Dati registro

insegnamento: Calcolo delle Variazioni A
codice: 096AA
corso di studi: Laurea Magistrale inb Matematica (WMA-LM)
anno accademico: 2023-2024
responsabile: Giovanni Alberti
docente: Giovanni Alberti
totale ore: 48

Lezioni
  1. Mer 28/02/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Presentazione del programma del corso. Concetto base: trovare un minimo per certi funzionali integrali "equivale" a risolvere un'equazione differenziale. Definizione della variazione prima di un funzionale F su uno spazio (vettoriale) X di funzioni.
    Calcolo della variazione prima per F(u) := integrale di |nabla u|^2 + f(x,u) sullo spazio X=C^1_0(Omega) (condizione di Dirichlet al bordo): forma debole e forma forte, equazione di Eulero-Lagrange associata (soddisfatta da minimi sufficientemente regolari).
    Stesso calcolo quando lo spazio è X=C^1(chiusura di Omega) (senza condizioni al bordo): condizioni di Neumann come parte dell'equazione di E.-L.
  2. Gio 29/02/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Determinazione dell'equazione di E.-L. per il funzionale F(u) := integrale di |nabla u|^2 + f(x,u) e condizione di Dirichlet u=u_0 al bordo.
    Calcolo di variazione prima ed equazione di E.-L. per F(u) := integrale di f(x,u,u') su C^1([a,b]) senza condizioni al bordo, oppure con condizione di Dirichlet.
    Calcolo di variazione prima ed equazione di E.-L. per F(u) := integrale di f(x,u,nabla u) su C^1(Omega) senza condizioni al bordo, oppure con condizione di Dirichlet.
    Estensione dei calcoli precedenti per F(u) := integrale di |nabla u|^2 (energia di Dirichlet) nei seguenti casi: a) aggiunta di un'integrale (semplice) sul bordo; b) vincolo sulla media di u; c) vincolo u \ge g (problema con ostacolo) (punto chiave: uso di variazioni unilaterali).
    Lasciati da fare: estensione dei calcoli precedenti al caso u vettoriale; calcolo della variazione prima e dell'equazione di E.-L. nel caso di F(u) := integrale di | Delta u|^2.
  3. Mer 06/03/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Ripasso degli ultimi due esempi della lezione precedente (problema con ostacolo, vincolo sulla media di u).
    Altri esempi di calcolo della variazione prima e dell'equazione di E.-L.:
    a) F(u) := integrale di f(x,u) (f non dipende da nabla u);
    b) F(u) := energia di Dirichlet con il vincolo ||u||_2 = 1. Interpretazione del risultato in termini di moltiplicatori di Lagrange; interpretazione come calcolo del più piccolo autovalore del laplaciano.
  4. Gio 07/03/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Calcolo di variazione prima ed equazione di E.-L. per F(u) = integrale_0^1 |u'|^2 (energia di Dirichlet in dimensione 1) sullo spazio dei cammini u nella sfera S^n con estremi fissati. Problema chiave: determinazione delle variazioni ammissibili.
    Estensione dei calcoli precedenti al caso di X = spazio dei cammini in una superficie k-dimensionale assegnata M. L'equazione di E.-L. corrisponde all'equazione delle geodetiche.
    Osservazione importante: nel problema precedente un minimo dell'energia di Dirichlet è anche un minimo del funzionale lunghezza; viceversa ogni minimo della lunghezza parametrizzato a velocità costante è un minimo dell'energia di Dirichlet.
  5. Mer 13/03/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Equazione delle geodetiche in una varietà Riemanniana.
    Variazione prima ed equazione di E.-L. per il funzionale area sull'insieme delle superfici (di codimensione 1 in R^n) con bordo assegnato; equazione delle superfici minime: la curvatura media è uguale zero. Le variazioni ammissibili sono (rappresentate da) campi di vettori sulla superficie.
