Lexikon der Mathematik: Sobolew-Räume
Banach- und Hilberträume von im verallgemeinerten Sinn differenzierbaren Funktionen.
Im folgenden seien 1 ≤ p< ∞, m ∈ ℕ und Ω ⊂ ℝd eine offene Menge. Der Sobolew-Raum Wm,p(Ω) besteht aus allen Lp-Funktionen auf Ω, deren Distributionen- oder schwache Ableitung Dαf für jeden Multiindex α der Ordnung |α| ≤ m ebenfalls zu Lp(Ω) gehört. Dabei sagt man, eine lokal integrierbare Funktion g sei die α-te schwache Ableitung von f, falls
Die Sobolew-Räume werden durch
Das Sobolew-Lemma (auch als Einbettungssatz von Sobolew bekannt) besagt, daß
Um Randwertprobleme behandeln zu können, führt man den Sobolew-Raum \({W}_{0}^{m,p}(\Omega)\) ein, der als Abschluß von \({C}_{0}^{\infty}(\Omega)\) in Wm,p (Ω) definiert ist. Auf \({W}_{0}^{m,p}(\Omega)\) definiert
Nach dem Einbettungssatz von Rellich-Kondratschow ist für beschränkte Mengen Ω der identische Einbettungsoperator von \({W}_{0}^{m,p}(\Omega)\) nach Lp(Ω) kompakt; ist Ω glatt berandet (wieder genügen schwächere Bedingungen), gilt dies auch für die Einbettung von Wm,p(Ω) nach Lp(Ω).
Man interpretiert die Elemente von \({W}_{0}^{m,p}(\Omega)\) als solche Wm,p-Funktionen, die auf dem Rand von Ω „verschwinden“. Da jedoch f ∈ Wm,p(Ω) ⊂ Lp (Ω) eigentlich eine Äquivalenzklasse von meßbaren Funktionen ist, ist die Restriktion von f auf eine niederdimensionale Mannigfaltigkeit a priori nicht definiert. Ist aber der Rand der beschränkten Menge Ω hinreichend glatt, so kann gezeigt werden, daß der Einschränkungsoperator f ↦ f|∂Ω von \({C}^{m}(\bar{\Omega})\) nach C(∂Ω) bzgl. der Normen von Wm,p(Ω) bzw. Lp(∂Ω) stetig ist und deshalb zu einem stetigen Operator
Sobolew-Räume können auch mit Hilfe der Fourier-Transformation charakterisiert werden; am durchsichtigsten gelingt das im Fall p = 2 und Ω = ℝd, also für Hm = Hm(ℝd) = Wm, 2(ℝd). Es gilt nämlich
[1] Adams, R.A.: Sobolev Spaces. Academic Press London/Orlando, 1975.
[2] Folland, G.B.: Introduction to Partial Differential Equations. Princeton University Press, 1995.
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