<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">jamp</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Journal of Applied Mathematics and Physics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2327-4379</issn>
      <issn pub-type="ppub">2327-4352</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/jamp.2026.146105</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">jamp-151897</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Renormalized Solutions of a Nonlinear Elliptic-Parabolic Equation with L1 Data and Finite-Element Numerical Simulation</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author" corresp="yes">
          <name name-style="western">
            <surname>Sarr</surname>
            <given-names>Thierno</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Kane</surname>
            <given-names>Souleye</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> École Doctorale de Mathématiques et Informatique (ED-MI), Université Cheikh Anta Diop de Dakar, Dakar, Sénégal </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The authors declare no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>11</day>
        <month>06</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>06</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>14</volume>
      <issue>06</issue>
      <fpage>2154</fpage>
      <lpage>2163</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>17</day>
          <month>05</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>13</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>16</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/jamp.2026.146105">https://doi.org/10.4236/jamp.2026.146105</self-uri>
      <abstract>
        <p>We study the existence and uniqueness of renormalized solutions for a nonlinear degenerate elliptic-parabolic problem of the form <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>∂M(</p>
        <p>u</p>
        <p>)</p>
        <p>∂t</p>
        <p>−div(</p>
        <p>∇u+K(</p>
        <p>u</p>
        <p>)</p>
        <p>e</p>
        <p>z</p>
        <p>)=f  in </p>
        <p>Q</p>
        <p>T</p>
        <p>=(</p>
        <p>0,T</p>
        <p>)×Ω,</p>
        <p>with <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>L</p>
        <p>1</p>
        <p>data <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>f∈</p>
        <p>L</p>
        <p>1</p>
        <p>(</p>
        <p>Q</p>
        <p>T</p>
        <p>)</p>
        <p>and <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>u</p>
        <p>0</p>
        <p>∈</p>
        <p>L</p>
        <p>1</p>
        <p>(</p>
        <p>Ω</p>
        <p>)</p>
        <p>, arising from the Richards model of unsaturated flow in porous media. Because classical weak solutions fail to be unique at this low-regularity level, we work within the framework of renormalized solutions, which select the physically relevant solution through an energy-dissipation condition at infinity. Existence is established via a double approximation scheme <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>(</p>
        <p>ψ</p>
        <p>m,n</p>
        <p>)</p>
        <p>combined with nonlinear semigroup theory, and uniqueness follows from a comparison principle obtained by the doubling-of-variables technique. We further present a conforming finite-element /implicit-Euler/Picard-iteration scheme validated on the Brooks-Corey soil model, for which we prove an <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>O(</p>
        <p>h</p>
        <p>2</p>
        <p>+τ</p>
        <p>)</p>
        <p>error estimate in <inline-formula><mml:math></mml:math></inline-formula></p>
        <p>L</p>
        <p>2</p>
        <p>(</p>
        <p>Ω</p>
        <p>)</p>
        <p>and unconditional stability.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Renormalized Solutions</kwd>
        <kwd>Elliptic-Parabolic Equation</kwd>
        <kwd>Porous Media</kwd>
        <kwd>Richards Equation</kwd>
        <kwd>Finite Elements</kwd>
        <kwd>Picard Iteration</kwd>
        <kwd>Data</kwd>
        <kwd>Semigroup Theory</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>The movement of water in variably saturated soils is governed by the Richards equation [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], which, after the Kirchhoff transformation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo> ∫ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> h </mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , takes the form </p>
      <disp-formula id="FD1">
        <label>(1)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>M</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mtext>div</mml:mtext>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∇</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>K</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>in</mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mi>Q</mml:mi>
              <mml:mi>T</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>0</mml:mn>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>T</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>×</mml:mo>
            <mml:mi>Ω</mml:mi>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>supplemented with homogeneous Dirichlet boundary conditions and initial datum <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> bounded. Here <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is continuous, non-decreasing with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is Lipschitz with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , classical weak solutions are not unique in general [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. Three equivalent notions have been introduced to restore uniqueness: SOLA [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], entropy solutions [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], and renormalized solutions [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. The latter, first used for the Boltzmann equation [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] and later adapted to elliptic-parabolic problems by Ammar-Wittbold [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] and Carrillo-Wittbold [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], provide the most flexible framework for handling degenerate diffusions with rough data.</p>
      <p><bold>Contributions of this paper.</bold></p>
      <p>We prove existence (Theorem 3.4) and uniqueness (Theorem 3.5) of a renormalized solution of (1) with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> data, via a two-parameter approximation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> m </mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo></mml:msup><mml:mo> − </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> n </mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and nonlinear semigroup theory (Section 3). We design and analyse a finite-element/implicit-Euler/Picard scheme (Section 4), establish an <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> O </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> h </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> τ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> error estimate, and validate it on a Brooks-Corey soil model. </p>
      <p>Throughout the paper we work under the following standing assumptions: </p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is continuous, non-decreasing, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is Lipschitz continuous, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Functional Setting and Preliminary Results</title>
      <p>We write <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and denote by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> max </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mtext> min </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the truncation at level <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the Heaviside function, and by sign the sign function. All integrals without explicit domain are over <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> unless stated otherwise.</p>
