在二维的情形下,我们考虑带有Neumann边值条件的Monge-Ampère型方程
最优运输问题是Monge-Ampère型方程重要的应用之一, 参见Ma,Trudinger和Wang的文献[2]. 在此应用中,矩阵 A(x,Du)由费用函数c生成
假设光滑的费用函数c在矩阵中满足以下条件
(A1) 对任意x,p \in R^{n},存在唯一的y \in R^{n}使得D_{x}c(x,y)=p; 对任意y,q \in R^{n},存在唯一的x \in R^{n}使得D_{y}c(x,y)=q;
(A2) 对任意(x,y) \in R^{n} \times R^{n},~\det \{ D^{2}_{xy}c(x,y)\} \neq 0;
(A3w) 对所有(x,p) \in \Omega \times R^{n},~\xi,\eta \in R^{n},~\xi \perp \eta,
若将(1.7)式右边的零换成 c_{0}|\xi|^{2}|\eta|^{2},其中c_{0} > 0,则这个条件被称为(A3), 参见文献[2].
条件(A1)和(A2)用于保证C^{1}解的存在性,并且在最优运输中势函数的C^{1}正则性是必须的. 因此本文仅考虑Monge-Ampère型方程的二阶导数估计. 条件(A3w)表明,方程(1.1) 解的正则性依赖于矩阵A关于p的性质. 例如,若A关于p是凸的,则A满足条件(A3w). 有许多费用函数满足条件(1.7),参见文献[2, 6, 7].
Monge-Ampère型方程的各类边值问题已经得到广泛地研究. 对于方程(1.1)Dirichlet边值问题, Jiang,Trudinger和Yang在文献[1]中已给出经典解的存在性. Huang,Jiang和Liu在文献[8]中指出,若f \in C^{\alpha},则有解的全局C^{2,\alpha}估计. 当A \equiv 0,方程(1.1)退化为标准的Monge-Ampère方程,在这种情况下, 文献[]中已给出第二边值问题的全局估计. 在Urbas的文献[12]中,如下Monge-Ampère方程
Monge-Ampère型方程除了应用于最优传输,还应用于共形几何,几何光学等. 本文中我们采用不同于文献[13]的方法给出了二维情况下Monge-Ampère 型方程(1.1)的Neumann 边值问题解的二阶导数估计. 本文中仅给出了二维情形解的估计, 由于高维情形\sum w_{ii}与\sum w^{ii} 不能相互控制,故该方法无法推广到高维的情形.
在文献[14]中,Lions,Trudinger和Urbas研究了带有Neumann边值条件的Monge-Ampère方程
接下来我们引入一些定义. 令Mu=D^{2}u-A(x,Du),若有Mu > 0, 则称方程(1.1)的解u \in C^{2}(\Omega)为椭圆解. 若存在定义函数\phi \in C^{2}(\bar{\Omega}),使得在\partial \Omega上, \phi = 0且D\phi \neq 0; \Omega内,\phi < 0, 并且在\Omega的邻域\aleph内有下列不等式成立
下面,我们给出这篇文章中的主要结果.
定理1.1 假设\Omega是R^{2}中严格A凸区域, u \in C^{4}(\Omega) \cap C^{2}(\bar{\Omega})是Neumann边值问题(1.1)--(1.2)的椭圆解, \varphi和\Omega满足结构条件(1.4)和(1.5), 矩阵值函数A(x,Du)满足结构条件(1.7),则
注1.1 由定理1.1和文献[13]中最大模估计和梯度估计,可得问题(1.1)--(1.2)解的C2估计, 进而根据连续性方法得到该问题解的存在性.
注1.2 在Gilbarg和Trudinger的书[15,定理6.31],若条件中函数充分光滑, 则定理1.1中解u的正则性可提高,即在定理1.1的基础上, 若A,f,\varphi,\partial\Omega \in C^{\infty},则解u \in C^{\infty}(\bar{\Omega}).
文献[13]中已得到R^{n}中问题(1.1)--(1.2)解的最大模估计和梯度估计, 接下来我们采用不同于文献[13]中的办法,讨论R^{2}中解的二阶导数估计.
