在二维的情形下,我们考虑带有Neumann边值条件的Monge-Ampère型方程

$$\begin{equation}\label{aa} \det [D^{2}u-A(x,Du)]=f(x),~\mbox{在$\Omega$内,} \end{equation}$$

(1.1)

$$\begin{equation}\label{ab} D_{\nu}u=\varphi(x,u),     \mbox{在$\partial \Omega$上,} \end{equation}$$

(1.2)

其中$\Omega$是$R^{2}$中的有界光滑区域,$Du=(u_{x_{1}},~u_{x_{2}})$, $(D^{2}u)=(u_{ij})_{2 \times 2}$, $f$是定义在$\Omega$上的函数且$f > 0$,$\nu$为$\partial \Omega$上的单位外法向量, $A(x,Du)$是$\Omega \times R^{2}$上对称的矩阵值函数,对任意$x \in \Omega$, $A$ 具有以下结构

$$\begin{equation}\label{ac} A(x,p) \geq -\mu_{0}(1+|p|^{2})I, \end{equation}$$

(1.3)

其中$x \in \Omega$,$p \in R^{2}$,$\mu_{0} > 0$为常数,$I$为$n$阶单位阵, 参见Jiang,Trudinger和Yang的文献^[1],$\varphi$是定义在$\partial \Omega \times R^{2}$ 上的标量函数,满足以下条件

$$\begin{equation}\label{ad} \mbox{对任意 }\ x\in \partial \Omega,~-\varphi_{u}(x,u) \geq \gamma_{0} > 0, \end{equation}$$

(1.4)

$$\begin{equation}\label{ae} \gamma_{0}+2\kappa_{1}>0, \end{equation}$$

(1.5)

其中$\gamma_{0}$是常数,$\kappa_{1}(x)$为$\partial \Omega$上点$x$处最小主曲率, $\kappa_{1}=\inf\{\kappa_{1}(x):x \in \partial\Omega\}$.

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

$$\begin{eqnarray} A(x,Du)=D^{2}_{x}c(x,Tx) ,x \in \Omega, \end{eqnarray}$$

(1.6)

其中$c:R^{n} \times R^{n} \rightarrow R$是光滑的费用函数, $T$是由$Du(x)=D_{x}c(x,Tx)$决定的最优映射,并称方程的解$u$为势函数. Villani在文献^[3]中详细介绍了最优运输问题的背景. Philippis在文献^[4]中介绍了Monge-Ampère型方程和最优运输的联系及应用. Trudinger在文献^[5]中给出了Monge-Ampère型方程(1.1)的新发展.

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$(x,p) \in \Omega \times R^{n},~\xi,\eta \in R^{n},~\xi \perp \eta,$

$$\begin{equation}\label{af} A_{ij,kl}(x,p)\xi_{i}\xi_{j}\eta_{k}\eta_{l}=\sum_{i,j,k,l,p,q,r,s}(c^{p,q}c_{ij,p}c_{q,rs}-c_{ij,rs})c^{r,k}c^{s,l}\xi_{i}\xi_{j}\eta_{k}\eta_{l} \geq 0, \end{equation}$$

(1.7)

其中$A_{ij,kl}=D^{2}_{p_{k}p_{l}}A_{ij}$, $c_{i,j}(x,y)=\frac{\partial^{2}c(x,y)}{\partial x_{i} \partial y_{j}}$, $(c^{i,j})$为矩阵$(c_{i,j})$的逆矩阵.

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

$$\begin{eqnarray} \det [D^{2}u-\sigma(x,u)]=g(x) \end{eqnarray}$$

(1.8)

的斜边值问题已有结论,其中$\sigma:\Omega \times R^{n} \rightarrow R^{n \times n}$ 是对称的矩阵值函数且关于$u$单调不减,$g$是定义在$\Omega$上的标量函数. 若$\sigma(x,u)=\sigma(x)u$,对于这种特殊情况, 李松鹰在文献^[6]中用不同的方法得到了解的存在性以及正则性.

