considerando

S

N

g(x) =

N

X

k=−N

ˆ

g(k)e

^2πikxT

= ˆ g(0), temos que g satisfaz as hipóteses do Lema 1.0.4, pois

ˆ

g(0) = 1 T

Z

T 0

g(x)dx ≤ 1

T k g k

_L¹

, logo

k S

_N

g k

_L¹

≤ 1

T k g k

_L¹

.

Portanto, a série de Fourier de g converge quase sempre, o que implica que g = ˆ g(0)

quase sempre em [0, T ]. O resultado segue considerando C = ˆ g(0).

Definição 2.0.2. Uma função v ∈ L

¹

(0, T ; R

^N

) satisfazendo (2.1) é chamada derivada fraca de u. A derivada fraca de u é denotada por u

⁰

.

Observação 2.0.3. A derivada fraca, se existir, é única.

De fato, suponhamos que existam v, ¯ v ∈ L

¹

(0, T ; R

^N

) satisfazendo (2.1). Então, para toda f ∈ C

_T^∞

, temos

Z

T 0

(u(t), f

⁰

(t))dt = − Z

T

0

(v(t), f (t))dt e

Z

T 0

(u(t), f

⁰

(t))dt = − Z

T

0

(¯ v(t), f(t))dt.

Disto, segue que

Z

T 0

(v(t) − ¯ v(t), f(t))dt = 0, ∀f ∈ C

_T^∞

. (2.6)

Seja g = v − v ¯ . A série de Fourier de g é dada por

∞

X

−∞

ˆ

g(k) exp

2πikx T

,

com

ˆ

g(k) = 1 T

Z

T 0

g(x) exp

− 2πikx T

dx

= 1 T

Z

T 0

g(x)

cos

2πkx T

− isen

2πkx T

dx

= 1 T

Z

T 0

g(x) cos

2πkx T

dx − i T

Z

T 0

g(x)sen

2πkx T

dx.

Tomando

f (t) = sen

2πkt T

e

_j

, k ∈ N − {0}, 1 ≤ j ≤ N e

f (t) = cos

2πkt T

e

_j

, k ∈ N − {0}, 1 ≤ j ≤ N,

obtemos por (2.6), que os coeficientes de Fourier de g são todos nulos para k 6= 0 .

Tomando

S

_N

g(x) =

N

X

k=−N

ˆ

g(k)e

^2πikxT

= ˆ g(0), temos que g satisfaz as hipóteses do Lema 1.0.4, pois

ˆ

g(0) = 1 T

Z

T 0

g(x)dx ≤ 1

T k g k

_L¹

, logo

k S

_N

g k

_L¹

≤ 1

T k g k

_L¹

.

Portanto, a série de Fourier de g converge quase sempre, o que implica que g = ˆ g(0) quase sempre em [0, T ] .

Temos por (2.2),

ˆ

g(0) = 1 T

Z

T 0

v(x)dx − 1 T

Z

T 0

¯

v(x)dx = 0.

Assim, v = ¯ v quase sempre em [0, T ] .

Observação 2.0.4. (i) Pelo Lema 2.0.1, se u ∈ L

¹

(0, T ; R

^N

) , então

u(t) = Z

t

0

u

⁰

(s)ds + C quase sempre em [0, T ], onde C é uma constante.

Identificamos a classe de equivalência de u e seu representante contínuo por

ˆ u(t) =

Z

t 0

u

⁰

(s)ds + C. (2.7)

Em particular, por (2.2), temos que u(0) = u(T ) = C e

u(t) = u(τ) + Z

t

τ

u

⁰

(s)ds, para t, τ ∈ [0, T ].

(ii) Segue diretamente do Teorema Fundamental do Cálculo que se u

⁰

é contínua em

[0, T ], então por (2.7), u

⁰

é a derivada clássica de u, isto é, u = ˆ u. Também, segue que u

⁰

é a derivada clássica de u quase sempre em [0, T ] , pois u

⁰

∈ L

¹

(0, T ; R

^N

) , assim, u

⁰

tem

representante contínuo que é igual a u

⁰

a menos de um conjunto de medida nula.