      <sec id="sec2dot1">
        <title>2.1. Truncation Operators and Gradient Lemma</title>
        <p><bold>Lemma 2.1</bold> (Gradient of truncations, [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]).<italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>be measurable on</italic>Ω<italic>with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> W </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Then there exists a unique measurable function</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mi> N </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>such that</italic></p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> v </mml:mi></mml:mstyle><mml:msub><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>a.e.</italic><italic>,</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∀ </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0. </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
        <p>Moreover, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> W </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> v </mml:mi></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      </sec>
      <sec id="sec2dot2">
        <title>2.2. Integration-by-Parts Formula</title>
        <p><bold>Lemma 2.2</bold> ([<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>])<italic>. Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be continuous and monotone with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Suppose</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <italic>Then for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> η </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <disp-formula id="FD2">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>〈</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mi>M</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mi>η</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>φ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>〉</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>Q</mml:mi>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>φ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>η</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec2dot3">
        <title>2.3. Perturbed Problem and Semigroup Approximation</title>
        <p>For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> continuous and strictly increasing with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mfrac><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (strictly increasing), define the operator </p>
        <disp-formula id="FD3">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>M</mml:mi>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>ψ</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>:</mml:mo>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>M</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mtext>div</mml:mtext>
                      <mml:mtext>
                         
                      </mml:mtext>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:mo>∇</mml:mo>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:mi>ψ</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>on the domain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∩ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mtext> div </mml:mtext><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> e </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Proposition 2.3</bold>([<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]).<italic>Under</italic>(H1)-(H2), <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> m </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>-accretive and densely defined in</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <italic>Moreover</italic>, <italic>as</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>uniformly on compacts</italic>, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:msubsup><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:munder accentunder="true"><mml:mrow><mml:mi> lim </mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true"> _ </mml:mo></mml:munder></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p>By nonlinear semigroup theory [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], Proposition 2.3 yields a unique mild solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> C </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the Cauchy problem <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> ˙ </mml:mo></mml:mover><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> M </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∋ </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . As <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> C </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Renormalized Solutions: Existence and Uniqueness</title>
      <sec id="sec3dot1">
        <title>3.1. Definition</title>
        <p><bold>Definition 3.1</bold> (Renormalized solution).<italic>A measurable function</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>is a renormalized solution of</italic>(1) <italic>if</italic></p>
        <p>(i) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <p>(ii) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <p>(iii) for every <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <disp-formula id="FD4">
          <label>(2)</label>
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mstyle displaystyle="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mo>∫</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Q</mml:mi>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mi>φ</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∂</mml:mo>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mstyle displaystyle="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mo>∫</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msubsup>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mstyle displaystyle="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mo>∫</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Q</mml:mi>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mi>φ</mml:mi>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mstyle>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mstyle displaystyle="true">
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mo>∫</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Q</mml:mi>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:msub>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>∇</mml:mo>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mi>K</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal">
                                <mml:mi>e</mml:mi>
                              </mml:mstyle>
                              <mml:mi>z</mml:mi>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>⋅</mml:mo>
                        <mml:mo>∇</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mi>φ</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mstyle>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>(iv) the following <italic>energy condition at infinity</italic> holds: </p>
        <disp-formula id="FD5">
          <label>(3)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>Q</mml:mi>
                        <mml:mi>T</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>∩</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>{</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>≤</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>≤</mml:mo>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>}</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∇</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mi>K</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mstyle mathsize="normal" mathvariant="bold">
                            <mml:mi>e</mml:mi>
                          </mml:mstyle>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mover>
                <mml:mo>→</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>∞</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mover>