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

$$\begin{equation} \det D^{2}u=f(x),  \mbox{在$\Omega$内,} \end{equation}$$

(1.9)

$$\begin{equation} D_{\nu}u=\varphi(x,u),\qquad   \mbox{在$\partial \Omega$上,} \end{equation}$$

(1.10)

其中$f \in C^{1,1}(\bar{\Omega})$,$f>0$,$\varphi \in C^{2,1}(\bar{\Omega} \times R)$且$\varphi$关于$z$单调不减. 在证明解的二阶导数估计时, 两篇文章均是通过构造闸函数将整体约化到边界. 对于切法估计, 本文的证明与文献^[14]中的证明类似; 对于法法估计,文献^[14]中利用$u$的凸性可得到, 而在本文中$u$没有凸性条件,故我们利用边界定义函数来构造辅助函数得到; 对于切切估计, 两篇文章构造的闸函数不同.

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

$$\begin{equation}\label{ak} D_{ij}\phi-D_{p_{k}}A_{ij}(x,Du)D_{k}\phi \geq \delta_{0}I, \end{equation}$$

(1.11)

其中$\delta_{0} > 0$为常数,$I$为$n$阶单位阵,则称$\Omega$是$R^{n}$中严格$A$凸($A$有界)区域.

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

$$\begin{eqnarray} \sup_{\Omega}|D^{2}u| \leq C, \end{eqnarray}$$

(1.12)

其中$C$依赖于$\gamma_{0},~\Omega,~|u|_{1;\bar{\Omega}},~A,~\varphi,~f.$

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,

$$\begin{equation}\label{ao} D_{k}u\delta_{i}\nu_{k}+ \nu_{k}\delta_{i}D_{k}u=\delta_{i}\varphi, \end{equation}$$

(2.1)

$$\begin{eqnarray*} \tau_{i}\nu_{k}\delta_{i}D_{k}u&=&\tau_{i}\nu_{k}(\delta_{ij}-\nu_{i}\nu_{j})D_{jk}u = \tau_{i}\nu_{k}D_{ik}u-\tau_{i}\nu_{k}\nu_{i}\nu_{j}D_{jk}u\\ &=& \tau_{i}\nu_{k}D_{ik}u = D_{\tau\nu}u, \end{eqnarray*}$$ 因此 $$D_{\tau\nu}u =\tau_{i}\nu_{k}\delta_{i}D_{k}u = \tau_{i}\delta_{i}\varphi - \tau_{i}D_{k}u\delta_{i}\nu_{k}.$$ 计算可知,对于任意的切向量$\tau$,

$$\begin{equation}\label{as} |D_{\tau\nu}u|\leq C,  \mbox{在$\partial \Omega $上,} \end{equation}$$

(2.2)

其中$C$依赖于$\varphi,~\Omega,~|u|_{1;\bar{\Omega}}.$

然后,在$\partial\Omega$上估计$D_{\nu\nu}u.$

由方程(1.1),令

$$\begin{equation}\label{al} F[u]=\log[\det(D^{2}u-A(x,Du))]=g(x), \end{equation}$$

(2.3)

其中$\log f(x)=g(x).$

定义线性化算子

$$\begin{equation}\label{am} L=F^{ij}(D_{ij}-D_{p_{l}}A_{ij}(x,Du)D_{l}), \end{equation}$$

(2.4)

则计算可得 $$Lu=F^{ij}(D_{ij}u-D_{p_{l}}A_{ij}(x,Du)D_{l}u) =n+F^{ij}(A_{ij}-D_{p_{l}}A_{ij}(x,Du)D_{l}u).$$ 将方程(2.3)关于$x_{k}$求导可得

$$\begin{equation}\label{an} F^{ij}(D_{ijk}u-D_{k}A_{ij}(x,Du)-D_{p_{l}}A_{ij}(x,Du)D_{lk}u)=D_{k}g,~~~\mbox{其中$k=1,2,$} \end{equation}$$

(2.5)

则

$$\begin{equation} Lu_{k}=D_{k}g+F^{ij}D_{k}A_{ij}(x,Du),~~~\mbox{其中$k=1,2.$} \end{equation}$$

(2.6)

