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Energetic space

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2270: 3612: 3882: 2761: 4103: 1853: 2609: 1031: 1395: 662: 3095: 1495: 1608: 2190: 1249: 3154: 391: 3400: 2475: 3226: 3001: 2834: 535: 4243: 2132: 2400: 3986: 2366: 285: 110: 2894: 2948: 3279: 2422: 1656: 2053: 139: 1991: 1527: 1314: 3356: 2085: 211: 3911: 1100: 1067: 2305: 2260: 1557: 1451: 417: 4457: 4403: 4368: 4341: 4290: 3435: 1932: 1279: 1189: 1131: 930: 813: 762: 4178: 3731: 2793: 2504: 2624: 1882: 1421: 561: 311: 3678: 3322: 1959: 1905: 1721: 836: 705: 460: 4430: 4314: 4263: 4149: 4126: 3933: 3720: 3698: 3655: 3635: 3299: 3177: 2528: 2329: 2230: 2210: 2011: 1698: 1678: 1159: 903: 880: 860: 786: 728: 682: 581: 437: 331: 179: 159: 73: 3447: 3994: 1729: 938: 2540: 47:
of a system can be expressed in terms of the energetic inner product. An example of this will be given later in the article.
1322: 596: 3013: 1459: 4522: 4501: 1562: 2137: 1196: 4491: 3106: 4541: 1935: 337: 2431: 3185: 2960: 475: 4406: 4186: 3723: 2955: 2090: 2371: 4371: 4343:, a function in a finite-dimensional subspace of the true solution space. For example, one might let 3941: 2333: 229: 81: 2848: 4477: 2902: 2507: 3234: 2405: 1613: 4546: 3364: 2016: 118: 1964: 1500: 1287: 3329: 2804: 2058: 184: 4375: 3890: 3877:{\displaystyle \|u\|^{2}=\int _{a}^{b}u^{2}(x)\,dx\leq C\int _{a}^{b}u'(x)^{2}\,dx=C\,(Bu|u)} 2796: 1072: 1039: 765: 2756:{\displaystyle F(u)={\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}\!u'(x)^{2}\,dx-\int _{a}^{b}\!u(x)f(x)\,dx.} 2284: 2235: 1532: 1426: 396: 4435: 4412:
The energetic norm turns out to be the natural norm in which to measure the error between
4381: 4346: 4319: 4268: 3438: 3408: 1910: 1257: 1167: 1109: 908: 791: 740: 4154: 2769: 2480: 8: 4472: 3229: 2840: 1861: 1400: 540: 290: 76: 36: 21: 3660: 3304: 1941: 1887: 1703: 818: 687: 442: 4415: 4299: 4248: 4134: 4111: 3918: 3705: 3683: 3640: 3620: 3284: 3162: 2513: 2314: 2215: 2195: 1996: 1683: 1663: 1144: 888: 865: 845: 771: 713: 667: 566: 422: 316: 217: 164: 144: 113: 58: 4518: 4497: 731: 214: 4460: 3607:{\displaystyle (Bu|v)=-\int _{a}^{b}\!u''(x)v(x)\,dx=\int _{a}^{b}u'(x)v'(x)=(u|Bv)} 4098:{\displaystyle {\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}\!u'(x)^{2}\,dx={\frac {1}{2}}(u|u)_{E},} 3004: 2615: 1848:{\displaystyle \langle B_{E}u|v\rangle _{E}=(u|v)_{E}=(Bu|v)=\langle u|B|v\rangle } 4515:
Numerical solution of partial differential equations by the finite element method
3180: 839: 220: 2531: 2307:
on the real line (here viewed as a horizontal line). Let the vertical outer
4535: 3936: 2530:
under the influence of the force. Assuming that the deflection is small, the
2308: 32: 3988:
We see that the elastic energy of the string which motivated this study is
2273:
A string with fixed endpoints under the influence of a force pointing down.