              <mml:mn>0.</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Remark 3.2.</bold>Condition (3) selects the physical solution among (possibly infinitely many) weak solutions: it expresses that no energy is dissipated at infinite amplitude levels. When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> supp </mml:mtext><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the term <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is identified with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is well-defined by (ii). </p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot2">
        <title>3.2. Comparison Lemma</title>
        <p><bold>Lemma 3.3</bold>(Monotone comparison).<italic>Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be continuous and strictly increasing with</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>. Let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be weak solutions of the perturbed problem</italic>(1) <italic>with perturbations</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> ψ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula><italic>respectively. If</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>a.e.</italic><italic>on</italic>Ω, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>a.e.</italic><italic>on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>for all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>then</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>a.e.</italic><italic>on</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof.</italic> Taking <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> L </mml:mi></mml:mfrac><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ρ </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> L </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as test function and using the identity </p>
        <disp-formula id="FD6">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ψ</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>ψ</mml:mi>
                    <mml:mo>˜</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mo>˜</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>sign</mml:mtext>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>˜</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≥</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>ψ</mml:mi>
                        <mml:mo>˜</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>ψ</mml:mi>
                        <mml:mo>˜</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mo>˜</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>+</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>together with the same doubling argument as in Lemma 2.2 and Proposition 2.3, one obtains <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∫ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> + </mml:mo></mml:msup><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Since <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is strictly increasing, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a.e. □</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot3">
        <title>3.3. Existence</title>
        <p><bold>Theorem 3.4</bold>(Existence).<italic>Under</italic>(H1)-(H3),<italic>there exists at least one renormalized solution of</italic>(1). </p>
        <p><italic>Proof.</italic><bold>Step 1: Approximation.</bold> Set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> max </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> min </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mtext> max </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> min </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> m </mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo></mml:msup><mml:mo> − </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mi> n </mml:mi></mml:mfrac><mml:msup><mml:mi> r </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> ℕ </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By Proposition 2.3 and nonlinear semigroup theory (applied with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is strictly increasing), there exists a unique weak solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the perturbed problem </p>
        <disp-formula id="FD7">
          <label>(4)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>ψ</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mtext>div</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mo>∇</mml:mo>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>in</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Q</mml:mi>
                <mml:mi>T</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                  <mml:mi>Ω</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>0.</mml:mn>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Step 2: Monotonicity and pointwise limits.</bold> By Lemma 3.3, </p>
        <disp-formula id="FD8">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mo>↑</mml:mo>
                <mml:mi>m</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>and</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:msub>
                <mml:mo>↓</mml:mo>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>a</mml:mtext>
              <mml:mo>.</mml:mo>
              <mml:mtext>e</mml:mtext>
              <mml:mo>.</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>on</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi>Q</mml:mi>
                <mml:mi>T</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> are measurable and almost-everywhere finite (see [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]).</p>
        <p><bold>Step 3: Energy estimate.</bold> Choosing test function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in (4), where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> δ </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a cut-off near <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> , using Lemma 2.2 and the monotonicity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , one obtains </p>
        <disp-formula id="FD9">
          <label>(5)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mi>T</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle displaystyle="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mo>∫</mml:mo>
                          <mml:mi>Ω</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>|</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∇</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>T</mml:mi>
                                    <mml:mi>k</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>(</mml:mo>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msub>
                                        <mml:mi>u</mml:mi>
                                        <mml:mrow>
                                          <mml:mi>m</mml:mi>
                                          <mml:mo>,</mml:mo>
                                          <mml:mi>n</mml:mi>
                                        </mml:mrow>
                                      </mml:msub>
                                    </mml:mrow>
                                    <mml:mo>)</mml:mo>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>|</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Q</mml:mi>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>Ω</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>By the Poincaré inequality, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is bounded in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⇀ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> weakly in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <p><bold>Step 4: Strong convergence of truncations.</bold> Taking <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as test function in the equation satisfied by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , one shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> involves the time derivative, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the gradient cross-terms, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the convection), yielding <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ‖ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Combined with the weak convergence, this gives </p>
