Una familia de energías puede representar mallas cada vez más finas o modelos con una escala que desaparece. Queremos saber qué problema de mínimos queda al final. Γ-convergencia observa también puntos que se mueven con el modelo: así detecta oportunidades de energía que mirar cada punto fijo puede ocultar.
Si necesitas repasar:
1. Primero elegimos qué significa que una configuración se aproxima a otra
Si una configuración no es admisible para n, le asignamos +∞. El índice n cambia la energía; el argumento x es la configuración y también puede cambiar en una sucesión xₙ.
La topología es parte del problema. Convergencia uniforme, fuerte L² o débil de Sobolev permiten aproximaciones diferentes y pueden producir límites Γ distintos. En topologías débiles se precisa la formulación secuencial y sus condiciones; no se presupone una métrica global para cualquier espacio débil.
Distinguir índice y configuración
Fₙ(x)=x²+1/n; tomamos n=4 y x=2.
Índice
n=4 elige una función concreta.Argumento
x=2 elige un punto de esa función.Valor
F₄(2)=4+1/4=17/4.Con xₙ=1/n se cambiarían ambas cosas a la vez.
La definición deberá controlar configuraciones que dependen de n.
Fₙ(xₙ) no significa mantener fijo el argumento.
Una distancia distinta cambia qué aproximaciones caben
En ℝ, comparamos la distancia usual con la discreta d(x,y)=1 si x≠y.
Usual
1/n converge a cero.
Discreta
La distancia de 1/n a cero siempre es uno.
Converger
En la métrica discreta una sucesión convergente debe ser finalmente igual a su límite.
La misma energía puede tener distinta relajación según la topología.
No se cambia la noción de convergencia a mitad de una prueba.
2. La cota inferior se exige a todas las aproximaciones convergentes
La primera condición es . Ninguna aproximación convergente debe conseguir una energía límite menor que la asignada por F.
Comprobar solo xₙ=x no basta: los puntos de energía baja pueden moverse con n. La condición universal está diseñada para incluir precisamente elecciones que aprovechan esos puntos especiales.
Una cota que funciona con un argumento móvil
Fₙ(x)=x²+1/n y xₙ→x.
Continuidad
xₙ²→x².Corrección
1/n→0.Límite
Fₙ(xₙ)→x², así la cota inferior para F=x² se cumple en toda sucesión.
Se ha controlado el cuantificador universal.
No se escogió una única sucesión favorable.
Descartar una candidata demasiado alta
Para la misma familia se propone F(x)=x²+1.
Elegir
Tomamos xₙ=x, una aproximación permitida.Derecho
liminf Fₙ(x)=x².Fallo
La condición exigiría x²+1≤x².
Una sola sucesión que falle basta para descartar una candidata.
Probarla exige todas; refutarla puede hacerse con una.
3. La recuperación pide una aproximación que alcance el coste propuesto
La segunda condición dice que para cada x existe alguna sucesión xₙ→x con limsup Fₙ(xₙ)≤F(x). Es una sucesión de recuperación. Su construcción puede depender de x y no todas las aproximaciones tienen que servir.
Si F(x)=+∞, la desigualdad superior no exige una cota finita. No se intercambian toda y existe entre las dos condiciones.
Recuperar una curva cuadrática desplazada
Fₙ(x)=(x−1/n)² y candidata F(x)=x².
Elegir
Para recuperar x usamos xₙ=x+1/n.Converger
xₙ→x.Valor
Fₙ(xₙ)=x² exactamente.Para cualquier otra sucesión convergente también se cumple la cota inferior por continuidad.
Las dos condiciones prueban Γ-convergencia.
Una recuperación aislada no habría probado la cota universal.
Aproximar usando solo puntos de una malla
Fₙ(x)=x² si x∈(1/n)ℤ y +∞ fuera.
Construir
Elegimos xₙ redondeando nx al entero más próximo y dividiendo por n.
Error
|xₙ−x|≤1/(2n), así xₙ→x.Energía
Fₙ(xₙ)=xₙ²→x².Como Fₙ(y)≥y² para todo y, también vale la cota inferior.