Definição 2.0.5. Seja 1 < p < ∞. O espaço de Sobolev W

_T^1,p

é o espaço das funções u ∈ L

^p

(0, T ; R

^N

) tendo a derivada fraca u

⁰

∈ L

^p

(0, T ; R

^N

) . A norma em W

_T^1,p

é definida por

k u k

_1,T

= Z

T

0

k u(t) k

^p

dt + Z

T

0

k u

⁰

(t) k

^p

dt

¹p

.

Observação 2.0.6. Se u ∈ W

_T^1,p

, então u(t) =

Z

t 0

u

⁰

(s)ds + C

e u(0) = u(T ) = C.

Denotamos por H

_T¹

o espaço de Sobolev W

_T^1,2

, isto é, H

_T¹

= {{u : [0, T ] → R

^N

; u ∈ L

²

(0, T ; R

^N

) , u(0) = u(T ) e u

⁰

∈ L

²

(0, T ; R

^N

)} .

Teorema 2.0.7. W

_T^1,p

é um espaço de Banach reflexivo e C

_T^∞

⊂ W

_T^1,p

.

Demonstração. Primeiramente, vamos mostrar que W

_T^1,p

é um espaço de Banach. De fato, seja (u

_n

) ⊂ W

_T^1,p

uma sequência de Cauchy. Então, dado > 0, existe n

₀

∈ N tal que se m, n > n

₀

então

k u

n

− u

m

k

^p_1,T

=k u

n

− u

m

k

^p_Lp

+ k u

⁰_n

(t) − u

⁰_m

(t) k

^p_Lp

< .

Disto, segue que (u

_n

) e (u

⁰_n

) são sequências de Cauchy em L

^p

(0, T ; R

^N

) , que é um es- paço de Banach. Logo, existem u

1

, u

2

∈ L

^p

(0, T ; R

^N

) tais que u

n

−→ u

1

e u

⁰_n

−→ u

2

em L

^p

(0, T ; R

^N

) . Vamos mostrar que u

⁰₁

= u

₂

.

Pela definição de derivada fraca, Z

T

0

(u

_n

(t), f

⁰

(t))dt = − Z

T

0

(u

⁰_n

(t), f(t))dt, (2.8) para toda f ∈ C

_T^∞

e para todo n ∈ N .

Além disso, como u

_n

−→ u

₁

e u

⁰_n

−→ u

₂

em L

^p

(0, T ; R

^N

) ,

Z

T 0

(u

_n

(t), f

⁰

(t))dt − Z

T

0

(u

₁

(t), f

⁰

(t))dt

=

Z

T 0

(u

_n

(t) − u

₁

(t), f

⁰

(t))dt

≤ Z

T

0

k u

n

(t) − u

1

(t) kk f

⁰

(t) k dt

(2.9)

≤k f

⁰

k

∞

Z

T 0

k u

_n

(t) − u

₁

(t) k dt

≤k f

⁰

k

∞

k u

_n

− u

₁

k

_L^p

T

^1q

−→ 0 quando n → +∞, e

Z

T 0

(u

⁰_n

(t), f (t))dt − Z

T

0

(u

₂

(t), f(t))dt

=

Z

T 0

(u

⁰_n

(t) − u

₂

(t), f (t))dt

≤ Z

T

0

k u

⁰_n

(t) − u

₂

(t) kk f (t) k dt

≤k f k

∞

Z

T 0

k u

⁰_n

(t) − u

₂

(t) k dt

≤k f k

∞

k u

⁰_n

− u

₂

k

_L^p

T

^1q

−→ 0,

(2.10)

quando n → ∞ .

Obtemos de (2.8), (2.9) e (2.10), Z

T

0

(u

₁

(t), f

⁰

(t))dt = − Z

T

0

(u

₂

(t), f(t))dt, ∀f ∈ C

_T^∞

. Pela Definição 2.0.2, temos que u

⁰₁

= u

₂

, então u

₁

∈ W

_T^1,p

. Assim,

k u

_n

− u

₁

k

^p

=k u

_n

− u

₁

k

^p_Lp

+ k u

⁰_n

− u

⁰₁

k

^p_Lp

−→ 0, donde concluímos que W

_T^1,p

é um espaço de Banach.

