Condici´on de entrop´ıa generalizada

conφ∈D+, en virtud de que sgn(u−a) =sgn(u0−a) =1. El lado derecho de la desigual- dad anterior es cero tras integraci´on directa, ya queφ es de soporte compacto. Igualmente, tomandok=b, obtenemos

Z +∞

0 Z +∞

−∞

φtu+φxf(u)dxdt+ Z +∞

−∞

φ(x,0)u0(x)dx ≤ 0.

De este modo, Z +∞

0 Z +∞

−∞

φ_tu+φ_xf(u)dxdt+ Z +∞

−∞

φ(x,0)u0(x)dx = 0,

para todaφ ∈D+. Por linealidad, y usando−φ, esta igualdad es cierta tambi´en para cada φ∈C₀^∞(R×R;R), sin importar su signo; de este modou es una soluci´on d´ebil de (3.1) y (3.2).

Sea una funci´on de pruebaφ∈D+. Para cadaα>0, definimos las integrales, Jα:=

Z ∞

0 Z

R

φ_tEα(u) +φ_xΨα(u)dx dt+ Z

R

φ(x,0)Eα(u0)dx, J:=

Z _∞

0 Z

R

φtE(u) +φxΨ(u)dx dt+ Z

R

φ(x,0)E(u0)dx,

donde el par(Eα,Ψα)est´a dado por (3.14) y (3.15). En virtud de queusatisface (3.16) para cadak_j∈[a,b], que cadaa_j es positiva,φ tiene soporte compacto y de que ues soluci´on d´ebil, tenemos que

J_α=

M

∑

j=1

a_j^{Z ∞}

0 Z

R

φt|u−k_j|+φx(f(u)−f(kj))sgn(u−k_j)dx dt+ Z

R

φ(x,0)|u₀−k_j|dx

≥0, para cadaα>0. Por convergencia uniforme de(Eα,Ψα)y por serφ de soporte compacto, tenemos que J_α →J cuando α →0⁺ y el signo se preserva al tomar el l´ımite, es decir, J≥0. Esto implica que la desigualdad (3.11) se cumple para cada par de entrop´ıa(E,Ψ)y

la soluci´on es entr´opica. ut

Observaci´on 3.8.La conclusi´on del teorema3.7implica que cuando el conjunto de estados admisibles es compacto, basta con verificar la desigualdad de entrop´ıa para el par de Kruˇzkov para garantizar que la soluci´on es entr´opica.

En la siguiente secci´on analizaremos algunas consecuencias de la definici´on de soluci´on entr´opica y daremos un criterio de admisibilidad para soluciones d´ebiles que sean de claseC¹ por pedazos con un n´umero contable de discontinuidades.

Figura 3.1 Intersecci´on del interior del soporte deφ∈ D+, uniformemente alejado det=0, con las regionesΓRy ΓLdefinidas por la orientaci´on de la discontinuidadΣde la soluci´on d´ebilu. Dichos conjuntos se denotan porOR

yOL, respectivamente.

t

x n

^ Γ

Γ

x=x(t) φ

L

R

O_L

^

Σ

OR

supp

tinuidades y que fuera de ellas, son soluciones cl´asicas a (3.1). Estudiemos algunas de las repercusiones de la definici´on3.4. Seauuna de estas soluciones suaves por pedazos, con discontinuidades Σj, j=1, . . . ,N, en el plano(x,t), las cuales no se intersectan y tal que u es soluci´on cl´asica fuera de la uni´on∪Σj. Tomemos una de estas discontinuidades, que denotamos porΣ, y supongamos que acepta una parametrizaci´on entde la forma

Σ={(x(t),t)ˆ ∈R×[0,+∞):t∈[t1,t2]}. Definimos los conjuntos

ΓR:={(x,t)∈R×[0,+∞):x>x(t)ˆ } Γ_L:={(x,t)∈R×[0,+∞):x<x(t)ˆ },

a ambos lados, derecho e izquierdo, de Σ. Por convenci´on, la normal ˆn aΣ apunta en la direcci´on derecha de la curva (ver la figura3.1).