        <disp-formula id="FD10">
          <label>(6)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>→</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>T</mml:mi>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>strongly</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>in</mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msup>
                <mml:mi>L</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                  <mml:mo>;</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mi>H</mml:mi>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Step 5: Passage to the limit.</bold> Using the strong convergence (6) and the Lebesgue dominated convergence theorem, one passes to the limit in each term of the equation for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to obtain (2).</p>
        <p><bold>Step 6: Energy condition at infinity.</bold> Taking <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as test function and letting <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , yields (3). □</p>
      </sec>
      <sec id="sec3dot4">
        <title>3.4. Uniqueness</title>
        <p><bold>Theorem 3.5</bold>(Uniqueness and comparison).<italic>Under</italic>(H1)-(H3),<italic>for</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>let</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> Q </mml:mi><mml:mi> T </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>be renormalized solutions of</italic> (1) <italic>with data</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <italic>Then</italic>, <italic>for all</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <disp-formula id="FD11">
          <label>(7)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>M</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>u</mml:mi>
                                  <mml:mn>1</mml:mn>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:mi>M</mml:mi>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mrow>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>u</mml:mi>
                                  <mml:mn>2</mml:mn>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mn>01</mml:mn>
                              </mml:mrow>
                            </mml:msub>
                            <mml:mo>−</mml:mo>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mn>02</mml:mn>
                              </mml:mrow>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle displaystyle="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mo>∫</mml:mo>
                          <mml:mi>Ω</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                  <mml:mo>−</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>2</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In particular, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a.e. when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 01 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 02 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> f </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
        <p><italic>Proof sketch.</italic> The proof uses the double-variable technique of [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], exploiting the structural condition </p>
        <disp-formula id="FD12">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>ζ</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>η</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>ζ</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>η</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>ζ</mml:mi>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                        <mml:mi>η</mml:mi>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>p</mml:mi>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>|</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≥</mml:mo>
              <mml:mi>Γ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>ζ</mml:mi>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>Γ</mml:mi>
                <mml:mo>^</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>η</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>which holds for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> e </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> since <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> is Lipschitz. A doubling of both the space and time variables, combined with the energy condition (3), yields (7). □</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Numerical Scheme and Analysis</title>
      <p>Since the domain is one-dimensional, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> ℝ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the vertical coordinate <inline-formula><mml:math><mml:mi> z </mml:mi></mml:math></inline-formula> of the analytical model coincides with the spatial coordinate <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> used in the finite-element discretisation. Consequently, the gravitational convection term <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> appearing in the flux <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mml:mi> e </mml:mi></mml:mstyle><mml:mi> z </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is written in the finite-element coordinates as </p>
      <disp-formula id="FD13">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>K</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mi>z</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>≡</mml:mo>
            <mml:mi>K</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mo>∂</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>so that the weak contribution of this term against a test function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> l </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reads <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∫ </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> l </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <sec id="sec4dot1">
        <title>4.1. Spatial Discretisation by Finite Elements</title>
        <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> L </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext> m </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We construct a mesh <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi mathvariant="script"> T </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> L </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with nodes <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext> max </mml:mtext></mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The conforming finite-element space is </p>
        <disp-formula id="FD14">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>V</mml:mi>
                <mml:mi>h</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∈</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>C</mml:mi>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>Ω</mml:mi>
                      <mml:mo>¯</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>:</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>|</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>∈</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>}</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>with nodal basis <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> j </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The semi-discrete problem reads: find <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mo> ∑ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that </p>
        <disp-formula id="FD15">
          <label>(8)</label>
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>M</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msub>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mi>h</mml:mi>
                            </mml:msub>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>K</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>l</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mo>⋯</mml:mo>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>N</mml:mi>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
      <sec id="sec4dot2">