Agora, iremos mostrar que W

_T^1,p

é um espaço reflexivo. De fato, seja E = L

^p

× L

^p

. Consideremos em E a seguinte norma

k (u, v) k

_E

=k u k

_L^p

+ k v k

_L^p

, para todo u, v ∈ L

^p

.

Como L

^p

é reflexivo, então E é reflexivo. Defina a seguinte aplicação T : W

_T^1,p

−→ L

^p

× L

^p

u 7−→ (u, u

⁰

),

a qual é uma isometria, pois

k T u − T v k

_E

=k (u, u

⁰

) − (v, v

⁰

) k

_E

=k (u − v, u

⁰

− v

⁰

) k

_E

=k u − v k

_L^p

+ k u

⁰

− v

⁰

k

_L^p

=k u − v k

_1,T

.

Assim, T (W

_T^1,p

) é fechado em E, e pela Proposição 1.0.12, concluímos que T (W

_T^1,p

) é reflexivo.

Logo, a aplicação

T

1

: W

_T^1,p

−→ T (W

_T^1,p

) u 7−→ (u, u

⁰

), é bijetora, e portanto, W

_T^1,p

é reflexivo.

Finalmente, vamos mostrar que C

_T^∞

⊂ W

_T^1,p

. Seja u ∈ C

_T^∞

. Então, u tem derivada clássica u

⁰

. Assim,

|| u(t) ||≤k u k

∞

= max

0≤t≤T

|| u(t) ||< +∞,

|| u

⁰

(t) ||≤k u

⁰

k

∞

= max

0≤t≤T

|| u

⁰

(t) ||< +∞

e consequentemente,

Z

T 0

|| u(t) ||

^p

≤k u k

^p_∞

T < +∞, e

Z

T 0

|| u

⁰

(t) ||

^p

dt ≤k u

⁰

k

^p_∞

T < +∞.

Portanto, u ∈ W

_T^1,p

.

Observação 2.0.8. H

_T¹

é um espaço de Hilbert com o produto interno definido por

< u, v >=

Z

T 0

(u

⁰

(t), v

⁰

(t))dt + Z

T

0

(u(t), v(t))dt,

para todo u, v ∈ H

_T¹

, onde (., .) denota o produto interno em R

^N

. A norma correspondente é dada por

k u k

_1,T

= Z

T

0

|| u

⁰

(t) ||

²

dt + Z

T

0

|| u(t) ||

²

dt

¹2

para todo u ∈ H

_T¹

.

Proposição 2.0.9. Existe C > 0 tal que, se u ∈ W

_T^1,p

, então

k u k

∞

≤ C k u k

_1,T

. (2.11)

Mais ainda, se

Z

T 0

u(t)dt = 0, então

k u k

∞

≤ C k u

⁰

k

L^p

. (2.12)

Demonstração. Vamos demonstrar esta proposição para as componentes de u, isto é, consideremos as funções u

^j

, j = 1, 2, ..., N . Pelo Teorema do Valor Médio para integrais (veja [6]) existe τ ∈ (0, T ) tal que

1 T

Z

T 0

u

^j

(s)ds = u

^j

(τ).

