Variational Inequality in Hilbert Spaces and Their Applications
Chapter One
PREAMBLE OF THE STUDY
Inย theย studyย ofย variationalย inequalities,ย weย areย frequentlyย concernย withย aย mappingย F fromย aย vectorย spaceย Xย orย aย convexย subsetย ofย Xย intoย itsย dualย Xjย . ย Variational inequal- ities and Complementary problems are of fundamental importance in a wide range ofย ย mathematicalย ย andย ย appliedย ย problems,ย ย suchย ย asย ย programming,ย ย trafficย ย engineering, economicsย ย andย ย equilibriumย ย problems.ย ย ย Theย ย ideaย ย andย ย techniquesย ย ofย ย theย ย variational inequalities are being applied in a variety of diverse areas in sciences and proved to beย ย productiveย ย andย ย innovative.ย ย Itย ย hasย ย beenย ย shownย ย that ย thisย ย theoryย ย providesย ย aย ย simple,ย ย naturalย ย andย ย unifiedย ย frameworkย ย forย ย aย ย generalย ย treatmentย ย ofย ย unrelatedย ย problems. The fixed point theory has played an important role in the development of various algorithmsย ย forย ย solvingย ย variationalย ย inequalities.ย ย Using theย ย projectionย ย operatorย ย technique,ย ย oneย ย usuallyย ย establishesย ย anย ย equivalenceย ย betweenย ย theย ย variationalย ย inequalities andย ย theย ย fixedย ย pointย ย problem.ย ย ย Theย ย alternativeย ย equivalentย ย formulationย ย wasย ย usedย ย by Lionsย ย andย ย Stampacchiaย ย [8]ย ย toย ย studyย ย theย ย existenceย ย ofย ย aย ย solutionย ย ofย ย theย ย variational inequalities.ย ย Projction methods and its variant forms represent important tools for finding the approximate solution of variational inequalities.ย ย In this work, we intend to present the element of variational inequalities and free boundary problems with several examples and their applications.
CHAPTER TWO
Variational Inequalities in RN
ย Given K โ RN and F : K โโ RN , a continuous mapping. Then, the Variational inequalities(VI) is the problem of finding a point u โ K such that
(Fย (u),ย vย โย u)ย โฅย 0,ย vย โย K. (2.0.1)
Variational inequalities(VI) are closely related with many general problems of non- linear Analysis such as complementary, fixed point and optimization problem. The simplest examples of variational inequalites is the problem of solving a system of equation. Here, we intend to discuss variational inequalities in RNย , fixed point and some elementary problem that are associated to variational inequality. In particular,we discuss the connection between variational inequalities and convex funtions
ย Basic Theorems and Definition about Fixed point
Definition 2.1.1 Let S be a metric space with metric d. A mapping F : S โโ S
isย saidย toย be aย strictlyย contractionย mapย ifย thereย existsย ฮฑย โย [0,ย 1[
d(Fย (x),ย Fย (y))ย โคย ฮฑd(x,ย y)ย ,ย forย allย x,ย yย โย S.
Remark 2.1.2 if ฮฑ = 1, then F is nonexpansive.
Theorem 2.1.3 [3] (Banachโs fixed point Theorem) Let S be a completeย met- ric space and let F : S S be a strict contraction mapping. ย Then, there exist a unique fixed point ofย F.
Advertisements
Theorem 2.1.4 [3] (Brouwerโs fixed point Theorem) Let F be a continuous mapping from a closed ball G RN into itself. ย Then, F ย admit at least one fixed ย point inย G.
Theorem 2.1.5 [3] (Schauderโs fixed point Theorem) Let G be a compactย convex subset of RN and F be a continuous mapping from G into itself. Then, F admits a fixed point in G.
First Theorem about variationalย inequalities
Theorem 2.2.1 [8] Let K be compact and convex set in RN and let F : K โโ RN
be continuous. Then, there exists x โ K such that
(F (x), y โ x) โฅ 0, for all y โ K.
Proof. Let ฮ : RN โโ RN be the identication and (., .) be the scalar productย on RN . Let PK(I โ ฮ F ) : K โโ K be continuous, where Ix = x. Then by Schauder fixed point Theorem, PK(I ฮ F ) admits a fixed point. Thus there exists x K suchย that
PK(I โ ฮ F )x = x.
By the characterisation of projection Theorem we obtain that
(x, y โ x) โฅ ((I โ ฮ F )x, y โ x), for allx, y โ k
= (x โ ฮ F (x), y โ x)
= (x, y โ x) โ ฮ (F (x), y โ x), for allx, y โ K.
Then, namely
ฮ (F (x), y โ x) โฅ (x, y โ x) โ (x, y โ x) = 0, for all x, y โ K,
(F (x), y โย x) โฅ 0, for all y โ K.
Therefore, there exists x โ K such that
(F (x), y โย x) โฅ 0, for all y โ K.
Applications
Variational Inequality theory provides us with a tool for: formulating a variety of equilibrium problems; qualitatively analysing the problem in terms of existence and uniquness of solutions and stability. Many of the applications explored to date that have been formulated, studied and solved as variational inequality problems are in fact, network problems. Indeed, many mathematical problems can be formulated as variational inequality problems and several examples applicable to equilibrium analysis follows thus
Systems Equations
Manyย classicalย economicย equilibriumย problemsย haveย beenย formulatedย asย systemsย of equation,ย sinceย marketย clearingย conditionsย necessarilyย equateย theย totalย supplyย with theย totalย demand.ย Inย termsย ofย variationalย inequalityย problem,ย theย formulationย ofย a system of equation is asย follow.