        <title>4.2. Temporal Discretisation and Picard Linearisation</title>
        <p>With time step <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> N </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msubsup><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the implicit Euler step gives: </p>
        <disp-formula id="FD16">
          <label>(9)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>M</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mi>k</mml:mi>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>M</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mi>k</mml:mi>
                                <mml:mo>−</mml:mo>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:mrow>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>τ</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>K</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                        </mml:msup>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                    </mml:msup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Since (9) is nonlinear in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we linearise via a first-order Taylor expansion (Picard method): </p>
        <disp-formula id="FD17">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≈</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mn>1</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>K</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≈</mml:mo>
              <mml:mi>K</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>C</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mi> j </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> K </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . This yields, at each Picard step <inline-formula><mml:math><mml:mi> i </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the linear system <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> B </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with stiffness matrix </p>
        <disp-formula id="FD18">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>l</mml:mi>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>C</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>τ</mml:mi>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:mo>∇</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>τ</mml:mi>
              <mml:mstyle displaystyle="true">
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mo>∫</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mi>C</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>l</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:mstyle>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <fig id="fig1">
          <label>Figure 1</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724734-rId359.jpeg?20260616030902" />
        </fig>
      </sec>
      <sec id="sec4dot3">
        <title>4.3. Error Analysis</title>
        <p>We work under the additional regularity hypotheses: </p>
        <p><inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> is Lipschitz with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> m </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on every compact (non-degenerate regime of Brooks-Corey [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]). <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∩ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∩ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ; </mml:mo><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The Picard iteration converges in a uniformly bounded number <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> N </mml:mi><mml:mrow><mml:mtext> Picard </mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of steps (guaranteed when <inline-formula><mml:math><mml:mi> τ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is small relative to the Lipschitz constant of <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> ). </p>
        <p><bold>Theorem 4.1</bold>(Convergence order)<italic>. Under</italic> (H1)-(H6), <italic>there exists</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> C </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>independent of</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> h </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mi> τ </mml:mi></mml:math></inline-formula><italic>such that</italic></p>
        <disp-formula id="FD19">
          <label>(10)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>max</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>≤</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>≤</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>⋅</mml:mo>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>τ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD20">
          <label>(11)</label>
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>τ</mml:mi>
                      <mml:munderover>
                        <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                          <mml:mo>∑</mml:mo>
                        </mml:mstyle>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mo>=</mml:mo>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>N</mml:mi>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:munderover>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>‖</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>u</mml:mi>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                                  <mml:mo>,</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>t</mml:mi>
                                    <mml:mi>k</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:msubsup>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                                <mml:mi>h</mml:mi>
                                <mml:mi>k</mml:mi>
                              </mml:msubsup>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>‖</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msubsup>
                            <mml:mi>H</mml:mi>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msubsup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mtext>Ω</mml:mtext>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>τ</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><italic>Proof sketch.</italic> Decompose <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msubsup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mi> η </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> η </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> Π </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the elliptic projection error and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> Π </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . By standard interpolation theory and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> H </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> -regularity of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> Ω </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <disp-formula id="FD21">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>η</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:msup>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msup>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>⋅</mml:mo>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>H</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>η</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>H</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>⋅</mml:mo>
                          <mml:mo>,</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>H</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Testing the error equation for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> k </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and using the monotonicity of <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> (hypothesis (H4)) gives </p>
        <disp-formula id="FD22">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>θ</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mtext>e</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>C</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>θ</mml:mi>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:munderover>