Assim, para t ∈ [0, T ] , pela Proposição 1.0.1,

| u

^j

(t) | =

u

^j

(τ ) + Z

t

τ

u

^0j

(s)ds

≤| u

^j

(τ ) | + Z

T

0

| u

^0j

(s) | ds

= 1 T

Z

T 0

u

^j

(s)ds

+ Z

T

0

| u

^0j

(s) | ds

≤ 1 T

Z

T 0

u

^j

(s)ds

+ T

^1q

Z

T

0

| u

^0j

(s) |

^p

ds

¹p

= 1 T

Z

T 0

u

^j

(s)ds

+ T

^1q

k u

^0j

k

_L^p

. Se

Z

T 0

u

^j

(s)ds = 0,

obtemos (2.12). No caso geral, temos, pela Proposição 1.0.1, para t ∈ [0, T ],

| u

^j

(t) | ≤ 1 T

Z

T 0

| u

^j

(s) | ds + T

^1q

k u

^0j

k

_L^p

≤ T

^−q+1q

Z

T

0

| u

^j

(s) |

^p

ds

¹_p

+ T

^1q

k u

^0j

k

_L^p

= T

^−q+1q

k u

^j

k

_L^p

+T

^1q

k u

^0j

k

_L^p

≤ T

^−q+1q

k u

^j

k

_1,T

+T

^1q

k u

^j

k

_1,T

= C k u

^j

k

_1,T

, onde C = T

−q+1 q

+ T

^1q

.

Proposição 2.0.10. Dado u ∈ H

_T¹

, sejam u ¯ =

_T¹

R

T

0

u(t)dt e H ˜

_T¹

≡ {u ∈ H

_T¹

; ¯ u = 0}, então H

_T¹

é a soma direta dos espaços R

^N

e H ˜

_T¹

, isto é,

H

_T¹

= R

^N

⊕ H ˜

_T¹

.

Demonstração. De fato, notemos que a função constante n ≡ 0 é tal que n ∈ R

^N

∩ H ˜

_T¹

. Além disso, dado u ∈ R

^N

\ {0} , temos

¯ u = 1

T Z

T

0

udt = u

T T = u 6= 0, logo, u / ∈ H ˜

_T¹

. Portanto,

R

^N

∩ H ˜

_T¹

= {0}.

Agora, vamos mostrar que

H

_T¹

= R

^N

+ ˜ H

_T¹

. Como R

^N

e H ˜

_T¹

são subespaços de H

_T¹

, então

R

^N

+ ˜ H

_T¹

também é um subespaço de H

_T¹

, portanto,

R

^N

+ ˜ H

_T¹

⊂ H

_T¹

. Por outro lado, dado u ∈ H

_T¹

, podemos escrever

u = 1 T

Z

T 0

u(s)ds +

u − 1 T

Z

T 0

u(s)ds

.

Sejam

x = 1 T

Z

T 0

u(s)ds

e

g = u − 1 T

Z

T 0

u(s)ds.

É claro que x ∈ R

^N

. Além disso, g ∈ H

_T¹

e

¯ g = 1

T Z

T

0

u(t) − 1 T

Z

T 0

u(s)ds

dt

= 1 T

Z

T 0

u(t)dt − 1 T

²

Z

T 0

Z

T 0

u(s)ds

dt

= 1 T

Z

T 0

u(t)dt − 1 T

²

T

Z

T 0

u(s)ds

= 0.

Logo, g ∈ H ˜

_T¹

, donde conluímos que

H

_T¹

⊂ R

^N

+ ˜ H

_T¹

. Portanto,

H

_T¹

= R

^N

⊕ H ˜

_T¹

.

Proposição 2.0.11. Suponhamos u ∈ H

_T¹

e R

T

0

u(t)dt = 0 , então temos as seguintes desigual- dades:

(i) (Desigualdade de Wirtinger)

k u k

²_L2

≤ T

²

4π

²

k u

⁰

k

²_L2

. (ii) (Desigualdade de Sobolev)

k u k

²_∞

≤ T

12 k u

⁰

k

²_L2

.

Demonstração. Como, por hipótese, u ∈ H

_T¹

, então u pode ser representado por sua série de Fourier da forma:

u(t) =

+∞

X

k=−∞,

k6=0

u

_k

exp

2iπkt T

,

considerando que

Z

T 0

u(t)dt = 0.

Da mesma forma,

u

⁰

(t) =

+∞

X

k=−∞,

k6=0

u

k

2πik T

exp

2iπkt T

.