Tomemos una funci´on de pruebaφ∈C₀^∞(R×(0,+∞);R+)⊂D+, es decir,φ=0 cerca det=0. Sea(E,Ψ)cualquier par de entrop´ıa generalizado, y denotemos a su aproximaci´on suave por(E^ε,Ψ^ε), conε>0, en el sentido del lema3.3. Denotamos los conjuntos abiertos OR=ΓR∩(suppφ)^◦yOL:=ΓL∩(suppφ)^◦, donde(suppφ)^◦denota el interior del soporte deφ. Dado queues soluci´on cl´asica fuera deΣ, por la desigualdad (3.11), por convergencia uniforme, y aplicando el teorema de la divergencia enO_RyO_L, obtenemos

0≤ Z ∞

0 Z

R

φ_tE(u) +φ_xΨ(u)dxdt

= Z

OL

φtE(u) +φxΨ(u)dxdt+ Z

OR

φtE(u) +φxΨ(u)dxdt

= l´ım

ε→0⁺

_Z

∂O_L(φE^ε(u)nt+φ Ψ^ε(u)nx)ds− Z

∂O_R(φE^ε(u)nt+φ Ψ^ε(u)nx)ds+

− Z

Γ_R

φ(E^ε(u)t+Ψ^ε(u)x)dxdt− Z

Γ_L

φ(E^ε(u)t+Ψ^ε(u)x)dxdt

=− Z

Σ∩suppφ

φ([E(u)]n_t+ [Ψ(u)]n_xds,

ya queφ=0 en∂O_R,∂O_L, excepto sobreΣ. Dado queφ es arbitraria, esto implica que a lo largo deΣse cumple la desigualdad de salto,

[E(u)]nt+ [Ψ(u)]nx ≤0, es decir,

−dxˆ

dt[E(u)] + [Ψ(u)]≤0, (3.17) para todo par de entrop´ıa generalizado(E,Ψ).

El argumento es, claramente, reversible. Si una soluci´on d´ebil de claseC¹por pedazos satisface la desigualdad (3.17) sobre toda discontinuidadΣ para cualquier par de entrop´ıa generalizado(E,Ψ), entonces, por el principio de partici´on de unidad (ver Yosida [230], p´ag.

60), podemos rellenar el soporte compacto de cualquierφ∈D+mediante un n´umero finito de vecindades abiertasOj,R∪Oj,L=Oj, con j=1, . . . ,N, que pueden intersectar a{t=0}. Dado queu es soluci´on cl´asica fuera deΣ con condici´on inicialu₀, integrando en todo el soporte deφy aproximando(E,Φ)mediante la sucesi´on(E^ε,Φ^ε)obtenemos la desigualdad (3.11). De este modo hemos probado el siguiente

Lema 3.9.Sea u una soluci´on d´ebil de(3.1)y(3.2), de clase C¹por pedazos y con un n´umero contable de discontinuidades∪^j∈NΣj=Σ. Entonces u es soluci´on entr´opica si y s´olo si

[E(u)]nt+ [Ψ(u)]nx ≤0, (3.18) sobreΣ, dondenˆ= (nt,n_x)es el vector normal aΣ que apunta a su lado derecho, y(E,Ψ) es cualquier par de entrop´ıa generalizado. Si, adem´as,Σ admite una parametrizaci´on de la formaΣ={(x(t),t)ˆ :t ∈I}, con I un intervalo y xˆ:I→Rdiferenciable, entonces la desigualdad(3.18)se escribe como

−dxˆ

dt[E(u)] + [Ψ(u)]≤0, (3.19) sobreΣ.

Sustituyendo el par de Kruˇzkov (3.13) en la desigualdad (3.19), obtenemos [(f(u)−f(k))sgn(u−k)]≤dxˆ

dt[|u−k|], (3.20)

sobreΣy para todak∈Ω. Esta desigualdad es conocida como ladesigualdad de entrop´ıa de Kruˇzkov. La importancia de la desigualdad (3.20) es dif´ıcil de subestimar: como veremos a continuaci´on, es posible establecer la equivalencia entre la desigualdad (3.11) y la desigual- dad de entrop´ıa (3.20) para la clase de solucionesC¹por pedazos. Cabe se˜nalar que el c´elebre resultado de existencia y unicidad de soluciones entr´opicas de Kruˇzkov [116] considera ori- ginalmente dicho par de entrop´ıa.

Por el lema 3.9 y la observaci´on 2.9 (c)-(d), si u es una funci´on C¹ por pedazos en R×[0,+∞), con un n´umero contable de discontinuidades,Σ=∪^j∈NΣj, y si, adem´as,ues soluci´on entr´opica de (3.1) y (3.2), entoncesues soluci´on cl´asica fuera deΣ, y sobre cadaΣ_j se satisface la desigualdad (3.20) para todok∈Ω. Esta observaci´on y el teorema3.7sugieren

que el argumento es reversible y que la condici´on es tambi´en necesaria. En efecto, ´este es el contenido del siguiente lema, que afirma la equivalencia entre (3.11) y (3.20) para soluciones C¹por pedazos.