                <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                  <mml:mo>∑</mml:mo>
                </mml:mstyle>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>k</mml:mi>
              </mml:munderover>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>τ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>τ</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mn>4</mml:mn>
                  </mml:msup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain (10). The estimate (11) follows analogously without the Aubin-Nitsche duality argument. □</p>
        <p><bold>Proposition 4.2</bold>(Unconditional stability)<italic>. Under</italic>(H1)-(H2), <italic>for every</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><italic>and</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , </p>
        <disp-formula id="FD23">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:munder>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>max</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>≤</mml:mo>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>≤</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:munder>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>τ</mml:mi>
              <mml:munderover>
                <mml:mstyle mathsize="140%" displaystyle="true">
                  <mml:mo>∑</mml:mo>
                </mml:mstyle>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mrow>
              </mml:munderover>
              <mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>∇</mml:mo>
                      <mml:msubsup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                      </mml:msubsup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>‖</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>L</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>Ω</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mo>≤</mml:mo>
              <mml:mi>C</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                            <mml:mn>0</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mi>Ω</mml:mi>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mo>‖</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>L</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>Q</mml:mi>
                            <mml:mi>T</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>No CFL condition is required. </p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. Numerical Experiment: Brooks-Corey Soil Model</title>
      <sec id="sec5dot1">
        <title>5.1. Physical Parameters</title>
        <p>We validate the scheme on a one-dimensional infiltration problem with Brooks-Corey constitutive relations [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] (see <bold>Table 1</bold> for the physical parameters and numerical settings): </p>
        <disp-formula id="FD24">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>θ</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>{</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable columnalign="left">
                    <mml:mtr columnalign="left">
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>θ</mml:mi>
                                <mml:mi>s</mml:mi>
                              </mml:msub>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>θ</mml:mi>
                                <mml:mi>r</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>(</mml:mo>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mfrac>
                                    <mml:mi>h</mml:mi>
                                    <mml:mrow>
                                      <mml:msub>
                                        <mml:mi>h</mml:mi>
                                        <mml:mi>c</mml:mi>
                                      </mml:msub>
                                    </mml:mrow>
                                  </mml:mfrac>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mo>)</mml:mo>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>−</mml:mo>
                              <mml:mi>β</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                          </mml:msup>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtext>if</mml:mtext>
                          <mml:mtext>
                             
                          </mml:mtext>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mo>&lt;</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mi>c</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr columnalign="left">
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                            <mml:mi>s</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd columnalign="left">
                        <mml:mrow>
                          <mml:mtext>if</mml:mtext>
                          <mml:mtext>
                             
                          </mml:mtext>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mo>≥</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mi>c</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:msub>
                <mml:mi>K</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>θ</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>θ</mml:mi>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                            <mml:mi>s</mml:mi>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>−</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>θ</mml:mi>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:mo>/</mml:mo>
                    <mml:mi>β</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msup>
              <mml:mo>.</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Table 1</bold><bold>.</bold> Brooks-Corey parameters and numerical settings.</p>
        <table-wrap id="tbl1">
          <label>Table 1</label>
          <table>
            <tbody>
              <tr>
                <td>Parameter</td>
                <td>Symbol</td>
                <td>Value</td>
                <td>Unit</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Residual water content</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>θ</mml:mi>
                          <mml:mi>r</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>0.064</td>
                <td>–</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Saturated water content</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>θ</mml:mi>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>0.126</td>
                <td>–</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Air-entry potential</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>h</mml:mi>
                          <mml:mi>c</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>−0.078</td>
                <td>m</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Pore-size index</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mi>β</mml:mi>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>24.774</td>
                <td>–</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Saturated conductivity</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>K</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mtext>sat</mml:mtext>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>0.0095</td>
                <td>m/s</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Time step</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mi>τ</mml:mi>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>0.01</td>
                <td>s</td>
              </tr>
              <tr>
                <td>Mesh size</td>
                <td>
                  <inline-formula>
                    <mml:math>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                    </mml:math>
                  </inline-formula>
                </td>
                <td>0.01</td>
                <td>m</td>
              </tr>
            </tbody>
          </table>
        </table-wrap>
      </sec>
      <sec id="sec5dot2">
        <title>5.2. Initial and Boundary Conditions</title>