本节假设u和Du都是有界的,在此条件下,文献[1, 7]中有如下定理
定理2.1[1, 7]假设u \in C^{4}(\Omega)是方程(1.1)的椭圆解, 对任意x \in \Omega,~A(x,Du)是光滑的矩阵值函数, f > 0且f \in C^{2}(\bar{\Omega}). 若下列条件之一成立
(i) (A3)成立;
(ii) (A3w)和(1.11)均成立;
(iii) (A3w)成立,并且存在光滑下解\tilde{u}满足\det[D^{2}\tilde{u}-A(x,D\tilde{u})] \geq f(x). \\ 则 \sup_{ \Omega}|D^{2}u| \leq C(1 + \sup_{\partial \Omega}|D^{2}u|), 其中C依赖于A,~f,~\Omega,~|u|_{1;\Omega}.
接下来我们引入一些记号. 令 F[u]=\log[\det(D^{2}u-A(x,Du))],\quad F^{ij}=\frac{\partial F}{\partial w_{ij}}=w^{ij}, F^{ij,kl}=\frac{\partial^{2}F}{w_{ij}w_{kl}}=-w^{ik}w^{jl}, \quad \{w_{ij}\}=\{u_{ij}-A_{ij}\}, 其中\{w^{ij}\}为矩阵\{w_{ij}\}的逆矩阵. 为了方便起见,对任意向量\xi,\eta, 定义D_{\xi\eta}u=D_{ij}u\xi_{i}\eta_{j},w_{\xi\eta}=w_{ij}\xi_{i}\eta_{j} =D_{ij}u\xi_{i}\eta_{j}-A_{ij}\xi_{i}\eta_{j}.
由定理2.1可知,对于二阶导数估计已将整体约化到边界, 因此仅需证明边界上的二阶导数估计. 不失一般性,可将\varphi和\nu分别延拓到 \bar{\Omega} \times R和\bar{\Omega}.
首先证明在边界上|D_{\tau\nu}u|有界. 定义切向导数算子 \delta=(\delta_{1},\delta_{2}),\delta_{i}=(\delta_{ij}-\nu_{i}\nu_{j})D_{j}, 其中i,j=1,2. 将切向导数算子\delta_{i}作用于边值条件(1.2),则在\partial\Omega上,
然后,在\partial\Omega上估计D_{\nu\nu}u.
由方程(1.1),令
定义线性化算子
考虑函数h=\nu_{k}D_{k}u-\varphi(x,u), D_{i}h = D_{i}\nu_{k}D_{k}u+\nu_{k}D_{ik}u-\varphi_{i}-\varphi_{u}D_{i}u, \begin{eqnarray*} D_{ij}h &=&D_{ij}\nu_{k}D_{k}u+D_{i}\nu_{k}D_{jk}u+D_{j}\nu_{k}D_{ik}u +\nu_{k}D_{ijk}u-\varphi_{ij}-\varphi_{iu}D_{j}u\\ &&-\varphi_{ui}D_{i}u-\varphi_{uu}D_{i}uD_{j}u-\varphi_{u}D_{ij}u. \end{eqnarray*} 由(2.4)和(2.5)式计算可得
则综上可得
由于|D_{\tau \nu}u|,~|D_{\nu \nu}u|有界,因此|D_{\tau \nu}w|,~|D_{\nu \nu}w|也有界.
最后,估计u在\partial \Omega 上的切向二阶导数.
在边界上的任意一点,任意切向量均可写成
对(2.3)式求导可得
由(2.15)式可得 \begin{eqnarray*} w^{ij}D_{p_{k}}A_{\xi\xi}u_{kij} & = &D_{p_{k}}A_{\xi\xi}\{w^{ij}[D_{k}A_{ij}+D_{p_{l}}A_{ij}u_{lk}]+g_{k}\}\\ & \leq & C[w^{ii}(1+w_{jj})], \end{eqnarray*} 则
在\Omega内, \chi(x,\xi)=\chi(x,u,Du), D_{i}\chi=\chi_{i}+\chi_{z}D_{i}u+\chi_{p_{k}}D_{ik}u, \begin{eqnarray*} D_{ij}\chi&=&\chi_{ij}+\chi_{iz}D_{j}u+\chi_{jz}D_{i}u+\chi_{ip_{k}}D_{jk}u+\chi_{zz}D_{i}uD_{j}u+\chi_{zp_{k}}D_{i}uD_{jk}u\\ &&+\chi_{z}D_{ij}u+\chi_{jp_{k}}D_{ik}u+\chi_{zp_{k}}D_{j}uD_{ik}u+\chi_{p_{k}p_{l}}D_{ik}uD_{jl}u+\chi_{p_{k}}D_{ijk}u, \end{eqnarray*} L\chi = w^{ij}[D_{ij}\chi-D_{p_{k}}A_{ij}D_{k}\chi], 由\chi关于Du是线性的,可得w^{ij}\chi_{p_{k}p_{l}}D_{ik}uD_{jl}u=0, 由(2.5)式计算可知L\chi \leq C[w^{ii}(1+w_{jj})], 由\phi的定义可知 L\tilde{k}\phi \geq \tilde{k}\delta_{0}\sum w^{ii}.