2425: 29: 17: 1282: 2013:). Via these identifications, it follows from the above formula that 2951: 4493:
Applied functional analysis: applications to mathematical physics
40: 2269: 1858:
by the definition of the energetic inner product. If one views
1026:{\displaystyle (u|v)_{E}=\lim _{n\to \infty }(u_{n}|v_{n})_{E}} 44: 2278: 2604:{\displaystyle {\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}\!u'(x)^{2}\,dx} 815:
can be considered a subset of the original Hilbert space
3007:. This space is Hilbert in respect to the inner product 862:(this follows from the strong monotonicity property of 1390:{\displaystyle \langle B_{E}u|v\rangle _{E}=(u|v)_{E}} 4438: 4418: 4384: 4349: 4322: 4302: 4271: 4251: 4189: 4157: 4137: 4114: 3997: 3944: 3921: 3893: 3734: 3708: 3686: 3663: 3643: 3623: 3450: 3411: 3367: 3332: 3307: 3287: 3237: 3188: 3165: 3109: 3016: 2963: 2905: 2851: 2807: 2772: 2627: 2543: 2516: 2483: 2434: 2408: 2374: 2336: 2317: 2287: 2238: 2218: 2198: 2140: 2093: 2061: 2019: 1999: 1967: 1944: 1913: 1890: 1864: 1732: 1706: 1686: 1666: 1616: 1565: 1535: 1503: 1462: 1429: 1403: 1325: 1290: 1260: 1199: 1170: 1147: 1112: 1075: 1042: 941: 911: 891: 868: 848: 821: 794: 774: 743: 716: 690: 670: 599: 569: 543: 478: 445: 425: 399: 340: 319: 293: 232: 187: 167: 147: 121: 84: 61: 4180:of the string, one writes this problem in the form 842:
in the energetic norm is also Cauchy in the norm of
657:{\displaystyle \|u\|_{E}=(u|u)_{E}^{\frac {1}{2}}\,} 4451: 4424: 4397: 4362: 4335: 4308: 4284: 4257: 4237: 4172: 4143: 4120: 4097: 3980: 3927: 3905: 3876: 3714: 3692: 3672: 3649: 3629: 3606: 3429: 3394: 3350: 3316: 3293: 3273: 3220: 3171: 3148: 3090:{\displaystyle (u|v)=\int _{a}^{b}\!u(x)v(x)\,dx,} 3089: 2995: 2942: 2888: 2828: 2787: 2755: 2603: 2522: 2498: 2469: 2416: 2394: 2360: 2323: 2299: 2254: 2224: 2204: 2184: 2126: 2079: 2047: 2005: 1985: 1953: 1926: 1899: 1876: 1847: 1715: 1692: 1672: 1650: 1602: 1551: 1521: 1489: 1445: 1415: 1389: 1308: 1273: 1243: 1183: 1153: 1125: 1094: 1061: 1025: 924: 897: 874: 854: 830: 807: 780: 756: 722: 699: 676: 656: 575: 555: 529: 454: 431: 411: 385: 325: 305: 279: 205: 173: 153: 133: 104: 67: 4023: 3492: 3052: 2795:minimizing the potential energy will satisfy the 2718: 2668: 2569: 1490:{\displaystyle \langle \cdot |\cdot \rangle _{E}} 4533: 4108:so it is half of the energetic inner product of 970: 3915:The energetic space in respect to the operator 3441:and the boundary conditions, one can see that 730:together with the energetic inner product is a 885:The energetic inner product is extended from 3742: 3735: 3116: 3110: 1842: 1820: 1758: 1733: 1603:{\displaystyle \langle B_{E}u|v\rangle _{E}} 1591: 1566: 1478: 1463: 1351: 1326: 607: 600: 374: 367: 128: 122: 3181:twice continuously differentiable functions 2899:To study this equation, consider the space 2264: 2055:In different words, the original operator 4234: 4048: 3853: 3840: 3788: 3722:is also strongly monotone, since, by the 3522: 3405:so the deflection satisfies the equation 3391: 3214: 3077: 2989: 2885: 2825: 2743: 2693: 2594: 2460: 653: 526: 276: 223:, that is, a linear operator satisfying 39:. The motivation for the name comes from 4374:in the energetic space, which gives the 2281:whose endpoints are fixed at two points 2268: 2185:{\displaystyle B_{E}:X_{E}\to X_{E}^{*}} 1993:(by the strong monotonicity property of 1244:{\displaystyle B_{E}:X_{E}\to X_{E}^{*}} 55:Formally, consider a real Hilbert space 4512: 4489: 28:is, intuitively, a subspace of a given 4534: 4151:minimizing the total potential energy 3149:{\displaystyle \|u\|={\sqrt {(u|u)}}.