        <p><bold>Reduction to homogeneous Dirichlet data.</bold>The analytical model (1) is set with homogeneous Dirichlet boundary conditions <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> Ω </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the finite-element space <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> enforces <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> v </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In the numerical experiment the physical boundary data are <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . To reconcile these with the analytical framework, we introduce the affine lifting </p>
        <disp-formula id="FD25">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mo>˜</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>∈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>which satisfies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so that <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> belongs to the homogeneous space <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> V </mml:mi><mml:mi> h </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The equation for <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> retains the same form as (1) with a modified right-hand side <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mtext> Δ </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:msub><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (since the lifting is affine), thereby preserving the structure of the analytical model. In the remainder of this section, <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the lifted variable <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ˜ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and all results of Sections 3-4 apply without modification.</p>
        <p><bold>Initial condition.</bold> The initial condition is chosen as </p>
        <disp-formula id="FD26">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:msub>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>c</mml:mi>
              </mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                  <mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>cos</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>π</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mi>x</mml:mi>
              <mml:mo>∈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>,</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>,</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>which satisfies <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (surface at saturation) and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> u </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (unsaturated base), consistently with the boundary data above. Its derivative <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> π </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi> h </mml:mi><mml:mi> c </mml:mi></mml:msub><mml:mi> sin </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mi> x </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reflects a physically realistic suction profile increasing with depth.</p>
      </sec>
      <sec id="sec5dot3">
        <title>5.3. Results and Discussion</title>
        <p><xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref> shows the evolution of the matric potential <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over ten time steps.</p>
        <fig id="fig2">
          <label>Figure 2</label>
          <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724734-rId466.jpeg?20260616030902" />
        </fig>
        <p><bold>Figure 1</bold><bold>.</bold> Evolution of the matric potential <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> over ten time steps (<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.01 </mml:mn><mml:mtext>   </mml:mtext><mml:mtext> s </mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ). The blue curve is the initial condition; as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the profile tends uniformly to zero (fully saturated medium). Computed with Scilab on a mesh of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 100 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> nodes.</p>
        <p>The simulation exhibits three physically consistent features: </p>
        <p>1) The initial profile (blue) displays a strong gradient near <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , consistent with the prescribed base condition. </p>
        <p>2) As <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> increases, <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> converges uniformly toward zero, reflecting the progressive saturation of the medium. </p>
        <p>3) Convergence is rapid in the early steps and slows as the profile becomes quasi-uniform—a behaviour well-known from Richards equation theory. </p>
        <p>Unconditional stability (Proposition 4.2) justifies the choice <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0.01 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> independently of any CFL constraint.</p>
      </sec>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>6. Conclusions</title>
      <p>We have established the well-posedness of the Richards-type elliptic-parabolic problem (1) in the renormalized sense for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> L </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> data, and designed a provably convergent and unconditionally stable finite-element scheme. The two-parameter approximation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> ψ </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> provides a flexible tool for handling the degeneracy of <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> and the lack of integrability of the data simultaneously.</p>
      <p>Several extensions are natural: </p>
      <p>Multidimensional simulations on unstructured meshes (FEM or FVM). Extension to the fully degenerate case <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> m </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (Richards equation at full saturation) using time-space estimates of [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Adaptive time-stepping guided by the Picard convergence rate. </p>
    </sec>
    <sec id="sec7">
      <title>Acknowledgements</title>
      <p>The authors thank the members of the Numerical Analysis and PDE Research Group at UCAD for stimulating discussions.</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Adams, R.A. and Fournier, J.J.F. (2003) Sobolev Spaces. 2nd Edition, Academic Press.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Adams, R.A.</string-name>
              <string-name>Fournier, J.J.F.</string-name>
              <string-name>Edition, A</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>Sobolev Spaces</article-title>
            <source>2nd Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Bénilan, P., Boccardo, L., Gallouët, T., Gariepy, R., Pierre, M. and Vázquez, J.L. (1995) An <italic>L</italic><sup>1</sup>-Theory of Existence and Uniqueness of Solutions of Nonlinear Elliptic Equations. <italic>Annali</italic><italic>della</italic><italic>Scuola</italic><italic>Normale</italic><italic>Superiore</italic><italic>di Pisa</italic>, 22, 241-273.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Boccardo, L.</string-name>
              <string-name>Gariepy, R.</string-name>
              <string-name>Pierre, M.</string-name>
            </person-group>
            <year>1995</year>
            <article-title>An L1-Theory of Existence and Uniqueness of Solutions of Nonlinear Elliptic Equations</article-title>
            <source>Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa</source>
            <volume>22</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Dall’Aglio, A. (1996) Approximated Solutions of Equations with <italic>L</italic><sup>1</sup> Data. Application to the <italic>H</italic>-Convergence of Quasi-Linear Parabolic Equations. <italic>Annali di</italic><italic>Matematic</italic><italic>a</italic><italic>Pura</italic><italic>ed</italic><italic>Applicata</italic>, 170, 207-240. https://doi.org/10.1007/bf01758989 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01758989</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf01758989">https://doi.org/10.1007/bf01758989</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Aglio, A.</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>Approximated Solutions of Equations with L1 Data</article-title>