当n=2时,设\lambda_{1},\lambda_{2}为矩阵\{w_{ij}(0)\}_{i,j \leq 2} 的特征值, 则 \sum w_{ii}=\lambda_{1}+\lambda_{2}, \sum w^{ii}=\frac{1}{\lambda_{1}}+\frac{1}{\lambda_{2}}=\frac{\lambda_{1}+\lambda_{2}}{\lambda_{1} \lambda_{2}}=\frac{\sum w_{ii}}{f}, \sum w_{ii}=f\sum w^{ii}, \max\limits_{\bar{\Omega}}|f|\sum w^{ii} \geq \sum w_{ii} \geq -\max\limits_{\bar{\Omega}}|f|\sum w^{ii}. 计算可知 \begin{eqnarray*} LH&=&Lw_{\xi\xi}-L\chi+L(2〈 \xi,\tau 〉〈 \xi,\nu 〉 A_{ij}\tau_{i}\nu_{j})+L(\tilde{k}\phi)\\ &\geq&\tilde{k}\delta_{0}w^{ii}-C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}]\\ &\geq& (\tilde{k}\delta_{0}-C)w^{ii}\\ &\geq& 0, \end{eqnarray*} 取\tilde{k}充分大,使得最后一个不等式成立. 由极值原理,H在边界上某点处取得极大值,设该点为(x_{0},\xi_{0}) \in \partial \Omega \times S^{1},不妨设\xi_{0}=(0,1).
下面分三种情况来讨论.
(a) \xi_{0}为 \partial \Omega 上x_{0}处的法向量. 由H在(x_{0},\xi_{0})处取得极大值可知,H(x_{0},\tau) \leq H(x_{0},\xi_{0}), 将式(2.14)代入可得w_{\tau\tau} \leq w_{\nu\nu} \leq C.
(b) \xi_{0}为 \partial \Omega 上x_{0}处的非切非法向量. \begin{eqnarray*} H(x_{0},\xi_{0})&=&w_{\xi_{0}\xi_{0}}-\chi(x_{0},\xi_{0})-2〈 \xi_{0},\tau 〉〈 \xi_{0},\nu 〉 A_{ij}\tau_{i}\nu_{j}+\tilde{k}\phi\\ &=&〈 \xi_{0},\tau 〉^{2}w_{\tau\tau}+〈 \xi_{0},\nu 〉^{2}w_{\nu\nu}+\tilde{k}\phi\\ &\leq& 〈 \xi_{0},\tau 〉^{2}[H(x_{0},\tau)-\tilde{k}\phi]+〈 \xi_{0},\nu 〉^{2}w_{\nu\nu}+\tilde{k}\phi\\ &\leq& 〈 \xi_{0},\tau 〉^{2}[H(x_{0},\xi_{0})-\tilde{k}\phi]+〈 \xi_{0},\nu 〉^{2}w_{\nu\nu}+\tilde{k}\phi, \end{eqnarray*} 其中第二个等式利用了(2.11)式.
由〈 \xi_{0},\tau〉^{2} + 〈 \xi_{0},\nu 〉^{2}=1, 则有H(x_{0},\xi_{0}) \leq H(x_{0},\nu), 上式结合H(x_{0},\tau) \leq H(x_{0},\xi_{0}),可知H(x_{0},\tau) \leq H(x_{0},\nu), 将式(2.14)代入可得 w_{\tau\tau} \leq w_{\nu\nu} \leq C.