Pela Proposição 1.0.5, Z

T

0

|| u

⁰

(t) ||

²

dt = T

+∞

X

k=−∞,

k6=0

2πk T

2

| u

k

|

²

≥ 4π

²

T

²

+∞

X

k=−∞,

k6=0

T | u

_k

|

²

= 4π

²

T

²

Z

T 0

|| u(t) ||

²

dt.

Logo, vale a Desigualdade de Wirtinger. A Desigualdade de Cauchy-Schwarz (para somas) e a Igualdade de Parseval implicam que, para t ∈ [0, T ] ,

|| u(t) ||

²

=

+∞

X

k=−∞,

k6=0

u

k

exp

2iπkt T

2

≤







+∞

X

k=−∞,

k6=0

|| u

_k

||







2

≤







+∞

X

k=−∞,

k6=0

T 4π

²

k

²













+∞

X

k=−∞,

k6=0

4π

²

k

²

T || u

_k

||

²







= T 4π

²

2π

²

6







+∞

X

k=−∞,

k6=0

4π

²

k

²

T || u

_k

||

²







= T

12







+∞

X

k=−∞,

k6=0

4π

²

k

²

T || u

_k

||

²







= T

12 Z

T

0

|| u

⁰

(t) ||

²

dt.

Logo,

k u k

²_∞

= max

t∈[0,T]

k u(t) k

²

≤ T

12

k u

⁰

k

²_L2

.

Lema 2.0.12. Dado u ∈ H

_T¹

, temos que

k u k

_1,T

−→ +∞ se, e somente se, || u ¯ ||

²

+ k u

⁰

k

²_L2

¹₂

−→ +∞. (2.13) Demonstração. Primeiramente, notemos que provar (2.13) é equivalente a mostrar que

k u

⁰

k

²_L2

+ Z

T

0

|| u(t) ||

²

dt −→ +∞ se, e somente se, || u ¯ ||

²_1,T

+ k u

⁰

k

²_L2

−→ +∞.

Suponhamos, por absurdo, que

k u

⁰

k

²_L2

+ Z

T

0

|| u(t) ||

²

dt −→ +∞, e que

|| u ¯ ||

²_1,T

+ k u

⁰

k

²_L2

< +∞.

Então,

Z

T 0

|| u(t) ||

²

dt −→ +∞

e

|| u ¯ ||

²_1,T

+ k u

⁰

k

²_L2

< +∞.

Temos, pelo item (ii) da Proposição 2.0.11, que Z

T

0

|| u(t) ||

²

dt = Z

T

0

|| u ¯ + ˜ u(t) ||

²

dt

≤ 2 Z

T

0

[k u ¯ k

²

+ || u(t) ˜ ||

²

]dt

= 2T k u ¯ k

²

+ Z

T

0

|| u(t) ˜ ||

²

dt

≤ 2T k u ¯ k

²

+ Z

T

0

k u ˜ k

²_∞

dt

≤ 2T k u ¯ k

²

+ Z

T

0

T

12 k u ˜

⁰

k

²_L2

dt

= 2T k u ¯ k

²

+ T

²

12 k u ˜

⁰

k

²_L2

= 2T k u ¯ k

²

+ T

²

12 k u

⁰

k

²_L2

< +∞,

o que é uma contradição.

Reciprocamente, suponhamos, por absurdo, que

k u ¯ k

²_1,T

+ k u

⁰

k

²_L2

−→ +∞, e que

k u

⁰

k

²_L2

+ Z

T

0

|| u(t) ||

²

dt < +∞.

Então,

1 T

Z

T 0

u(t)dt

2

−→ +∞

e

Z

T 0

|| u(t) ||

²

dt+ k u

⁰

k

²_L2

< +∞.

No entanto, pela Proposição 1.0.7,

1 T

Z

T 0

u(t)dt

2

= 1 T

²

Z

T 0

u(t)dt

2

=

N

X

i=1

1 T

Z

T 0

u

i

(t)dt

²

≤

N

X

i=1

1 T

²

Z

T 0

(u

_i

(t))

²

dt

= 1 T

²

Z

T 0

N

X

i=1

(u

_i

(t))

²

dt

= 1 T

²

Z

T 0

|| u(t) ||

²

dt < +∞, o que é uma contradição. O resultado segue.