            <source>Application to the H-Convergence of Quasi-Linear Parabolic Equations. Annali di Matematica Pura ed Applicata</source>
            <volume>170</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01758989</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Carrillo, J. (1999) Entropy Solutions for Nonlinear Degenerate Problems. <italic>Archive</italic><italic>for</italic><italic>Rational</italic><italic>Mechanics</italic><italic>and</italic><italic>Analysis</italic>, 147, 269-361. https://doi.org/10.1007/s002050050152 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s002050050152</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s002050050152">https://doi.org/10.1007/s002050050152</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Carrillo, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1999</year>
            <article-title>Entropy Solutions for Nonlinear Degenerate Problems</article-title>
            <source>Archive for Rational Mechanics and Analysis</source>
            <volume>147</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s002050050152</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">DiPerna, R.J. and Lions, P.L. (1989) On the Cauchy Problem for Boltzmann Equations: Global Existence and Weak Stability. <italic>The</italic><italic>Annals</italic><italic>of</italic><italic>Mathematics</italic>, 130, 321-366. https://doi.org/10.2307/1971423 <pub-id pub-id-type="doi">10.2307/1971423</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.2307/1971423">https://doi.org/10.2307/1971423</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>DiPerna, R.J.</string-name>
              <string-name>Lions, P.L.</string-name>
            </person-group>
            <year>1989</year>
            <article-title>On the Cauchy Problem for Boltzmann Equations: Global Existence and Weak Stability</article-title>
            <source>The Annals of Mathematics</source>
            <volume>130</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.2307/1971423</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">Ammar, K. and Wittbold, P. (2003) Existence of Renormalized Solutions of Degenerate Elliptic-Parabolic Problems. <italic>Proceedings of the Royal Society of Edin</italic><italic>burgh</italic>: <italic>Section</italic><italic>A</italic><italic>Mathematics</italic>, 133, 477-496. https://doi.org/10.1017/s0308210500002493 <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0308210500002493</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1017/s0308210500002493">https://doi.org/10.1017/s0308210500002493</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Ammar, K.</string-name>
              <string-name>Wittbold, P.</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>Existence of Renormalized Solutions of Degenerate Elliptic-Parabolic Problems</article-title>
            <source>Proceedings of the Royal Society of Edinburgh: Section A Mathematics</source>
            <volume>133</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0308210500002493</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Carrillo, J. and Wittbold, P. (1999) Uniqueness of Renormalized Solutions of Degenerate Elliptic-Parabolic Problems. <italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Differential</italic><italic>Equations</italic>, 156, 93-121. https://doi.org/10.1006/jdeq.1998.3597 <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jdeq.1998.3597</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1006/jdeq.1998.3597">https://doi.org/10.1006/jdeq.1998.3597</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Carrillo, J.</string-name>
              <string-name>Wittbold, P.</string-name>
            </person-group>
            <year>1999</year>
            <article-title>Uniqueness of Renormalized Solutions of Degenerate Elliptic-Parabolic Problems</article-title>
            <source>Journal of Differential Equations</source>
            <volume>156</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jdeq.1998.3597</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Benilan, P. and Wittbold, P. (1996) On Mild and Weak Solutions of Elliptic-Parabolic Problems. <italic>Advances</italic><italic>in</italic><italic>Differential</italic><italic>Equations</italic>, 1, 1053-1073. https://doi.org/10.57262/ade/1366895244 <pub-id pub-id-type="doi">10.57262/ade/1366895244</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.57262/ade/1366895244">https://doi.org/10.57262/ade/1366895244</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Benilan, P.</string-name>
              <string-name>Wittbold, P.</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>On Mild and Weak Solutions of Elliptic-Parabolic Problems</article-title>
            <source>Advances in Differential Equations</source>
            <volume>1</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.57262/ade/1366895244</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wilhelm Alt, H. and Luckhaus, S. (1983) Quasilinear Elliptic-Parabolic Differential Equations. <italic>Mathematische</italic><italic>Zeitschrift</italic>, 183, 311-341. https://doi.org/10.1007/bf01176474 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01176474</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/bf01176474">https://doi.org/10.1007/bf01176474</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Alt, H.</string-name>
              <string-name>Luckhaus, S.</string-name>
            </person-group>
            <year>1983</year>
            <article-title>Quasilinear Elliptic-Parabolic Differential Equations</article-title>
            <source>Mathematische Zeitschrift</source>
            <volume>183</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/bf01176474</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Otto, F. (1996) <italic>L</italic><sup>1</sup>-Contraction and Uniqueness for Quasilinear Elliptic-Parabolic Equations. <italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Differential</italic><italic>Equations</italic>, 131, 20-38. https://doi.org/10.1006/jdeq.1996.0155 <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jdeq.1996.0155</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1006/jdeq.1996.0155">https://doi.org/10.1006/jdeq.1996.0155</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Otto, F.</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>L1-Contraction and Uniqueness for Quasilinear Elliptic-Parabolic Equations</article-title>
            <source>Journal of Differential Equations</source>
            <volume>131</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jdeq.1996.0155</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Brezis, H. (1983) Analyse fonctionnelle: Théorie et applications. Masson.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Brezis, H.</string-name>
            </person-group>
            <year>1983</year>
            <article-title>Analyse fonctionnelle: Théorie et applications</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Brooks, R.H. and Corey, A.T. (1966) Properties of Porous Media Affecting Fluid Flow. <italic>Journal of the Irrigation and Drainage Division</italic>, 92, 61-88. https://doi.org/10.1061/jrcea4.0000425 <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/jrcea4.0000425</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1061/jrcea4.0000425">https://doi.org/10.1061/jrcea4.0000425</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Brooks, R.H.</string-name>
              <string-name>Corey, A.T.</string-name>
            </person-group>
            <year>1966</year>
            <article-title>Properties of Porous Media Affecting Fluid Flow</article-title>
            <source>Journal of the Irrigation and Drainage Division</source>
            <volume>92</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1061/jrcea4.0000425</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>