} 1700:are elements in the original subspace 1136: 386:{\displaystyle (Bu|u)\geq c\|u\|^{2}} 2192:is simply the function extension of 1497:denotes the duality bracket between 2470:{\displaystyle f:\to \mathbb {R} .} 43:, as in many physical problems the 13: 3221:{\displaystyle u:\to \mathbb {R} } 2996:{\displaystyle u:\to \mathbb {R} } 980: 530:{\displaystyle (u|v)_{E}=(Bu|v)\,} 50: 14: 4558: 4238:{\displaystyle (u|v)_{E}=(f|v)\,} 3700:is a symmetric linear operator. 2127:{\displaystyle B:Y\to X_{E}^{*},} 2410: 2395:{\displaystyle f(x)\mathbf {e} } 2388: 35:equipped with a new "energetic" 4296:Next, one usually approximates 3981:{\displaystyle H_{0}^{1}(a,b).} 2361:{\displaystyle (a\leq x\leq b)} 280:{\displaystyle (Bu|v)=(u|Bv)\,} 105:{\displaystyle (\cdot |\cdot )} 4517:. Cambridge University Press. 4231: 4224: 4217: 4205: 4197: 4190: 4167: 4161: 4083: 4075: 4068: 4039: 4032: 3972: 3960: 3871: 3864: 3854: 3831: 3824: 3785: 3779: 3601: 3591: 3584: 3578: 3572: 3561: 3555: 3519: 3513: 3507: 3501: 3468: 3461: 3451: 3342: 3262: 3256: 3247: 3241: 3210: 3207: 3195: 3138: 3131: 3124: 3100:with the norm being given by 3074: 3068: 3062: 3056: 3031: 3024: 3017: 2985: 2982: 2970: 2934: 2922: 2889:{\displaystyle u(a)=u(b)=0.\,} 2876: 2870: 2861: 2855: 2782: 2776: 2740: 2734: 2728: 2722: 2684: 2677: 2637: 2631: 2585: 2578: 2493: 2487: 2456: 2453: 2441: 2384: 2378: 2355: 2337: 2164: 2103: 2071: 1835: 1827: 1814: 1807: 1797: 1785: 1777: 1770: 1750: 1642: 1636: 1633: 1617: 1583: 1470: 1378: 1370: 1363: 1343: 1316:that is given by the formula 1223: 1089: 1076: 1056: 1043: 1014: 999: 985: 977: 957: 949: 942: 634: 626: 619: 523: 516: 506: 494: 486: 479: 358: 351: 341: 273: 263: 256: 250: 243: 233: 197: 99: 92: 85: 1: 4496:. New York: Springer-Verlag. 4483: 4405:can be computed by solving a 2943:{\displaystyle X=L^{2}(a,b),} 2087:can be viewed as an operator 4131:To calculate the deflection 3274:{\displaystyle u(a)=u(b)=0.} 2417:{\displaystyle \mathbf {e} } 1936:Riesz representation theorem 1651:{\displaystyle (B_{E}u)(v).} 7: 4466: 2956:square-integrable functions 2510:of the string at the point 1106:that converge to points in 10: 4563: 4490:Zeidler, Eberhard (1995). 4407:system of linear equations 3395:{\displaystyle Bu=-u'',\,} 2048:{\displaystyle B_{E}u=Bu.} 1907:as an element in the dual 134:{\displaystyle \|\cdot \|} 4372:piecewise linear function 1986:{\displaystyle X_{E}^{*}} 1961:will also be in the dual 1522:{\displaystyle X_{E}^{*}} 1309:{\displaystyle X_{E}^{*}} 4478:Positive-definite kernel 3351:{\displaystyle B:Y\to X} 3301:is a linear subspace of 2829:{\displaystyle -u''=f\,} 2428:pointing vertically and 2080:{\displaystyle B:Y\to X} 206:{\displaystyle B:Y\to X} 161:be a linear subspace of 4513:Johnson, Claes (1987). 3906:{\displaystyle C>0.