Some auxiliary estimates for solutions to non-uniformly degenerate second-order elliptic equations

封面

如何引用文章

全文:

详细

We consider a class of second order elliptic equations in divergence form with non-uniform exponential degeneracy. The method used is based on the fact that the degeneracy rates of the eigenvalues of the matrix ||aij(x)|| (function λi(x)) are not the functions of unusual norm |x|, but of some anisotropic distance |x|a. We assume that the Dirichlet problem for such equations is solvable in the classical sense for every continuous boundary function in any normal domain Ω.

Estimates for the weak solutions of Dirichlet problem near the boundary point are obtained, and Green’s functions for second order non-uniformly degenerate elliptic equations are constructed.

全文:

1. Предварительные сведения

Пусть в n-мерном евклидовом пространстве En точек x=(x1,x2,...,xn),n2 расположена ограниченная область Ω с границей Ω, причем 0Ω.

Рассмотрим в Ω эллиптическое уравнение

Lu=i,j=1nxiaij(x)uxj=0 (1.1)

в предположении, что коэффициенты aij(x) являются измеримыми функциями в Ω,aij(x)=aji(x),i,j=1,2,...,n и, кроме того, для ξEn,xΩ

μi=1nλi(x)ξi2i,j=1naij(x)ξiξjμ1i=1nλi(x)ξi2, (1.2)

здесь μ(0,1] — некоторая константа и

λi(x)=xaαi,xα=i=1nxi22+αi,αi0,i=1,2,...,n. (1.3)

Отметим, что для равномерно эллиптических уравнений 2-го порядка дивергентной структуры доказательство оценки убывающего решения можно найти в [1; 2]. Настоящая статья тесно связано по тематике с работами [3–12].

Для равномерно эллиптических уравнений соответствующие результаты получены в работе [13]. Что касается неравномерно вырождающихся эллиптических уравнений 2-го порядка, то отметим в этой связи работу [14].

Функция u(x)W2,Λ1(Ω) называется слабым решением уравнения (1.1), если при всякой ψ(x)W2,Λ1(Ω) выполнено интегральное тождество

Ωi,j=1naijuxjψxidx=0.

Введем некоторые обозначения:

Sr=x:xr,Cr=SrΩ¯,

Пусть Γ(x) — фундаментальное решение оператора L в Rn с особенностью в точке 0, ρ(x)=Γ(x)12n, Tr=x:ρ(x)r. Как показано в [10; 11], существует такая зависящая только от μ и n постоянная α, что в Rn

2αxρ(x)(2α)1x, (1.4)

что эквивалентно включению Sr(2α)TrSr12α.

Положим

1n2α1+α+2=2λ1.

Введем еще обозначения:

Kr1,r2=Sr1\Sr2,Qr1,r2=Tr1\Tr2,α+=maxα1,α2,...,αn,

Mr(u)=rnKα1r,aru2dx,

cap(E) — гармоническая емкость множества E, γ(r)=r2ncap(Cr) — относительная емкость Ω¯ в шаре Sr.

2. Основные вспомогательные леммы

В этом пункте через u обозначим функцию из пространства W21(Sδ) (δ=const>0), удовлетворяющую в ΩSδ уравнению Lu=0 и равную нулю на Cδ.

Лемма 1. Пусть

J(r)12nTru2i,j=1naijΓxinjdSx, (2.1)

где r<δ и nj проекции единичной внешней нормали к Tr на координатные оси. Тогда

2r1nTri,j=1naijuxiuxjdx=J'(r). (2.2)

Доказательство. Положим t=r2n. Тогда

Lu2=i,j=1nxiaij(x)u2xj=2i,j=1nxiaij(x)uuxj==2i,j=1nxiaij(x)uxju+2i,j=1naij(x)uxiuxj=2i,j=1naij(x)uxiuxj.

С другой стороны,

Ω(Γt)+L(u2)dx=2Ω(Γt)+i,j=1naij(x)uxiuxjdx,

Ω(Γt)+L(u2)dx=Tr(Γt)+L(u2)dx.

Пусть

I=Tr(Γt)L(u2)dx=Tr(Γt)i=1nxij=1naiju2xjdx.

Обозначим

wi=j=1naiju2xj,i=1,2,...,n.

Тогда

I=i=1nTrΓtxiwidx=i=1nTrΓtwixi+Γxiwidx

i=1nTrxiΓtwidx.

Обозначим через w¯=(Γt)w1,(Γt)w2,...,(Γt)wn. Тогда i1=Trdivw^dx=Tr(w^,n^)ds=0,w^/Tr=0 (т. к. Γt=0 на Tr).

Тогда

I=i=1nTrxiwidx=i,j=1nTraijΓxiu2xjdx=

=j=1nTri=1naijΓxiu2xjdx.

Обозначим zj=i=1naijΓxi,j=1,2,....,n.

Тогда

I=j=1nTrzju2xjdx=j=1nTrzjxju2+zju2xjdx++j=1nTrzjxju2dx=j1+j2.