  6. Gio 14/03/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Definizione e calcolo della variazione "interna" per F(u) := integrale_a^b di f(x,u,u'). Usando le variazioni interne si ottiene una condizioni necessaria di minimalità più debole dell'equazione di E.-L. (in particolare se u è vettoriale). Tuttavia se f non dipende da x si ottiene la forma di du Bois-Reymond dell'equazione di E.-L., che ha senso anche se u è solo di classe C^1.
    Derivazione formale della variazione interna nel caso precedente a partire da quella esterna.
    Problema con discontinuità libera in dimensione uno: le variazioni interne danno una condizione necessaria per la minimalità che non segue dall'equazione di E.-L.
    Esempi semplici di non esistenza dei minimi; ruolo delle condizioni al bordo.
    Sintesi di quanto visto nelle prime sei lezioni.
  7. Mer 20/03/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Esistenza dei minimi: il metodo diretto nel Calcolo delle Variazioni. Risultato di esistenza del minimo di un funzionale F su uno spazio astratto X, versione base: F semicontinuo inferiormente e X compatto; versione di uso più frequente: F semicontinuo inferiormente e coercivo.
    Esempio con X di dimensione infinita: esistenza delle geodetiche in spazi metrici compatti (intese come cammini di lunghezza minima che connettono due punti assegnati).
    Risultato di compattezza astratto: teorema di Banach-Alaoglu. Risultato di compattezza in spazi di Sobolev (del primo ordine, su domini regolari e limitati).
  8. Gio 21/03/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Definizione di convergenza debole di una successione (u_n) nello spazio di Sobolev W^{1,p}(Omega): u_n --> u e nabla u_n --> nabla u in L^p debole (debole* per p = infinito)
    Fatto base 1: se u_n converge debole a u in L^1 e le derivate nabla u_n sono equi-limitate in L^p allora si ha la convergenza debole in W^{1,p}, e forte in L^q per q < p* (esponente dell'immersione di Sobolev).
    Fatto base 2: un funzionale F su W^{1,p} è coercivo (debole) se e solo se F(u_n) limitata implica che la successione (u_n) è equi-limitata in W^{1,p}.
    Esempio: esistenza del minimo di F(u) := integrale di |nabla u|^2 + f(x,u) con f a crescita quadratica dal basso e sci in u e X = W^{1,2} (senza condizioni al bordo).
  9. Mer 10/04/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Condizioni che garantiscono la coercività di un funzionale integrale definito su un sottoinsieme X di su W^{1,p} (chiusura debole di X + ipotesi di crescita sulla funzione integranda). Esempi.
    Traccia sul bordo di una funzione di Sobolev. Esistenza per problemi con condizioni al bordo di tipo Dirichlet. Uso di norme equivalenti per dimostrare la coercività.
  10. Gio 11/04/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Una classe di norme equivalenti su Spazi di Sobolev di ordine k definiti su aperti connessi e non solo (dimostrazione dettagliata).
    Disuguaglianza di Poincaré generalizzata (dimostrazione dettagliata).
  11. Mer 17/04/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Esempio di esistenza (con condizione di Dirichlet su parte del bordo).
    Strategia generale per l'esistenza di minimi di un funzionale integrale F definito su un sottoinsieme X di W^{1,p} (ripresa da una lezione precedente): ipotesi di crescita su una funzione integranda f(x,u,nabla u) generale che garantiscono la coercività di F nel caso in cui X coincide con tutto lo spazio, e nel caso in cui X è un sottoinsieme definito da una certa classe di condizioni. Esempi concreti di tali condizioni.
  12. Gio 18/04/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Primo risultato di semicontinuità debole su W^{1,p} per funzionali integrali F con integranda f=f(x,u,z) (con z=nabla u) che è misurabile in tutte le variabili, semicontinua in (u,z) per quasi ogni x, convessa in z per quasi ogni x ed ogni u.
    Dimostrazione nel caso in cui f non dipende da u, passando dalla semicontinuità debole per funzionali integrali G(v) su L^p con integranda g(x,v) convessa e semicontinua inferiormente in v per quasi ogni x.
    Dimostrazione nel caso in cui f dipende anche da u, passando dalla semicontinuità forte-debole per funzionali integrali G(u,v) su L^q x L^p con funzione integranda g(x,u,v) continua in u, uniformemente in v.