} 3724:Friedrichs's inequality 2265:An example from physics 1884:which is an element in 1133:in the energetic norm. 1095:{\displaystyle (v_{n})} 1062:{\displaystyle (u_{n})} 788:in the energetic norm. 467:energetic inner product 4453: 4426: 4399: 4364: 4337: 4310: 4286: 4259: 4239: 4174: 4145: 4122: 4099: 3982: 3929: 3907: 3878: 3716: 3694: 3674: 3651: 3631: 3608: 3431: 3396: 3352: 3326:Consider the operator 3318: 3295: 3275: 3222: 3173: 3150: 3091: 2997: 2944: 2890: 2830: 2789: 2757: 2605: 2524: 2500: 2471: 2418: 2396: 2362: 2325: 2301: 2300:{\displaystyle a<b} 2274: 2256: 2255:{\displaystyle X_{E}.} 2226: 2206: 2186: 2128: 2081: 2049: 2007: 1987: 1955: 1928: 1901: 1878: 1849: 1717: 1694: 1674: 1652: 1604: 1553: 1552:{\displaystyle X_{E},} 1523: 1491: 1447: 1446:{\displaystyle X_{E}.} 1417: 1391: 1310: 1275: 1245: 1185: 1155: 1127: 1096: 1063: 1027: 926: 899: 876: 856: 832: 809: 782: 758: 724: 701: 678: 658: 577: 557: 531: 456: 433: 413: 412:{\displaystyle c>0} 387: 327: 307: 281: 207: 175: 155: 135: 106: 69: 4454: 4452:{\displaystyle u_{h}} 4427: 4400: 4398:{\displaystyle u_{h}} 4376:finite element method 4365: 4363:{\displaystyle u_{h}} 4338: 4336:{\displaystyle u_{h}} 4311: 4287: 4285:{\displaystyle X_{E}} 4260: 4240: 4175: 4146: 4123: 4100: 3983: 3930: 3908: 3879: 3717: 3695: 3675: 3652: 3632: 3609: 3432: 3430:{\displaystyle Bu=f.} 3397: 3358:given by the formula 3353: 3319: 3296: 3276: 3223: 3174: 3151: 3092: 2998: 2945: 2891: 2831: 2797:differential equation 2790: 2758: 2606: 2525: 2501: 2472: 2419: 2397: 2363: 2326: 2302: 2272: 2257: 2227: 2207: 2187: 2129: 2082: 2050: 2008: 1988: 1956: 1929: 1927:{\displaystyle X^{*}} 1902: 1879: 1850: 1718: 1695: 1675: 1653: 1605: 1554: 1524: 1492: 1448: 1418: 1392: 1311: 1276: 1274:{\displaystyle X_{E}} 1246: 1186: 1184:{\displaystyle B_{E}} 1156: 1128: 1126:{\displaystyle X_{E}} 1097: 1064: 1028: 927: 925:{\displaystyle X_{E}} 900: 877: 857: 833: 810: 808:{\displaystyle X_{E}} 783: 759: 757:{\displaystyle X_{E}} 725: 702: 679: 659: 578: 558: 532: 457: 434: 414: 388: 328: 308: 282: 208: 176: 156: 136: 107: 70: 4436: 4416: 4382: 4378:. The approximation 4347: 4320: 4300: 4269: 4249: 4187: 4173:{\displaystyle F(u)} 4155: 4135: 4112: 3995: 3942: 3919: 3891: 3732: 3706: 3684: 3661: 3641: 3621: 3448: 3439:integration by parts 3409: 3365: 3330: 3305: 3285: 3235: 3186: 3163: 3107: 3014: 2961: 2903: 2849: 2805: 2788:{\displaystyle u(x)} 2770: 2625: 2541: 2514: 2499:{\displaystyle u(x)} 2481: 2432: 2406: 2372: 2334: 2315: 2285: 2236: 2216: 2196: 2138: 2091: 2059: 2017: 1997: 1965: 1942: 1911: 1888: 1862: 1730: 1704: 1684: 1664: 1614: 1563: 1533: 1501: 1460: 1427: 1401: 1323: 1288: 1258: 1197: 1168: 1145: 1110: 1073: 1040: 939: 909: 889: 866: 846: 819: 792: 772: 741: 714: 688: 668: 597: 567: 541: 476: 443: 423: 397: 338: 317: 291: 230: 185: 165: 145: 119: 82: 59: 20:, more precisely in 4542:Functional analysis 4473:Inner product space 4022: 3959: 3815: 3768: 3546: 3491: 3230:boundary conditions 3051: 2841:boundary conditions 2717: 2667: 2568: 2181: 2120: 1982: 1877:{\displaystyle Bu,} 1518: 1416:{\displaystyle u,v} 1305: 1281:with values in the 1240: 1163:energetic extension 1137:Energetic extension 652: 556:{\displaystyle u,v} 306:{\displaystyle u,v} 22:functional analysis 4449: 4422: 4395: 4360: 4333: 4306: 4282: 4255: 4235: 4170: 4141: 4118: 4095: 4008: 3978: 3945: 3925: 3903: 3874: 3801: 3754: 3712: 3690: 3673:{\displaystyle Y.