La malla recupera cada punto del problema continuo.
La sucesión constante x podría no ser admisible para ningún n.
4. Un límite Γ incorpora la semicontinuidad de la energía efectiva
El Γ-límite es semicontinuo inferior en la topología indicada. En un espacio métrico, una familia constante Fₙ=G tiene como Γ-límite la envolvente semicontinua inferior de G, que puede ser distinta de G.
La relajación asigna a cada punto el coste accesible por aproximaciones cercanas. Si G ya es semicontinua inferior, no cambia. Si tiene un salto hacia arriba que se puede evitar aproximando, ese salto desaparece en la envolvente.
Un salto que la aproximación puede evitar
G(0)=1 y G(x)=0 si x≠0, con distancia usual.
Cota
G es no negativa, así F=0 cumple la desigualdad inferior.En cero
xₙ=1/n converge a cero y tiene energía cero.Fuera
Para x≠0 la sucesión constante recupera cero.
La familia constante Γ-converge a la función cero.
Evaluar siempre en x=0 daría uno y perdería la aproximación relevante.
La misma fórmula con distancia discreta
Usamos G anterior pero la métrica discreta.
Aproximaciones
Toda xₙ→x es finalmente igual a x.Energías
G(xₙ) es finalmente G(x).
Límite
La familia constante Γ-converge a G, incluido G(0)=1.
El resultado cambia porque cambió qué significa aproximar.
No contradice el cálculo usual: son espacios métricos distintos.
5. Un pozo móvil hace fallar la convergencia puntual como criterio
Para cada x fijo la excepción aparece como mucho una vez, así Gₙ(x)→x² puntualmente. Pero elegir el punto especial cada vez produce otra energía.
El salto hacia abajo es compatible con semicontinuidad inferior.
Detectar el problema de la candidata puntual
Candidata H(x)=x² y xₙ=1/n.
Configuración
xₙ→0.Energía
Gₙ(xₙ)=1/n²−1→−1.Cota fallida
H(0)=0 no es menor o igual que −1.
El límite puntual H no es el Γ-límite.
La figura marca el punto verdadero y el hueco de la parábola para cada n.
No toda aproximación es una recuperación
Para el verdadero F usamos en cero la sucesión constante xₙ=0.
Valores
Gₙ(0)=0 para todo n.Objetivo
F(0)=−1.Comparar
El limsup cero no es ≤−1, así esta sucesión no recupera F(0); la sucesión 1/n sí.
La condición superior exige al menos una recuperación, no todas.
La condición inferior sí admite esta sucesión: −1≤0.
6. Equicoercividad impide que energías acotadas escapen del espacio visible
Una familia es equicoerciva si para cada M real existe un compacto que contiene todos los subniveles {x:Fₙ(x)≤M}. Así cualquier sucesión con energía uniformemente acotada tiene una subsucesión convergente.
En ℝᵈ basta una cota común Fₙ(x)≥a||x||ᵖ−b con a,p>0 y b fijo: cada subnivel queda en una bola compacta. En dimensión infinita, una bola acotada no es necesariamente compacta para la norma; hace falta compacidad en la topología elegida.
Una cota común que da el compacto
Fₙ(x)=x²+1/n en ℝ.
Comparar
Fₙ(x)≥x².Subnivel
Si Fₙ(x)≤M y M≥0, entonces |x|≤√M.Compacto
Todos quedan en [−√M,√M]; para M<0 son vacíos.
La misma cota sirve para todos los índices.
Un compacto que dependiera libremente de n no probaría equicoercividad.
Acotación sin compacidad fuerte en un Hilbert
eₙ es la base ortonormal de ℓ².
Normas
||eₙ||₂=1 para todo n.Distancias
||eₙ−eₘ||₂=√2 si n≠m.Conclusión
No hay subsucesión convergente en norma, aunque la sucesión esté acotada.
Acotado y compacto son distintos en dimensión infinita.
En topología débil eₙ⇀0; habría que formular el problema con esa convergencia.