(c) \xi_{0}为 \partial \Omega 上x_{0}处的切向量. 由H在(x_{0},\xi_{0})处取得极大值可知 0 \leq D_{\nu}H(x_{0},\xi_{0})=D_{\nu}w_{\xi_{0}\xi_{0}}-D_{\nu}(\chi(x_{0},\xi_{0})-2〈 \xi_{0},\tau 〉〈 \xi_{0},\nu 〉 A_{ij}\tau_{i}\nu_{j}+\tilde{k}\phi). 则有 \begin{eqnarray*} 0 &\leq& D_{\nu}w_{11}(x_{0})+C\\ &=&D_{\nu}u_{11}(x_{0})-D_{\nu}A_{11}(x_{0},Du(x_{0}))+C\\ &\leq& D_{\nu}u_{11}(x_{0})+C\\ &=&D_{1}D_{\nu}D_{1}u(x_{0})-(D_{1}\nu_{k})D_{k}D_{1}u(x_{0})+C\\ &=&D_{11}D_{\nu}u(x_{0})-D_{1}[(D_{1}\nu_{k})D_{k}u(x_{0})]-(D_{1}\nu_{k})D_{k}D_{1}u(x_{0})+C\\ &=&D_{11}\varphi-(D_{11}\nu_{k})D_{k}u-2(D_{1}\nu_{k})D_{k}D_{1}u(x_{0})+C\\ &=&\varphi_{11}+\varphi_{1u}D_{1}u+\varphi_{u1}D_{1}u+\varphi_{uu}(D_{1}u)^{2} +\varphi_{u}D_{11}u\\ &&-(D_{11}\nu_{k})D_{k}u-2(D_{1}\nu_{k})D_{k}D_{1}u(x_{0})+C\\ &\leq &-\gamma_{0}D_{11}u(x_{0})-2(D_{1}\nu_{k})D_{k}D_{1}u(x_{0})+C, \end{eqnarray*} 其中第一个不等式和第二个不等式均利用了式(2.2)和(2.10), 最后一个不等式利用了条件(1.4).
设r为\Omega的定义函数,且在\partial\Omega上满足条件|\bigtriangledown r|=1, 令\lambda_{2}(x_{0})=\frac{\partial^{2}r}{\partial x_{1}^{2}}, 则\lambda_{2}(x_{0}) \geq \kappa_{1}(x_{0}) \geq \kappa_{1}, 其中\kappa_{1}(x_{0})为\partial\Omega上点x_{0}处最小主曲率, \kappa_{1}=\inf\{\kappa_{1}(x):x \in \partial\Omega\}. 计算可得 \begin{eqnarray*} -2(D_{1}\nu_{k})D_{k}D_{1}u(x_{0})&=&-2\frac{\partial^{2}r}{\partial x_{1}^{2}}D_{11}u(x_{0})-2\frac{\partial^{2}r}{\partial x_{2}\partial x_{1}}D_{2}D_{1}u(x_{0})\\ &\leq&-2\frac{\partial^{2}r}{\partial x_{1}^{2}}D_{11}u(x_{0})+C\\ &=&-2\lambda_{2}(x_{0})D_{11}u(x_{0})+C\\ &\leq&-2\kappa_{1}D_{11}u(x_{0})+C, \end{eqnarray*} 其中第一个不等式利用了式(2.2)和(2.10).
则 \begin{eqnarray*} 0&\leq &-\gamma_{0}D_{11}u(x_{0})-2(D_{1}\nu_{k})D_{1}D_{k}u(x_{0})+C\\ &\leq&-\gamma_{0}D_{11}u(x_{0})-2\kappa_{1}D_{11}u(x_{0})+C\\ &= &(-\gamma_{0}-2\kappa_{1})D_{11}u(x_{0})+C\\ &\leq &(-\gamma_{0}-2\kappa_{1})D_{11}w(x_{0})-(-\gamma_{0}-2\kappa_{1})A_{11}+C\\ &\leq &-(\gamma_{0}+2\kappa_{1})D_{11}w(x_{0})+C, \end{eqnarray*} 即有 w_{11}(x_{0}) \leq \frac{C}{\gamma_{0}+2\kappa_{1}}.
由以上三种情况,则对\partial \Omega上任意的方向\xi,则有 w_{\xi\xi} \leq C, 故可得 u_{\xi\xi} \leq C, 由定理2.1则有 \sup _{\Omega}|D^{2}u| \leq C. 其中C依赖于\gamma_{0},~\Omega,~|u|_{1;\bar{\Omega}},~A,~\varphi,~f.
定理1.1 证毕.