  13. Mer 24/04/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    La semicontinuità forte di un funzionale F con integranda f(x,z) (con z=nabla u) implica la semicontinuità inferiore della funzione integranda f nella variabile z per quasi ogni x. La semicontinuità debole implica la convessità di f nella variabile z per quasi ogni x nel caso in cui la variabile u abbia valori reali (problemi scalari) oppure nel caso in cui x è reale (problemi uno-dimensionali). Nei casi rimanenti si ottiene che f deve essere rango-uno convessa.
  14. Gio 02/05/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Richiamo del risultato della lezione precedente sulle condizioni necessarie per la semicontinuità forte/debole di un funzionale integrale F con integranda f=f(x,z) (z=nabla u).
    Varianti di questo risultato: 1) condizioni necessarie per la semicontinuità forte/debole su un sottospazio di W^{1,p} definito da una condizione al bordo di Dirichlet; 2) estensione al caso f=f(x,u,z) (dimostrazione solo accennata, nel caso che f sia continua in u, uniformemente in x e z).
    Definizione di convessità / R1-convessità / policonvessità / quasiconvessità per funzioni f definite sullo spazio delle matrici m x n. Relazione con la semicontinuità debole del funzionale integrale associato (caso vettoriale), solo enunciata.
    Caratterizzazione della convessità in termini di disuguaglianza di Jensen; la disuguaglianza che definisce la quasiconvessità corrisponde alla disuguaglianza di Jensen per una particolare classe di funzioni test.
  15. Mer 08/05/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Relazioni tra le varie nozioni di convessità per la funzione integranda f(z) e la semicontinuità debole per il funzionale F(u) = integrale di f(nabla u):
    Teorema 1: f policonvessa (e finita) implica f quasiconvessa.
    Teorema 2: f policonvessa (e positiva) implica F debolmente sci su W^{1,p} con p>n.
    Passo chiave nella dimostrazione per m=n=2: rappresentazione del determinante del gradiente di u come divergenza e continuità del determinante del gradiente rispetto alla convergenza debole in W^{1,p}.
    Passo chiave nella dimostrazione del caso generale: rappresentazione del determinante di un minore k x k del gradiente come differenziale di un'opportuna forma.
  16. Gio 09/05/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Ancora sulle relazioni tra le varie nozioni di convessità per la funzione integranda f e la semicontinuità debole per il funzionale associato F.
    Teorema 1: f quasiconvessa (e finita) implica f R1-convessa, che implica f localmente Lipschitz,
    Teorema 2: F debolmente sci su W^{1,p} implica f quasiconvessa.
  17. Mer 15/05/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Ultima lezione sulle relazioni tra le varie nozioni di convessità per la funzione integranda f(z) e la semicontinuità debole per il funzionale associato F.
    Teorema 1: f quasiconvessa (e finita) implica F debolmente sci su W^{1,infinito}.
    Cenno al caso f=f(x,u,z) e alla semicontinuità debole su W^{1,p}.
  18. Gio 16/05/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Dimostrazione di alcuni risultati utilizzati nelle lezioni precedenti, tra cui il teorema di differenziabilità quasi ovunque per funzioni W^{1,p}(Omega) con Omega aperto di R^d e p>d.
    Nuovo argomento: equazione di Eulero-Lagrange per minimi in spazi di Sobolev. Lemma di derivazione sotto il segno di integrale (con cenno di dimostrazione). Derivazione dell'equazione di E.-L. in forma debole (distribuzionale) per il funzionale F(u) := int_a^b |u'|^2 + g(x,u) con g sufficientemente regolare; l'equazione di E.-L. in forma debole implica che u appartiene a W^{2,1} e che l'equazione di E.-L. vale in senso forte (puntuale).
    Cenno al caso di un funzionale più generale, sempre in dimensione uno.
  19. Lun 20/05/2024, 18:00-20:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Esercizio: regolarità dei minimi ed equazione di E.-L. in forma forte per funzionali in dimensione 1 con integranda f=f(x,u,u') sufficientemente regolare e uniformemente strettamente convessa nella variabile z=u'.