7. Con compacidad, los casi mínimos llegan al mínimo límite
Supongamos Γ-convergencia, equicoercividad, F propia con ínfimo real finito y cada Fₙ con ínfimo real finito. Si Fₙ(xₙ)≤inf Fₙ+εₙ, εₙ→0, entonces los ínfimos convergen al mínimo de F y todo punto de acumulación de xₙ minimiza F.
Una recuperación de algún punto de energía finita acota los valores minimizantes por arriba. Equicoercividad da subsucesiones; la cota inferior y la comparación con recuperaciones identifican el mínimo. No se ha supuesto que cada Fₙ alcance exactamente su ínfimo; para eso se requieren condiciones adicionales.
Aplicar el resultado a una familia simple
Fₙ(x)=x²+1/n.
Mínimos
xₙ=0 y min Fₙ=1/n.Límite
F=x² tiene mínimo cero en cero.Verificar
Los puntos se mantienen en cero y los valores tienden a cero, de acuerdo con las dos hipótesis ya comprobadas.
Aquí convergen valores y minimizadores.
Son afirmaciones diferentes aunque aparezcan juntas en este ejemplo.
Trabajar sin minimizadores exactos
Fₙ(x)=x²+1/n y elegimos xₙ=1/√n.
Energía
Fₙ(xₙ)=2/n.Casi mínimo
Excede al ínfimo 1/n en εₙ=1/n→0.Punto
xₙ→0, el único mínimo del límite.
No hace falta resolver cada problema exactamente para usar la conclusión.
El error de casi minimalidad debe tender a cero.
8. Una recuperación de cada competidor completa la comparación
Sea una subsucesión de casi minimizadores que converge a x. Para cualquier competidor y tomamos su recuperación yₙ.
La cota inferior a la izquierda y superior a la derecha dan F(x)≤F(y).
Si F tiene un solo minimizador y la familia de puntos es relativamente compacta, la sucesión completa converge a él. Si tuviera una subsucesión alejada, la compacidad daría un punto de acumulación distinto, contradiciendo la unicidad. Con varios mínimos, la conclusión general se limita a sus puntos de acumulación.
Leer la cadena de desigualdades
xₙ→x es casi minimizante y yₙ→y recupera y.
Izquierda
F(x)≤liminf Fₙ(xₙ).Comparar
liminf Fₙ(xₙ)≤limsup Fₙ(yₙ), porque el error εₙ desaparece.Derecha
limsup Fₙ(yₙ)≤F(y).Como y era arbitrario, x minimiza F.
Las dos partes de Γ-convergencia tienen trabajos complementarios.
Se usan recuperaciones en los índices de la subsucesión elegida.
Varios mínimos no obligan a elegir uno solo
Familia constante Fₙ(x)=(x²−1)²; xₙ alterna uno y menos uno.
Mínimos
Ambos puntos tienen energía cero.
Compacidad
Los subniveles son acotados y cerrados; la familia es equicoerciva.
Acumulación
Las dos subsucesiones convergen a mínimos, pero la sucesión entera no converge.
La no unicidad deja abierta la selección entre mínimos.
Γ-convergencia no decide una selección que el modelo no distingue.
9. Sin compacidad los minimizadores pueden escapar y cambiar el límite de valores
Finalmente gana xₙ², que tiende a x².
El subnivel cero contiene [n−1,n+1], además de {0}, y no cabe en compactos comunes. El ejemplo identifica exactamente el papel que faltaba: equicoercividad.
Calcular los mínimos que se marchan
Hₙ=min{x²,(x−n)²−1}.
Cota inferior
Ambas ramas son ≥−1.Alcanzar
En x=n la segunda rama vale −1.Comparar
Los mínimos permanecen en −1 y sus puntos n no tienen subsucesión convergente en ℝ.
Los valores no se acercan al mínimo cero del límite.
La Γ-convergencia sí vale porque solo pregunta por sucesiones que convergen en el espacio elegido.
Ver el subnivel en dos índices
Nivel cero para n=3 y n=6.
Resolver
x²≤0 solo permite cero; (x−n)²−1≤0 permite [n−1,n+1].Casos
Se obtienen {0}∪[2,4] y {0}∪[5,7].
