近年来,关于变指数的Lebesgue-Sobolev空间Lp(x)(Ω)的研究日益广泛, Lp(x)(Ω)={f:Ω→R|f 可测,且 ∫Ω|f|p(x)dx<∞}, 其上定义范数 ‖f‖Lp(x)(Ω)=inf{λ>0:∫Ω|fλ|p(x)dx≤1}, 此时Lp(x)(Ω)为Banach空间. W1,p(x)(Ω)空间定义为 W1,p(x)(Ω)={u∈Lp(x)(Ω):∇u∈Lp(x)(Ω)}, 其上定义范数 ‖u‖W1,p(x)(Ω)=‖u‖Lp(x)(Ω)+‖∇u‖Lp(x)(Ω), 此时W1,p(x)(Ω)为Banach空间.
变指数空间与非牛顿流的研究相关. 文献[1, 2, 3]在对连续介质中的电流变液模型的研究中产生能量积分 ∫Ω|∇u|p(x)dx, 并在W1,p(x)(Ω)空间中对这种流体进行分析. 而且,上述能量积分也出现在均匀化问题[4], 图像恢复[5]等均匀的物理模型中. 这就引起了对变指数问题的研究,见文献[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]及其参考文献.
设Ω为Rn中的有界开集,n≥2. 本文考虑下述椭圆方程
注特别地,当A(x,ξ)=|ξ|p(x)−2ξ 且B(x,ξ)=0, 方程 (1.1)即为p(x)-Laplace方程
本文主要考虑方程(1.1)的弱解的梯度的Hölder连续性. 关于p(x)-Laplace方程的Hölder估计已有一些结论[12, 13, 20, 21, 22, 23]. Emilio Acerbi和Giuseppe Mingione[12]考虑了p(x)-Laplace方程
定义 1.1 函数u∈W1,p(x)loc(Ω)称为方程(1.1)的局部弱解, 若对任给φ∈W1,p(x)0(Ω),有
下面是本文主要结论.
定理 1.2 设u为方程(1.1)的局部弱解,满足条件(1.2)-(1.8), 则∇u是局部Hölder连续的,即 u∈C1,αloc(Ω),其中 α=(β−nμ−λ)γ1(1+μ)γ2, β=1−nσ0,正常数σ0<1/n, μ=βn+β1>0.
本文用BR表示半径为R的立方体. x∗∈BR为定点. 定义 p0=min¯BRp(x), p1=max¯BRp(x), p2=p(x∗). 令R1足够小,使得0<R≤R1<R0<1, 且对任给x,y∈BR1,有
为估计∇u,首先引入椭圆方程的Dirichlet问题.
令v为下述椭圆问题
定义2.1 设v∈W1,p2(BR). 称v∈W1,p2(BR)为方程(2.2)的在BR中满足 v−u∈W1,p20(BR)的弱解, 若对任给φ∈W1,p20(BR), ∫BRA(x,∇v)⋅∇φdx=0.
我们将使用v作为比较函数. 为证明定理1.2需要建立几个关于∇v的结论.
引理 2.2 (参见文献[24,引理5.1]) 令g∈C1,满足0≤tg′(t)g(t)≤g0(t>0), 并对某些正常数ϵ,有g(t)≥ϵt. 令¯A:Rn→Rn, 存在正常数Λ,使得 ¯aij(h)ξiξj≥g(|h|)|h||ξ|2;|¯aij(h)|≤Λg(|h|)|h||ξ|2;|¯A(h)|≤Λg(|h|), 对所有h,ξ∈Rn, ¯aij=∂¯Ai∂hj 均成立. 若v∈W1,G(BR)为方程 div¯A(Dv)=0 在BR中的有界解,则对某些正数σ(N,g0,Λ), v∈C1,σ(BR). 而且,对0<r<R,有 supBR/2G(|Dv|)≤c(N,g0,Λ)R−n∫BRG(|Dv|)dx, −∫BrG(|Dv−(Dv)r|)dx≤c(N,g0,Λ)(rR)σ−∫BRG(|Dv−(Dv)R|)dx.
引理 2.3 令u为方程(1.1)在条件(1.2)-(1.8)下的弱解, v为问题(2.2)的弱解. 当0<ρ<R/2,β1∈(0,1),有
证 由定义2.1易得(2.7)式. 在定义2.1中取φ=u−v∈W1,p20(BR),可得
由文献[25,定理 3.17,3.41],可知Dirichlet问题(2.2)的解v(x)是局部有界的. 在引理2.2中取g(t)=ptp−1. 于是由引理2.2,有
引理 2.4 (参见文献[12,定理4]) 令立方体Q4R0⊂Rn,s,q>1. 若两函数f∈Ls(Q4R0;Rn),ϕ∈Lsq(Q4R0;Rn)满足 (−∫QR/2|f|sdx)1/s≤K−∫QR|f|dx+H(−∫QR/2|ϕ|sdx)1/s 对每个立方体QR⊆Q4R0均成立,K,H>1,则有 (−∫QR/2|f|s(1+σ)dx)1/(1+σ)≤c(n,s)(s−1)11+σ−∫QR|f|sdx+c(n,s)(s−1)11+σ(HK)s(−∫QR|ϕ|s(1+σ)dx)1/(1+σ) 对每个立方体QR⊆Q4R0均成立,其中常数c(n,s)>0,σ>0满足 σ≤min{c(n,s)(s−1)Ksq,q−1}.
引理 2.5 设u为方程(1.1)满足条件(1.2)-(1.8)的弱解, 则存在正常数σ0,R0<1,与n,γ1,γ2,Ci (i=1,2,⋯,7)有关的常数C,使得
证 首先取R0足够小,使得 {ω(8nR0)≤√n+1n−1,0<ω(R)log(1R)≤C6,∀R≤R0. 令s=√n+1n>1. 且QR⊆Q4R0. 于是有 p2−p1≤ω(2R√n)≤ω(2nR)=ω(8nR0)≤s−1. 于是由p2−p1p1≤s−1p1≤s−1, 可知p2p1≤s, 且p2>p1>p1s. 为方便记,常数C在下文中不一定相等, 仅表示出与C有关的参数.
令截断函数η∈C∞0(BR),0≤η≤1,|∇η|≤C7/R, 在BR/2上η≡1. 在定义1.1中取φ=ηp2(u−uR),则
注 由引理2.5,并注意到∇u∈Lp(x)(Ω),我们有
引理 2.6 令0<R≤R1≤R0<1,BR0⊂Ω. 若u为方程(1.1)满足条件(1.2)-(1.8)的弱解, 则存在仅依赖于n,γ1,γ2,α1,σ0的正常数β, 使得
证 由引理2.3,问题(2.2)的弱解v满足(2.7)和(2.8)式. 在定义1.1和定义2.1中取φ=u−v,有
下面分别估计Ii(i=1,2,3).
估计I1 由(2.4)式,注意到连续模ω(x)当R→0时ω(x)→0, 于是存在任意小的常数ε,使R充分小时有ω(x)<ε. 于是结合使用带τ的Young不等式和(2.7)式,我们有
估计I2由(2.3)式可知
于是有
于是,联立(2.36),(2.37)和 (2.41)式,可得
引理 2.7 若u为方程(1.1)满足条件(1.2)-(1.8)的弱解, 则对任给λ∈(0,n), 存在正常数R2和仅与n,γ1,γ2,α1,σ0,dist{Ω0,Ω}有关的正常数C, 使得
证 若v为问题(2.2)的弱解,则由(2.30),(2.7)和(2.8)式,有
证 注意到R<1. 根据引理2.3,引理2.6 和引理2.7,可得