    Derivazione dell'equazione di E.-L. in forma debole per F(u) = int |nabla u|^2 + g(x,u) con g sufficientemente regolare; si ottiene che il laplaciano di u (inteso nel senso delle distribuzioni) appartiene a L^p.
    Regolarità di base: sia u una funzione in L^2(R^n) con Delta u in L^2(R^n); allora u appartiene a W^{2,2}(R^n).
    Corollario: dato Omega aperto regolare e u in W^{1,2}(Omega) con Delta u in L^2(Omega), allora u appartiene a W^{2,2}_loc(Omega). Attenzione l'enunciato senza "loc" non vale.
  20. Mer 22/05/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Regolarità di base. Teorema 1: dato Omega aperto regolare e u in W^{1,2}(Omega) con Delta u in L^2(Omega) e u=0 sul bordo, allora u appartiene a W^{2,2}(Omega).
    Definizione distribuzionale della condizione "div v=f su Omega e v dot nu=0 sul bordo di Omega" (dove nu è la normale esterna al bordo di Omega). Teorema 2: sia u in W^{1,2}(Omega) con Delta u in L^2(Omega) e la derivata normale di u = 0 sul bordo di Omega (nel senso delle distribuzioni) allora u appartiene a W^{2,2}(Omega).
    Cenno al caso Delta u in L^p(Omega).
  21. Gio 23/05/2024, 09:00-11:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Rilassamento. Motivazione: ricerca di un minimo in uno spazio di funzioni regolari partendo dall'esistenza del minimo in uno spazio di Sobolev e usando la teoria della regolarità. Cosa succede se il minimo di Sobolev non è regolare? È comunque il limite delle successioni minimizzanti regolari?
    Queste e altre domande giustificano la definizione astratta di rilassamento di una funzione F definita su un sottoinsieme X' di uno spazio metrico. Proprietà astratte del rilassamento. In generale il rilassamento di un funzionale integrale F ristretto ad un sottospazio di funzioni regolari potrebbe non essere il funzionale F stesso (collegamento con il fenomeno di Lavrentiev).
  22. Lun 27/05/2024, 18:00-20:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Gamma convergenza. Definizione di equicoercività una successione di funzioni F_n su uno spazio metrico X alla funzione F; definizione di Gamma-convergenza di una successione di funzioni F_n su uno spazio metrico X alla funzione F.
    Proprietà elementari della Gamma-convergenza, tra cui quella fondamentale: se le funzioni F_n sono equicoercive e Gamma-convergono a F, i minimi x_n di F_n convergono (a meno di sottosuccessioni) ai minimi di F.
    Esempi (in contesto astratto).
  23. Mer 29/05/2024, 11:00-13:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Gamma-convergenza dei funzionali di Ginzburg-Landau scalari (Teorema di Modica-Mortola).
    Interpretazione fisico del funzionale di Ginzburg-Landau scalare F_epsilon e comportamento euristico per epsilon che tende a zero: convergenza dei minimi di F_epsilon alla funzione caratteristica di un insieme che minimizza l'area dell'interfaccia.
    Formulazione intuitiva del teorema di Gamma convergenza.
  24. Gio 30/05/2024, 16:00-18:00 (2 ore) lezione: Giovanni Alberti
    Gamma-convergenza dei funzionali di Ginzburg-Landau scalari. Passi per una dimostrazione rigorosa:
    1) formula di coarea (per funzioni regolari, dimostrazione solo accennata);
    2) spazio delle funzioni BV su un aperto Omega: definizione distribuzionale, esempi significativi (funzioni C^1 a tratti con discontinuità), teoremi di immersione / compattezza / approssimazione con funzioni regolari (dimostrazioni solo accennate);
    3) insiemi di perimetro finito in un aperto Omega: esempi significativi, teoremi di compattezza e di approssimazione con insiemi regolari (dimostrazioni solo accennate), teorema di struttura della derivata (solo enunciato).
    4) Enunciato e dimostrazione del teorema di Modica-Mortola.