Todos los n
Ningún compacto fijo contiene esos intervalos al crecer n.
Una secuencia de subniveles que se aleja destruye la hipótesis común.
Cada Hₙ individual puede tener subniveles compactos sin que toda la familia sea equicoerciva.
10. Las sumas necesitan recuperaciones compatibles
Sumar una función continua fija h:X→ℝ conserva la Γ-convergencia: h(xₙ)→h(x) sirve tanto para la cota inferior como para una recuperación. Una suma de dos familias Γ-convergentes arbitrarias no tiene esa garantía.
La razón es que cada familia puede necesitar una recuperación diferente para alcanzar su coste bajo. En discretización se construyen aproximaciones admisibles y en homogeneización pueden intervenir correctores. Esta teoría controla mínimos globales; para mínimos locales o evoluciones temporales se necesitan resultados adicionales.
Añadir una carga continua
Fₙ=x²+1/n y h(x)=−2x.
Límite
F+h=x²−2x=(x−1)²−1.Cada problema
Fₙ+h=(x−1)²−1+1/n.Mínimos
Están en uno y sus valores −1+1/n tienden a −1.
La continuidad de h hace compatibles las comparaciones.
Si h dependiera de n arbitrariamente, habría que analizar esa nueva familia.
Dos puntos favorables que nunca coinciden
Aₙ vale cero solo en 1/n y uno fuera; Bₙ vale cero solo en −1/n y uno fuera.
Por separado
Cada Γ-límite vale cero en cero y uno fuera: se recupera usando su propio punto especial.
Sumar
Los puntos especiales nunca coinciden. La suma tiene mínimo uno en ±1/n y vale dos fuera.
Límite de suma
Su Γ-límite vale uno en cero y dos fuera, distinto de la suma de límites, que valdría cero en cero.
Las recuperaciones individuales pueden ser incompatibles.
La desigualdad inferior de una suma no sustituye la construcción de una recuperación común.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Un desplazamiento pequeño
Demuestra Γ-convergencia de Fₙ(x)=x²+1/n a F=x².
Datos
Fₙ(x)=x²+1/n y F(x)=x² en ℝ con distancia usual.Toda aproximación
Sea xₙ→x, sin escoger una forma especial.
Cota inferior
Por continuidad, xₙ²+1/n→x², así F(x)≤liminf Fₙ(xₙ).Recuperación
Para cada x elegimos xₙ=x.Cota superior
Fₙ(x)=x²+1/n→x², así limsup≤F(x).Concluir
Se cumplen ambos cuantificadores y Fₙ Γ-converge a F.
Fₙ Γ-converge a x².
La prueba inferior no se limita a puntos fijos; trabaja con cualquier xₙ→x y por ello cubre el cuantificador decisivo.
EJEMPLO RESUELTO 2
Mínimos del ejemplo
Halla minimizador y mínimo de Fₙ.
Energía
Fₙ(x)=x²+1/n.Cota
x²≥0 da Fₙ(x)≥1/n.Alcanzar
En x=0 el valor es exactamente 1/n.Unicidad
x²=0 solo si x=0.Valores
El mínimo 1/n tiende a cero.
Puntos
El minimizador es la sucesión constante cero, que converge al mínimo del límite.
Minimizador 0 y mínimo 1/n.
Los minimizadores son la sucesión constante cero y no escapan; valores y puntos se ajustan al teorema de mínimos.
Los símbolos que hemos usado
- X,d
- Espacio métrico y distancia que fijan la convergencia xₙ→x.
- Fₙ,F
- Energías con valores reales o+∞, en el marco propio y acotado inferiormente considerado.
- Γ-límite
- Energía que cumple las desigualdades inferior y de recuperación.
- liminf
- Límite inferior de una sucesión de valores.
- Recuperación
- Sucesión xₙ→x cuyo límite superior de energías no supera F(x).
- Equicoercividad
- Subniveles de todas las energías contenidos, para cada nivel, en un mismo compacto.
- εₙ-minimizador
- Punto con energía como máximo inf Fₙ+εₙ, donde εₙ→0.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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