Proposição 2.0.13. Se a sequência (u

_k

) converge fracamente a u em W

_T^1,p

, então (u

_k

) converge uniformemente a u em [0, T ].

Demonstração. Defina

ϕ : W

_T^1,p

−→ C(0, T ; R

^N

) u 7−→ u.

Vamos mostrar que ϕ é contínua. De fato, dados > 0 e u

₀

∈ W

_T^1,p

, temos pela Proposi-

ção 2.0.9 que existe c > 0 tal que se u ∈ W

_T^1,p

, então k u − u

₀

k

∞

≤ c k u − u

₀

k

_1,T

. Assim, tomando δ =

_c

, obtemos

u ∈ W

_T^1,p

, k u − u

0

k

1,T

< δ ⇒k ϕ(u) − ϕ(u

0

) k

∞

≤ c k u − u

0

k

1,T

< cδ = . Portanto, ϕ é contínua em W

_T^1,p

.

Uma vez que u

k

* u em W

_T^1,p

e ϕ é contínua na topologia forte (logo, fracamente contínua), então ϕ(u

_k

) * ϕ(u) em C(0, T ; R

^N

) , ou seja, u

_k

* u em C(0, T ; R

^N

) .

Assim, pela Proposição 1.0.27, obtemos que a sequência (u

k

) é limitada em C(0, T ; R

^N

) e em W

_T^1,p

, logo, existem M

₁

, M

₂

> 0 tais que

k u

k

k

1,T

≤ M

1

e

k u

_k

k

_∞

≤ M

₂

, ∀k ∈ N .

Em particular, (u

k

) é simplesmente limitada. Além disso, (u

k

) é uniformemente equi- contínuo, pois dado > 0 , basta tomarmos δ =

M1

q

e, pela Proposição 1.0.1 e pelo Lema 2.0.1,

s, t ∈ [0, T ], |s − t| < δ ⇒ ||u

_k

(t) − u

_k

(s)|| =

Z

t 0

u

⁰_k

(τ)dτ + c

₁

− Z

s

0

u

⁰_k

(τ )dτ − c

₁

≤ Z

t

s

||u

⁰_k

(τ )||dτ

≤ |s − t|

^1q

Z

t

s

||u

⁰_k

(τ)||

^p

dτ

¹_p

≤ |s − t|

^1q

k u

_k

k

_1,T

≤ |s − t|

^1q

M

₁

< M

₁

M

₁

= .

Logo, (u

_k

) é equicontínuo. Como [0, T ] é compacto, segue do Teorema 1.0.37 que (u

_k

) possui uma subsequência uniformemente convergente, digamos u

_kj

→ u

₁

. Pela Proposição 1.0.27, (u

_kj

) converge fracamente a u

₁

e segue da unicidade do limite fraco em C(0, T ; R

^N

) que u

₁

= u , ou seja, (u

_kj

) converge uniformemente a u em [0, T ] .

Repetindo este último argumento, concluímos que toda subsequência de (u

_k

), uni-

formemente convergente, converge uniformemente a u em [0, T ]. Logo, u

_k

→ u unifor- memente em [0, T ] .

Teorema 2.0.14. Seja L : [0, T ]× R

^N

× R

^N

→ R , (t, x, y) 7→ L(t, x, y) uma função mensurável em t para cada (x, y) ∈ R

^N

× R

^N

e continuamente diferenciável em (x, y) para quase todo t ∈ [0, T ]. Se existirem a ∈ C( R

⁺

, R

⁺

), b ∈ L

¹

(0, T ; R

⁺

) e c ∈ L

^q

(0, T ; R

⁺

), 1 < q < ∞ , tais que, para quase todo t ∈ [0, T ] e todo (x, y) ∈ R

^N

× R

^N

, temos

(a)



 

 

 