Пусть z^=u2z1,u2z2,...,u2zn. Тогда

j1=j=1nTrxju2zjdx=Trdivz^dx=Trz^,n^ds=

=j=1nTru2zjnjds=j=1nTru2i=1naijΓxjnjds=i,j=1nTru2aijΓxinjds, (2.3)

j2=j=1nTrzjxju2dx=j=1nTru2xjaijΓxidx=

=Tru2i,j=1nxjaijΓxidx=Tru2LΓdx, (2.4)

где Γ(x) — фундаментальное решение, т. е.

LΓ(x)=δ(x).

Другими словами,

Trφ(x)LΓ(x)dx=φ(0),

j2=u2(0) на 0Ω, поэтому j2=0 и из (2.4) заключаем

I=i,j=1nTru2aijΓxinjds,

22nTr(Γt)i,j=1naijuxiuxjdx=12nTru2i,j=1naijΓxinjds,

22nTr(Γt)i,j=1naijuxiuxjdx=J(r),

J'(r)=2n2r0rdyTyΓr2ni,j=1naijuxiuxjdsy=

=2r1nTri,j=1naijuxiuxjdx.

Лемма 1 доказана.

Лемма 2. При λ1r<δ справедливо неравенство

J(r)CMr(u). (2.5)

Доказательство. Заметим, что на Tr

i,j=1naijΓxinj=i,j=1naijninjΓ0,

TrLΓdx=TrΓνds  (ν   производнаяпоконормали). (2.6)

Знаем, что LΓ(x)=δ(x).

По определению Γν=i,j=1naijΓxinj,

TrLΓdx=Trδ(x)dx=1.

TrLΓdx=Tri,j=1naijΓxinjds=1.

Тогда

J(r)=1n2Tru2i,j=1naijΓxinjds.

Из принципа максимума следует

1n2Tru2i,j=1naijΓxinjdS1n2maxTru2Tri,j=1naijΓxinjdS=

=1n2maxTru21n2maxSr(2λ1)1u2=1n2maxSr(2λ1)1u2

1n2maxSr(2λ1)1Sr(2λ1)u2=1n2maxKr12λ12λ1u2Cn2Mr(u).

В результате получим

maxKr12λ1,2λ1u2CMr(u). (2.7)

Неравенство (2.5) доказано.

Лемма 3. При r<R<δ справедливо неравенство

J(r)CJ(R)expCrRγ(τ)dττ. (2.8)

Доказательство. В силу леммы 1, учитывая (1.4)

J'(r)2μr1nTri=1nλi(x)uxi2dxCr1nsr(λ1)i=1nλi(x)uxi2dx. (2.9)

Из леммы 2 и оценки (2.8) имеем

J'(r)Cr1nC1capλ(Cr(λ13))rni=1nrαi/2Kr(λ1λ13)u2dxCJ(α2r)rγ(α3r).

С другой стороны,

J'(r)J(α2r)Cγ(α3r)r.

Интегрируя от r до R, получаем

lnJ(R)J(r)CrRγ(ρ)ρdρ.

Отсюда, используя оценку γ(ρ)1 и монотонность J(r), получаем неравенство (2.7). Лемма доказана.

Лемма 4. Пусть R<δ и rα2R, где α — постоянная из (1.4). Тогда справедливо неравенство

Sr(α)i=1nλi(x)uxi2dxCJ(R)rn2expCrRγ(τ)dττ. (2.10)

Доказательство. В силу леммы 1 и (1.4)

J'(r)Cr1nSr(a)i=1nλi(x)uxi2dx.

Интегрируя от αr до r

arrJ'(ρ)dρCαrrρ1nSρ(α)i=1nλi(x)uxi2dxdρ

Cr2nSr(α2)i=1nλi(x)uxi2dx,

получим

J(r)Cr2nSr(a)i=1nλi(x)uxi2dx.

Теперь (2.10) следует из неравенства (2.8).

3. Оценки убывающего решения

Основной целью этого параграфа является доказательство следующего утверждения.

Теорема 1. Пусть функция u(x)W2,Λ1(Sδ(k)) удовлетворяет уравнению Lu=0 в ΩSδ(k) и равна нулю на Cδ(k). Тогда R<αδ,  r<α5R и справедлива оценка

maxSr''(α)uCMR1/2(u)expCrRγ(τ)dττ. (3.1)

Доказательство. Применяя формулу А.С. Кронрода [11; 12], получим

ΩF(x)udx=+dtu=tF(x)dSx,

где F(x) — измеримая по Борелю функция, а функция u(x) удовлетворяет условию Липщица, получаем

A=Qr1α2,α2u2i,j=1naijΓxiΓxjdx=dtΓ(x)=tu2Γi,j=1naijΓxiΓxjΓΓdSx=

=(2n)a2ra2rτ1ndτTru2i,j=1naijΓxinjdSx,

Aa2ra2rJ(τ)τ1ndτ.

Применяя лемму 3, приходим к неравенству

ACJ(R)r2nexpCrRγ(τ)dττ.

В силу леммы 4 та же оценка верна для интеграла

BQr1α2,α2Γα2r2n2i,j=1naijuxiuxjdx.

