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2023-04-12 13:01阅读: 873评论: 0推荐: 0

3线性部分:古典解-Schauder理论(严格椭圆算子的Schauder估计)

严格椭圆算子的Schauder内估计

1.齐次方程的内估计

本节我们研究一般线性算子的内估计:

Lu=aij(x)Diju+bi(x)Diu+c(x)u=f(x),aij=aji

本节中我们始终要求算子L是严格椭圆的,即存在λ>0使得:

aij(x)ξiξjλ|ξ|2,xΩ,ξRn

在研究一般的方程之前,我们先解决齐次方程的内估计:

L0u=AijDiju=f(x),Aij=Aji

其中[Aij]是常数矩阵且满足严格椭圆条件(其实满足一致椭圆条件.)我们先建立如下的引理:

引理1:齐次方程的内估计:设uC2(Ω),fCα(Ω)Rn中的开集满足L0u=f,则:

|u|2,α;ΩC(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2))

(2):设ΩR+n中的开子集,并且xn=0上有边界部分,设uC2(Ω)C0(ΩT),fCα(ΩT),且在Ω上满足L0u=f,在T上有u=0,则:

|u|2,α;ΩTC(|u|0;Ω+|f|0,α;ΩT(2)),

其中C=C(n,λ,Λ,α).

证明: 由于Aij是正定矩阵,因此存在存在正交矩阵P使得:

PAP=diag{λ1,,λn}

D={1/λ1,,1/λn},作变换:z=xPD,则我们有:

L0u=fΔzu=f~(z)

同时注意到由于P是正交矩阵,因此:|Px|=|x|所以:

Λ12|x||xQ|λ12|x|.

因此我们有:u(x)u~(z),ΩΩ~.

c1|v|k,α;Ω|v~|k,α;Ω~c|v|k,α;Ω,k=0,1,2,,0α1,c1|v|0,α;Ω(k)|v~|0,α;Ω(k)c|v|0,α;Ω(k),

其中c=c(k,n,λ,Λ).因此利用Poisson方程的内估计我们得到:

|u~|2,α;Ω~C(|u|0;Ω~+|f|0,α;Ω~(2))

故:

|u|2,a;ΩCu~2,α;Ω~C(|u~|0;Ω~+|f~|0,α;Ω~(2))C(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)).

2.Schauder内估计

2.1:预备知识

为了后边的叙述方便,我们这里引入Holder空间的内插定理(不加证明).

内插定理
uC2,α(Ω),其中ΩRn的开子集,则对任一给定的ε>0,存在C=C(ε)使得:

[u]j,β;ΩC|u|0;Ω+ε[u]2,α;Ω,|u|j,β;ΩC|u|0;Ω+ε[u]2,α;Ω,

其中j=0,1,2;0α,β1,j+β<2+α

Ω是有界集时,我们也可以将拟范数[]换为[].为了得到更强的结论,我们定义:

[f]k,0;Ω(σ)=[f]k;Ω(σ)=supxΩ|β|=kdxk+σ|Dβf(x)|;[f]k,α;Ω(σ)=supx,yΩ |. |β|=kdx,yk+α+σ|Dβf(x)Dβf(y)||xy|α,0<α1|f|k;Ω(σ)=j=0k[f]j;Ω(σ)|f|k,α;Ω(σ)=|f|k;Ω(σ)+[f]k,α;Ω(σ).

注意到:

|fg|0,α;Ω(σ+τ)|f|0,α;Ω(σ)|g|0,α;Ω(τ).

2.2:Schauder内估计

Schauder内估计ΩRn中的开子集,uC2,α是方程Lu=f的有界解,并且[aij]是严格椭圆的,假设存在Λ使得:

|aij|0,α;Ω(0),|bi|0,α;Ω(1),|c|0,α;Ω(2)Λ.

则我们有:

|u|2,α;ΩC(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)),

其中C=C(n,λ,Λ,α).

证明: 1.首先我们证明只需要在Ω的任何紧子集上证明即可.设Ω=iΩi其中ΩiΩi+1Ω的紧子集.对任意的x,yΩ,必然存在i使得x,yΩi,此时定义任何一个二阶导数我们都:

(dx,y(i))2+α|D2u(x)D2u(y)||xy|α[u]2,α;ΩiC(|u|0;Ωi+|f|0,α;Ωi(2))如果结论成立C(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)),

其中dx,y(i)=min{dist(x.Ωi),dist(y,Ωi)}.令i,就得到了:

(dx,y)2+α|D2u(x)D2u(y)||xy|α

他们右者同一个无关i的上界.

2.下边我们就来证明[u]2,α;Ω是有界的.设x0y0,dx0=dx0,y0=min{dx0,dy0},设μ12(\emph{待定}.)令d=μdx0,B=Bd(x0),下边我们冻结主部系数,将Lu=f改写为:

aij(x0)Diju=(aij(x0)aij(x))DijubiDiucu+fF(x),

B这里注意到我们在B中利用估计.,利用齐次方程的内估计,如果yBd/2(x0),则我们有:

(d2)2+α|D2u(x0)D2u(y0)||x0y0|αdx,y2+α|D2u(x0)D2u(y0)||x0y0|αC(|u|0;B+|F|0,α;B(2))

因此我们可以得到:

dx02+α|D2u(x0)D2u(y0)||x0y0|αCμ2+α(|u|0;B+|F|0,α;B(2)).

