Некоторые вспомогательные оценки решений для неравномерно вырождающихся эллиптических уравнений второго порядка

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В данной статье рассмотрен класс эллиптических уравнений второго порядка дивергентной структуры с неравномерным степенным вырождением. Подход, используемый в настоящей статье, основан на том, что скорости вырождения собственных чисел матрицы ||aij(x)|| (функции λi(x)) являются не функциями необычной нормы |x|, а некоторого анизотропного расстояния |x|a. Предполагается, что задача Дирихле для таких уравнений разрешима в классическом смысле при любой непрерывной граничной функции в любой нормальной области Ω.

Для слабых решений получены оценки вблизи граничной точки решений задачи Дирихле, функции Грина для неравномерно вырождающихся эллиптических уравнений второго порядка.

Полный текст

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.

×

Об авторах

Сарван Тахмаз оглы Гусейнов

Бакинский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sarvanhuseynov@rambler.ru
ORCID iD: 0009-0001-7473-2269

доктор математических наук, доцент кафедры высшей математики

Азербайджан, 1148, Баку, ул. З. Халилова, 23

Мушфиг Джалал оглы Алиев

Бакинский государственный университет

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

кандидат физико-математических наук, доцент кафедры высшей математики

Азербайджан, 1148, Баку, ул. З. Халилова, 23

Список литературы

  1. Мазья В.Г. О регулярности на границе решений эллиптических уравнений и конформного отображения // Доклады Академии наук СССР. 1963. Т. 152, № 6. С. 1297–1300. URL: https://www.mathnet.ru/rus/dan28720.
  2. Мазья В.Г. О модуле непрерывности решения задачи Дирихле вблизи нерегулярной границы // Проблемы математического анализа. Ленинград, 1966. С. 45–58.
  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. URL: https://zbmath.org/0084.31901.
  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. Уральцев Н.Н. О регулярности решений многомерных эллиптических уравнений и вариационных задач // Доклады Академии наук СССР. 1960. Т. 130, № 6. С. 1206–1209.
  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. Алхутов Ю.А. О регулярности граничных точек относительно задачи Дирихле для эллиптических уравнений второго порядка // Матем. заметки. 1981. Т. 30, Вып. 3. С. 333–342. URL: https://www.mathnet.ru/rus/mzm6197.
  13. Мазья В.Г. О поведении вблизи границы решения задачи Дирихле для эллиптического уравнения второго порядка в дивергентной форме // Матем. заметки. 1967. Т. 2, Вып. 2. С. 209–220. URL: https://www.mathnet.ru/rus/mzm5480.
  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. P. 65–77. URL: https://www.imm.az/journals/RMI_eserleri/cild11_N19_1999/meqaleler/65-77.pdf.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Гусейнов С.Т., Алиев М.Д., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).