} 3670: 3647: 3627: 3604: 3532: 3477: 3427: 3392: 3348: 3317:{\displaystyle X.} 3314: 3291: 3271: 3218: 3179:be the set of all 3169: 3146: 3087: 3037: 3003:in respect to the 2993: 2940: 2886: 2826: 2785: 2753: 2703: 2653: 2601: 2554: 2534:of the string is 2520: 2496: 2467: 2414: 2392: 2358: 2321: 2297: 2275: 2252: 2222: 2202: 2182: 2167: 2124: 2106: 2077: 2045: 2003: 1983: 1968: 1954:{\displaystyle Bu} 1951: 1924: 1900:{\displaystyle X,} 1897: 1874: 1845: 1716:{\displaystyle Y,} 1713: 1690: 1670: 1648: 1610:actually denotes 1600: 1549: 1519: 1504: 1487: 1443: 1413: 1387: 1306: 1291: 1271: 1241: 1226: 1181: 1151: 1123: 1092: 1059: 1023: 984: 922: 895: 872: 852: 831:{\displaystyle X,} 828: 805: 778: 764:is defined as the 754: 720: 700:{\displaystyle Y.} 697: 674: 654: 633: 573: 553: 527: 455:{\displaystyle Y.} 452: 429: 409: 393:for some constant 383: 323: 303: 277: 203: 171: 151: 131: 102: 65: 4425:{\displaystyle u} 4309:{\displaystyle u} 4258:{\displaystyle v} 4144:{\displaystyle u} 4121:{\displaystyle u} 4066: 4006: 3928:{\displaystyle B} 3715:{\displaystyle B} 3693:{\displaystyle B} 3650:{\displaystyle v} 3630:{\displaystyle u} 3294:{\displaystyle Y} 3172:{\displaystyle Y} 3141: 2651: 2618:of the string is 2552: 2523:{\displaystyle x} 2368:on the string be 2324:{\displaystyle x} 2225:{\displaystyle Y} 2205:{\displaystyle B} 2006:{\displaystyle B} 1693:{\displaystyle v} 1673:{\displaystyle u} 1154:{\displaystyle B} 1102:are sequences in 969: 898:{\displaystyle Y} 875:{\displaystyle B} 855:{\displaystyle X} 781:{\displaystyle Y} 732:pre-Hilbert space 723:{\displaystyle Y} 677:{\displaystyle u} 650: 576:{\displaystyle Y} 432:{\displaystyle u} 326:{\displaystyle Y} 215:strongly monotone 174:{\displaystyle X} 154:{\displaystyle Y} 68:{\displaystyle X} 4554: 4528: 4507: 4458: 4456: 4455: 4450: 4448: 4447: 4431: 4429: 4428: 4423: 4404: 4402: 4401: 4396: 4394: 4393: 4370:be a continuous 4369: 4367: 4366: 4361: 4359: 4358: 4342: 4340: 4339: 4334: 4332: 4331: 4315: 4313: 4312: 4307: 4291: 4289: 4288: 4283: 4281: 4280: 4264: 4262: 4261: 4256: 4244: 4242: 4241: 4236: 4227: 4213: 4212: 4200: 4179: 4177: 4176: 4171: 4150: 4148: 4147: 4142: 4127: 4125: 4124: 4119: 4104: 4102: 4101: 4096: 4091: 4090: 4078: 4067: 4059: 4047: 4046: 4031: 4021: 4016: 4007: 3999: 3987: 3985: 3984: 3979: 3958: 3953: 3934: 3932: 3931: 3926: 3912: 3910: 3909: 3904: 3883: 3881: 3880: 3875: 3867: 3839: 3838: 3823: 3814: 3809: 3778: 3777: 3767: 3762: 3750: 3749: 3721: 3719: 3718: 3713: 3699: 3697: 3696: 3691: 3679: 3677: 3676: 3671: 3656: 3654: 3653: 3648: 3636: 3634: 3633: 3628: 3613: 3611: 3610: 3605: 3594: 3571: 3554: 3545: 3540: 3500: 3490: 3485: 3464: 3436: 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Index

mathematics
functional analysis
real
Hilbert space
inner product
physics
energy
inner product
norm
strongly monotone
symmetric
linear operator
pre-Hilbert space
completion
Cauchy sequence
dual space
Riesz representation theorem

string
force density
unit vector
deflection
elastic energy
potential energy
differential equation
boundary conditions
Lp space
square-integrable functions
Lebesgue measure
twice continuously differentiable functions

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