Lema 3.10.Sea u una funci´on de clase C¹por pedazos enR×[0,+∞), con un n´umero con- table de discontinuidadesΣ=∪j∈NΣ_j. Entonces, u es una soluci´on d´ebil y entr´opica de(3.1) y(3.2), si y s´olo si u es soluci´on cl´asica fuera deΣque satisface la desigualdad(3.20)sobre cadaΣ_jpara todo k∈Ω.

Demostraci´on. Siues soluci´on entr´opica y d´ebil, de claseC¹por pedazos, entonces es so- luci´on cl´asica fuera deΣ por la observaci´on2.9(c). Sustituyendo el par de Kruˇzkov en la desigualdad de entrop´ıa (3.18) obtenemos la desigualdad (3.20).

Inversamente, seauuna funci´on de claseC¹por pedazos, que satisface (3.20) sobreΣpara todok∈Ω y que es soluci´on cl´asica fuera deΣ. Si escogemosk=u_R∈Ω, la desigualdad (3.20) toma la forma

dxˆ

dt|u_L−u_R| ≤[f(u)]sgn[u]. (3.21) An´alogamente, si tomamosk=uL∈Ω, la desigualdad (3.20) implica que

dxˆ

dt|u_L−u_R| ≥[f(u)]sgn[u]. (3.22) Combinando (3.21) y (3.22), y dado que[u]6=0, llegamos a las condiciones de Rankine- Hugoniot

dxˆ

dt[u] = [f(u)]. (3.23)

En virtud de queues soluci´on cl´asica fuera deΣy que sobreΣse cumplen las condiciones de salto de Rankine-Hugoniot,ues soluci´on d´ebil. Usando los argumentos de la prueba del lema3.9para el caso particular del par de Kruˇzkov, se concluye queusatisface la desigualdad (3.16) para todaφ∈D+. Aplicando el teorema3.7, la soluci´on es entr´opica. ut Vamos a analizar algunas de las consecuencias de la desigualdad (3.20). En primer lu- gar, probaremos su equivalencia con la siguiente condici´on de entrop´ıa, conocida como la condici´on de entrop´ıa generalizada[128].

Definici´on 3.11.Una soluci´on d´ebil de (3.1), de claseC¹por pedazos, satisface lacondici´on de entrop´ıa generalizadasi en cada discontinuidadΣ se tiene que

αf(uL) + (1−α)f(uR)−f(αuL+ (1−α)uR)

sgn[u]≤0, ∀α∈[0,1]. (3.24) Notamos que la desigualdad (3.24) es cierta si tomamos α =0 ´o α =1. Observamos tambi´en que en el casou_R=u_Lla desigualdad (3.24) se satisface trivialmente, por lo cual decimos simplemente que una soluci´on de claseC¹ por pedazos satisface la condici´on de entrop´ıa generalizada si se cumple (3.24) puntualmente sobreΣ.

Lema 3.12.En la clase de soluciones d´ebiles C¹por pedazos, las condiciones de entrop´ıa (3.20)y(3.24)son equivalentes.

Demostraci´on. Primero probaremos que la desigualdad (3.20) implica la condici´on (3.24).

Fijemos un puntoP∈Σ y supongamos que enP,u_R6=u_L. SeaIel intervalo abierto enR, I= (u_R,u_L)´oI= (u_L,u_R), seg´un el signo de[u]. Hemos probado que (3.20) implica (3.23), por lo que, en virtud de[u]6=0, la velocidad deΣenPest´a dada por

dxˆ

dt =[f(u)]

[u] .

Tomemosα∈(0,1). Entonces definiendok:=αu_L+ (1−α)uR, tenemos quek∈I⊂[a,b], conIabierto. De esta forma la desigualdad (3.20) implica que

(f(uR)−f(k))sgn(uR−k)−(f(uL)−f(k))sgn(uL−k)≤dxˆ

dt(|u_R−k| − |u_L−k|).

Dado que 0<α<1, notamos que

sgn(u_R−k) =sgn(α(u_R−u_L)) =sgn(u_R−u_L) =sgn[u]

sgn(uL−k) =sgn((1−α)(uL−u_R)) =sgn(uL−u_R) =−sgn[u].

Sustituyendo nuevamente, y usando la condici´on de Rankine-Hugoniot, obtenemos (f(uR) +f(uL)−2f(k))sgn[u]≤[f(u)]

[u] (|u_R−k| − |u_L−k|)

=[f(u)]

[u] (|α||u_R−u_L| − |1−α||u_R−u_L|)

=[f(u)]

[u] |uR−uL|(α−(1−α))

= [f(u)]sgn[u](2α−1), es decir,

(f(uR) +f(uL)−2f(k)−[f(u)](2α−1))sgn[u]≤0.