 

| L(t, x, y) |≤ a(k x k)(b(t)+ k y k

^p

)

| D

_x

L(t, x, y) |≤ a(k x k)(b(t)+ k y k

^p

)

| D

_y

L(t, x, y) |≤ a(k x k)(c(t)+ k y k

^p−1

) onde

¹_p

+

¹_q

= 1, então o funcional ϕ definido por

ϕ(u) = Z

T

0

L(t, u(t), u

⁰

(t))dt é continuamente diferenciável em W

_T^1,p

e

(b) < ϕ

⁰

(u), v >=

Z

T 0

[(D

_x

L(t, u(t), u

⁰

(t)), v(t)) + (D

_y

L(t, u(t), u

⁰

(t)), v

⁰

(t))] dt.

Demonstração. Vamos mostrar que ϕ tem em todo ponto u a derivada direcional ϕ

⁰

(u) ∈ (W

_T^1,p

)

⁰

dada por (b).

Dado u ∈ W

_T^1,p

, temos por (a) que

ϕ(u) = Z

T

0

L(t, u(t), u

⁰

(t))dt

≤ Z

T

0

| L(t, u(t), u

⁰

(t)) | dt

≤ Z

T

0

a(k u(t) k)(b(t)+ k u

⁰

(t) k

^p

)dt < +∞,

pois a ∈ C( R

⁺

, R

⁺

) e b ∈ L

¹

(0, T ; R

⁺

). Logo, ϕ é finita em W

_T^1,p

. Defina, para u e v fixos em W

_T^1,p

, t ∈ [0, T ], λ ∈ [−1, 1] ,

F (λ, t) = L(t, u(t) + λv(t), u

⁰

(t) + λv

⁰

(t))

e

ψ (λ) = Z

T

0

F (λ, t)dt = ϕ(u + λv).

Por (a),

| D

_λ

F (λ, t) | =| (D

_x

L(t, u(t) + λv(t), u

⁰

(t) + λv

⁰

(t)), v(t)) + (D

_y

L(t, u(t) + λv(t), u

⁰

(t) + λv

⁰

(t)), v

⁰

(t)) |

≤ a(k u(t) + λv(t) k) [(b(t)+ k u

⁰

(t) + λv

⁰

(t) k

^p

) k v(t) k +(c(t)+ k u

⁰

(t) + λv

⁰

(t) k

^p−1

) k v

⁰

(t) k

≤ a

₀

[(b(t) + (k u

⁰

(t) k + k v

⁰

(t) k)

^p

) k v(t) k +(c(t) + (k u

⁰

(t) k + k v

⁰

(t) k)

^p−1

) k v

⁰

(t) k , onde

a

₀

= max

(λ,t)∈[−1,1]×[0,T]

a(k u(t) + λv(t) k).

Uma vez que b ∈ L

¹

(0, T ; R

⁺

), (| u

⁰

| + | v

⁰

|)

^p

∈ L

¹

(0, T ; R

⁺

), c ∈ L

^q

, | v

⁰

|∈ L

^p

(0, T ; R

^N

) , e v é contínua, temos

| D

_λ

F (λ, t) |≤ d(t) ∈ L

¹

(0, T ; R

⁺

).

Assim, a fórmula de Leibniz é aplicável e

ψ

⁰

(λ) = Z

T

0

D

_λ

F (λ, t)dt, logo,

ψ

⁰

(0) = Z

T

0

D

_λ

F (0, t)dt = Z

T

0

[(D

_x

L(t, u(t), u

⁰

(t)), v(t)) + (D

_y

L(t, u(t), u

⁰

(t)), v

⁰

(t))] dt.

Mais ainda,

|D

_x

L(t, u(t), u

⁰

(t))| ≤ a(k u(t) k)(b(t)+ k u

⁰

(t) k

^p

) ∈ L

¹

(0, T ; R

⁺

),

e

|D

_y

L(t, u(t), u

⁰

(t))| ≤ a(k u(t) k)(c(t)+ k u

⁰

(t) k

^p−1

) ∈ L

^q

(0, T, R

⁺

).

Disto, pela Proposição 2.0.9 e pela Proposição 1.0.1, existe C > 0 tal que