Поэтому, полагая v=uΓα2r2n+ и

NCTa2i,j=1naijvxivxjdx,

2uΓ+i,j=1naijuxiΓxj2Γ+2i,j=1naijuxiuxju2i,j=1naijΓxiΓxj

Γ+2i,j=1naijuxiuxj+u2i,j=1naijΓxiΓxj,

получим

NCTα2i,j=1naijvxivxjdx2A+BCr2nJ(R)expCrRγ(τ)dττ. (3.2)

С другой стороны, так как v=0 вне Sr1α3, то

NCKr1α3,αi=1nλi(x)vxi2dxCr2Kr1α3,αv2dxCr2nMr(u). (3.3)

В силу принципа максимума и неравенства (2.6) из (3.1) и (3.2) следует

maxSr(a)u2maxTru2CMr(u)CJ(R)expCrRγ(τ)dττ.(3.4)

Заметим наконец, что в силу леммы 2 справедливо неравенство которое вместе с (3.3) и доказывает теорему.

×

作者简介

Sarvan Huseynov

Baku State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: sarvanhuseynov@rambler.ru
ORCID iD: 0009-0001-7473-2269

Doctor of Mathematical Sciences, associate professor at the Department of Higher Mathematics

阿塞拜疆, 23, Khalilov Street, Baku, AZ 1148

Mushfig Aliyev

Baku State University

Email: a.mushfiq@rambler.ru
ORCID iD: 0009-0007-9084-6251

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, associate professor at the Department of Higher Mathematics

阿塞拜疆, 23, Khalilov Street, Baku, AZ 1148

参考

  1. Mazya V.G. Regularity at the boundary of solutions of elliptic equations and conformal mapping. Doklady Akademii Nauk SSSR, 1963, vol. 152, number 6, pp. 1297–1300. Available at: https://www.mathnet.ru/rus/dan28720. (In Russ.)
  2. Mazya V.G. On modulus of continuity of the solution to the Dirichlet problem near regular boundary // Problems of Mathematical Analysis. Leningrad, 1966, pp. 45–58. (In Russ.)
  3. De Giorgi E. Sulla differenziabilita e l’analiticita delle estremali degli intergrali multipli regolari. Mem. Acad. Sci. Torino, 1957. vol. 3, no. 1, pp. 25–43. Available at: https://zbmath.org/0084.31901. (In Italian)
  4. Nash J. Continuity of solutions of parabolic and elliptic equations. American Journal of Mathematics, 1958, vol. 80, no. 4, pp. 931–954. DOI: https://doi.org/10.2307/2372841.
  5. Morrey C.B. Second order elliptic equations in several variables and Holder continuity. Mathematische Zeitschrift, 1959, vol. 72, pp. 146–164. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01162944.
  6. Uraltseva N.N. On regularity of solutions of multidimensional elliptic equations and variational problems. Doklady Akademii Nauk SSSR, 1960, vol. 130, no. 6, pp. 1206–1209. (In Russ.)
  7. Stampacchia G. Problemi al contorno ellittici, con dati discontinui, dotati di soluzioni holderiane. Annali di Matematica Pura ed Applicata, 1960, vol. 51, pp. 1–37. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02410941.
  8. Moser J. A new proof of De Giorgi’s theorem concerning the regularity problem for elliptic differential equations. Communications on Pure and Applied Mathematics, 1960, vol. 13, issue 3, pp. 457–468. DOI: https://doi.org/10.1002/cpa.3160130308.
  9. Moser J. On Harnack’s theorem for elliptic differential equations. Communications on Pure and Applied Mathematics, 1961, vol. 14, issue 3, pp. 577–591. DOI: https://doi.org/10.1002/cpa.3160140329.
  10. Litman W., Stampacchia G., Weinberger H.F. Regular points for elliptic equations with discontinuous coefficients. Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa — Classe de Scienze, 1963, serie 3, vol. 17, no. 1–2, pp. 43–77. DOI: http://www.numdam.org/item/ASNSP_1963_3_17_1-2_43_0.
  11. Royden H. The growth of a fundamental solution of an elliptic divergence structure equation. Studies in Mathematical Analysis and Related Topics, 1962, pp. 333–340. URL: https://zbmath.org/0152.31101.
  12. Alkhutov Yu.A. Regularity of boundary points relative to the Dirichlet problem for second-order elliptic equations. Mathematical Notes, 1981, vol. 30, issue 3, pp. 333–342. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01141620. (In English; original in Russian)
  13. Maz’ya V.G. Behavior, near the boundary, of solutions of the Dirichlet problem for a second order elliptic equations in divergent form. Mathematical Notes, 1967, vol. 2, issue 2, pp. 610–617. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01094255. (In English; original in Russian)
  14. Guseynov S.T. The regularity test of boundary point for non-uniformly degenerating second order elliptic equations. Proceedings of IMM of Azerbaijan AS, 1999, vol. XI, pp. 65–77. Available at: https://www.imm.az/journals/RMI_eserleri/cild11_N19_1999/meqaleler/65-77.pdf.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

版权所有 © Huseynov S.T., Aliyev M.J., 2024

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».