Simplificando la desigualdad anterior, llegamos a la condici´on de entrop´ıa generalizada (3.24) paraα∈(0,1). Siα=0 ´oα=1 la desigualdad (3.24) se satisface trivialmente.

Inversamente, supongamos que (3.24) es v´alida en cada discontinuidad. Sea cualquier k∈Ω= [a,b]. Sik∈Ientonces se invierte el argumento anterior usandok=αuL+(1−α)uR, con cierto α ∈(0,1), para obtener nuevamente la desigualdad (3.20). Si por el contrario k∈/ I entonces tenemos dos casos:a≤k≤m´ın{u_L,u_R}, o bien, m´ax{u_L,u_R} ≤k≤b. La desigualdad (3.20) toma la forma

f(uR)−f(uL)≤dxˆ

dt(uR−u_L), en el primer caso, y

f(uR)−f(uL)≥dxˆ

dt(uR−uL),

u u f(u )

L R

f(u )

R

L

(a)uL<uR

u_R u_L

f(u ) f(u )

R L

(b)uR<uL

Figura 3.2 La figura (a) muestra una discontinuidad admisible para el casouL<uR, es decir, la gr´afica def restringida a(uR,uL)est´a situada por encima de su cuerda. La figura (b) respresenta el caso cuandouR<uL; la discontinuidad es admisible si la gr´afica de frestringida a(uR,uL)est´a situada por debajo de su cuerda.

en el segundo, las cuales se satisfacen en forma de igualdad gracias a la condici´on de Rankine-

Hugoniot. Esto prueba (3.20) para cadak∈Ω= [a,b]. ut

La importancia de la desigualdad de entrop´ıa generalizada (3.24) radica en que constituye una relaci´on geom´etrica muy simple sobre la funci´on de flujo f, lo cual tiene muchas ventajas cuando consideramos aplicaciones concretas. Analicemos la interpretaci´on geom´etrica de (3.24) dependiendo del signo de[u].

Caso 1:[u]>0

Siu_R>u_Lentonces la desigualdad (3.24) toma la forma

αf(uL) + (1−α)f(uR)≤f(αu_L+ (1−α)uR), (3.25) para todo α∈[0,1]. Por lo tanto, la soluci´on es entr´opica (equivalentemente, toda posible discontinuidad es admisible)si y s´olo si la gr´afica de f restringida a(uL,u_R)est´a situada por encima de su cuerda. Dicha cuerda tiene como ecuaci´on

c(u) =[f(u)]

[u] (u−u_L) +f(uL) =αf(uL) + (1−α)f(uR), con

α=−(u−u_R)

[u] ∈[0,1], u∈[uL,u_R].

Este caso se puede apreciar en la figura3.2(a).

u_R u_L f(u )

f(u_L

R

)

(a)uR<uL

u u

f(u )

L R

f(u )

R

L

(b)uL<uR

Figura 3.3 Figura (a): si f es estrictamente convexa entonces la discontinuidad es admisible si y s´olo si uR<uL. Figura (b): sifes estrictamente c´oncava entonces la discontinuidad es admisible si y s´olo siuL<uR.

Caso 2:[u]<0

Siu_R<u_Lentonces la desigualdad (3.24) toma la forma

αf(uL) + (1−α)f(uR)≥ f(αuL+ (1−α)uR), (3.26) para todoα∈[0,1]. De este modo, en este caso la soluci´on es entr´opica (es decir, toda dis- continuidad es admisible)si y s´olo si la gr´afica de f restringida a(uR,uL)est´a situada por debajo de su cuerda. Dicha cuerda tiene como ecuaci´on

c(u) =[f(u)]

[u] (u−uR) +f(uR) =αf(uL) + (1−α)f(uR), con

α=−(u−uR)

[u] ∈[0,1], u∈[uR,u_L].

V´ease la figura3.2(b).

Ejemplo 3.13.La condici´on (3.24) se simplifica considerablemente si la funci´on f es estric- tamente convexa o estrictamente c´oncava.

(a) Si f es estrictamente convexa (como ejemplo tenemos la ecuaci´on de Burgers no viscosa, conf(u) =¹₂u²), la gr´afica est´a siempre bajo su cuerda. Por lo tanto, la discontinuidad es admisible si y s´olo siuR<uL(ver figura3.3(a)).

(b) Si f es estrictamente c´oncava, la gr´afica de f siempre est´a por encima de su cuerda. Por lo tanto, la discontinuidad es admisible si y s´olo siu_L<u_R(ver figura3.3(b)).

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