Proposition 2.2.2 [9] Let Fย :ย RN RN be a mapping. Then for any xย RN
we have that ifย andย onlyย ifย Fย (x)ย = 0.
CHAPTER THREE
Variational Inequality in Hilbert Spaces
Here,ย weย studyย variationalย inequalitiesย inย Hilbertย space.ย Someย basicย theoremsย and proofsย areย presentedย inย thisย chapter.ย Thisย willย beย usedย inย obtainingย ourย mainย exis- tence and uniqueness theorem. The study of variational inequalites startedย being consideredย aroundย nintheenthย century.ย Manyย differentialย equationsย thatย ariseย from differentย kindย ofย applicationย areย solvedย byย aย veryย simpleย calculation.ย Thisย approach doesย notย giveย theย existenceย andย uniquenessย ofย classicalย andย weakย solutions.ย Hence, the concept of Variational approach isย paramount.
Letย Hย ย beย aย realย Hilbertย spaceย andย a(u,ย v)ย beย aย realย bilinearย formย onย H. ย Assume that theย ย linearย ย andย ย continuousย ย mappingย Aย :ย Hย ย ย ย ย ย ย ย ย ย Hjย ย ย determinesย ย aย ย bilinearย ย form viaย theย pairing
Problem
a(u, v) = (Au, v).
Letย Hย ย beย aย realย Hilbertย spaceย andย fย ย โย Hjย . ย Letย Kย โย Hย ย beย closedย andย convex.ย ย Find
u โ K such that
a(u,ย vย โย u)ย โฅย (f,ย vย โย u),ย forย allย vย โย K. (3.1.1)
Theoremย 3.1.1ย [2](Stampacchiaย Theorem)ย Letย a(u,ย v)ย beย aย continuousย coercive bilinearย formย onย H.ย ย Letย Kย ย ย ย ย ย ย Hย ย beย aย nonemptyย closedย andย convexย withย fย ย ย ย ย ย Hjย . Thenย thereย existsย aย uniqueย solutionย toย problemย (3.1.1).
Moreover,ย ifย u1,ย u2ย ย ย ย Kย areย solutionsย toย problemย (3.1.1)ย correspondingย toย f1,ย f2ย ย ย ย Hjย , then
CHAPTER FOUR
CONCLUSION
Inย thisย work,ย weย studiedย variationalย inequalitiesย inย Hilbertย space.ย Someย basicย theo- rems and proofs were presented. We studied and obtained existence and uniqueness theorems for variational inequalities. Many differential equations that ariseย from different kind of application were solved by a very simple calculation. We discov- eredย thatย thisย approachย doesย notย giveย theย existenceย andย uniquenessย ofย classicalย and weak solutions. Hence, the concept of Variational approach is paramount. weย es- tablishedย theย existenceย andย uniquenessย ofย solutionsย ofย variationalย inequalities.ย This wasย achievedย throughย theย useย ofย Stampacchiaย theoremย andย Lax-Milgramย theorem. And itsย applications.
We Considered the following Problem
โujjย +ย uย =ย fย ย ย onย Iย =ย (0,ย 1), u(0)ย =ย ฮฑ,ย u(1)ย =ย ฮฒ.
with ฮฑ, ฮฒ โ R given and f โ L2(I) given.
(4.0.1
And obtained its solution using variational approach via Stammpacchia Theorem.
We also looked at its application in Rn and more generally in Hilbert Space. We also considered the problem of the form
โโu + u = f on โฆ, f โ L2(โฆ) u = g on ฮ.
(4.0.2)
We obtained its solution using variational approach by applying Stammpacchia theorem
Bibliography
- Blum, E. From Optimization and Variational Inequalities to Equilibrium Prob- lems Student, pp. 123-145 Vol.63,1994
- Brezis,ย Functionalย Analysis,ย Sobolevย Spacesย andย Partialย Differentialย Equa- tion Spring Science and Business Media,ย 2010.
- Browder,F. E. Fixed Point Theory and Nonlinear Problems Sym.Pure. BMath, pp. 49-88, Vol.39, 1983.
- Chidume, C. E. ApplicableFunctionalย Analysis University of Ibadan, Press,
- Cottle, R. W., Giannessi, F., and Lions, J. L. Variational Inequalities and ComplementarityProblems:ย Theoryย andย Applicationsย Johnย Wileyย andย Sons, 1980.
- Ezzinbi,ย Lectureย Notesย onย Distributionย Theory,ย Sobolevย Spacesย andย Elliptic Partial Differential Equation African University of Science and Technology, Abuja,ย 2018.
- Harker,ย T.ย andย Pang,ย J.ย S.ย Finite-Dimensionalย Variationalย Inequalitiesย and Nonlinear Complementarity Problems: a Survey of Theory, Algorithmsย and Applications Mathematical Programming, Vol.48(1-3), pp. 161-220,ย 1990.
- Kinderlehrer,ย andย Stampachia,ย G.ย Anย Introductionย toย Variationalย Inequal- itiesย andย theirย Applicationsย SIAM,ย Vol.31,ย 1980.
- Konnov, I. V. and Laitinen, E. Theory and Applications of Variational In- equalities Universityofย Oulu,ย Departmentย ofย Mathematicalย Sciences, 2002.
- Minty, J. On the Generalization of a Direct Method of the Calculus of VariationsBulletinย ofย Americanย Mathematicalย Society,ย Vol.73(3),ย pp.ย 315-321, 1967.