而如果|xy|d/2,则我们有:

dx02+α|D2u(x0)D2u(y0)||x0y0|α(2μ)α[dx02|D2u(x0)|+dy02|D2u(y0)|]4μα[u]2;Ω.

综上我们就得到了,对最初定义的x0,y0Ω,我们有

dx02+α|D2u(x0)D2u(y0)||x0y0|αCμ+2(|u|0;Ω+|F|0,α;B2)+4μα[u]2;Ω

3.下边我们估计|F|0,α;B(2)

|F|0,α;B(2)i,j|(aij(x0)aij(x))Diju|0,α;B(2)+i|biDiu|0,α;B(2)+|cu|0,α;B(2)+f0,α;B(2).

由于出现了||0,α;B而定理中要求的是||,Ω为此我们需要研究这两者范数中间的关系.首先我们注意到如下关系对任意的xB,

dx=dist(x,Ω)>(1μ)dx012dx0

因此我们有:

|g|0,α;B(2)d2|g|0;B+d2+α[g]α;Bμ2(1μ)2[g]0;Ω(2)+μ2+α(1μ)2+α[g]0,α;Ω(2)4μ2[g]0;Ω(2)+8μ2+α[g]0,α;Ω(2)8μ2|g|0,α;Ω(2).

下边分别对:|(aij(x0)aij(x))Diju|0,α;B(2),|biDiu|0,α;B(2)+|cu|0,α;B(2),f0,α;B(2)进行估计.首先我们有:
对每一对 i,j, 记 (a(x0)a(x))D2u=(aij(x0)aij(x))Diju(注意到下边用到了[D2u]0;Ω|u|2;Ω的事实.)

|(a(x0)a(x))D2u|0,α;B(2)|a(x0)a(x)|0,α;B(0)|D2u|0,α;B(2)|a(x0)a(x)|0,α;B(0)(4μ2[u]2;Ω+8μ2+α[u]2,α;Ω).

继续对|a(x)a(x0)|0,α;B(0)进行估计:

|a(x0)a(x)|0,α;B(0)supxB|a(x0)a(x)|+dα[a]α;B2dα[a]α;B21+αμα[a]0,α;Ω4Λμα,

因此我们有:

i,j|(aij(x0)aij(x))Diju|0,α;B(2)32n2Λμ2+α([u]2;Ω+μα[u]2,α;Ω)32n2Λμ2+α(C(μ)|u|0;Ω+2μα[u]2,α;Ω).

最后一步我们用到了内插定理中的

[u]j,β;ΩC|u|0;Ω+ε[u]2,α;Ω

其中j=2,β=0,ε=μα.

对每个i,记biDiu(这里就不求和了)为bDu,因此我们有:

|bDu|0,α;B(2)8μ2|bDu|0,α;Ω28μ2|b|0,α;Ω(1)|Du|0,α;Ω(1)8μ2Λ|u|1,α;Ω8μ2Λ(C(μ)|u|0;Ω+μ2α[u]2,α;Ω).

于是得到了:

|biDiu|0,α;B(2)8nΛμ2(C(μ)|u|0;Ω+μ2α[u]2,α;Ω).

其中用到了内插定理中的:

|u|j,β;ΩC|u|0;Ω+ε[u]2,α;Ω

其中j=1,β=α,ε=μ2α.
最后还有

|cu|0,α;B(2)8μ2|c|0,α;Ω(2)|u|0,α;Ω(0)8Λμ2(C(μ)|u|0;Ω+μ2α[u]2,α;Ω).

|f|0,α;B28μ2|f|0,α;Ω(2).

将上边的所有式子结合起来就得到了:

|F|0,α;B(2)Cμ2+2α[u]2,α;Ω+C(μ)(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)).

并且在

[u]j,β;ΩC|u|0;Ω+ε[u]2,α;Ω

j=2,β=0,ε=μ2α来估计[u]2;Ω.就得到了

dx0,y02+α|D2u(x0)D2u(y0)||x0y0|αCμα[u]2,α;Ω+C(μ)(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)).

左边对x0,y0取上确界就得到了:

[u]2,α;ΩCμα[u]2,α;Ω+C(μ)(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)).

Cμα12,就得到了:

[u]2,α;ΩC(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)).

再次利用:

|u|j,β;ΩC|u|0;Ω+ε[u]2,α;Ω

j=2,β=0就得到了结论.
这个结果的好处就是我们可以允许f和系数是无界的,下边是更常用的Schauder估计.

2.3:推论

推论uC2,α(Ω),fCα(Ω¯) 满足 Lu=f, 其中 L 在有界区域 Ω 中满足 (6.2), 并且 L 的系数在 Cα(Ω¯) 中. 那么如果 Ω⊂⊂Ω,dist(Ω,Ω)d, 就存在常数 C, 使得

d|Du|0;Ω+d2|D2u|0;Ω+d2+α[D2u]α;ΩC(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω(2)),

其中 C 仅依赖于椭圆性常数 λL 的系数的 Cα(Ω¯) 范数 (以及 n,αΩ 的 直径).或者是:

|u|2,α;ΩC(|u|0;Ω+|f|0,α;Ω)

这里的C=C(n,λ,Λ,α,Ω,Ω).

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