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

$$\begin{equation} |Lh|\leq C_{1}(1 + T)\leq C_{2}T,  \mbox{在$\Omega$ 内,} \end{equation}$$

(2.7)

其中$T=\sum F^{ii}$. 由在$\partial\Omega$上$h=0$,故 $$\left\{\begin{array}{ll} |Lh| \leq C_{2}T, &\mbox{在$\Omega$内,}\\ h = 0,&\mbox{在$\partial \Omega $上.} \end{array} \right.$$ 令$\phi$为$\Omega$的定义函数,满足条件 $$\left\{\begin{array}{ll} \phi ＜ 0, &\mbox{在$\Omega$内,}\\ \phi = 0,&\mbox{在$\partial \Omega $上.} \end{array} \right.$$ 因为$\Omega$是严格$A$凸的(参见文献^[15]),对于常数$\delta_{0}>0,$ $$\left\{\begin{array}{ll} L\phi \geq \delta_{0}T, &\mbox{在$\Omega$内$\partial \Omega $附近,}\\ \phi = 0,&\mbox{在$\partial \Omega $上.} \end{array} \right.$$ 取$k$充分大,使得

$$\begin{equation} Lk\phi \geq k \delta_{0}T \geq C_{2}T \geq |Lh|, \end{equation}$$

(2.8)

由比较原理可知

$$\begin{equation} |D_{\nu}h| \leq C_{3},  \mbox{在$\partial \Omega $上,} \end{equation}$$

(2.9)

其中$C_{3}$与$\Omega$有关.

则综上可得

$$\begin{equation}\label{at} |D_{\nu \nu}u| \leq C_{4},~~~~~~~\mbox{在$\partial \Omega $上,} \end{equation}$$

(2.10)

其中$C_{4}$与$\Omega$,$|\varphi|_{1;\bar{\Omega}}$,$|u|_{1;\bar{\Omega}}$有关.

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

$$\begin{equation}\label{ar} \xi=〈 \xi,\tau〉 \tau +〈 \xi,\nu 〉 \nu,  〈 \tau,\nu 〉 =0, \end{equation}$$

(2.11)

则

$$\begin{equation} w_{\xi\xi}=〈 \xi,\tau〉^{2}w_{\tau\tau}+2〈 \xi,\tau〉 〈 \xi,\nu 〉 w_{\tau \nu} +〈 \xi,\nu 〉^{2}w_{\nu\nu},  \mbox{在$\partial \Omega $上.} \end{equation}$$

(2.12)

由(2.1)式可知,对$\partial \Omega$上任意单位切向量$\tau$,

$$\begin{equation} w_{\tau\nu}=\delta_{i}\varphi\tau_{i}-D_{k}u(\delta_{i}\nu_{k})\tau_{i}-A_{ij}\tau_{i}\nu_{j}. \end{equation}$$

(2.13)

类似于Lions,Trudinger和Urbas在文献^[14]中的方法, 在$\bar{\Omega} \times S^{1}$上构造函数,令

$$\begin{equation}\label{aq} H(x,\xi)=w_{\xi\xi}-\chi(x,\xi)+2〈 \xi,\tau 〉〈 \xi,\nu 〉 A_{ij}\tau_{i}\nu_{j}+\tilde{k}\phi, \end{equation}$$

(2.14)

其中$\phi$为$\Omega$的定义函数,$\tilde{k}$为待定常数,在$\partial \Omega$上定义 $$\chi(x,\xi)=2〈 \xi,\tau 〉〈 \xi, \nu 〉 [\delta_{i}\varphi\tau_{i}-D_{k}u(\delta_{i}\nu_{k})\tau_{i}],$$ 在$\Omega$内定义$\chi(x,\xi)$是关于$Du$的线性组合.

对(2.3)式求导可得

$$\begin{equation}\label{ap} F^{ij}[D_{ij}u_{\xi}-D_{\xi}A_{ij}-(D_{p_{k}}A_{ij})D_{k}u_{\xi}]=D_{\xi}g, \end{equation}$$

(2.15)

再次求导可得 $$\begin{eqnarray*} &&F^{ij}[D_{ij}u_{\xi\xi}-D_{\xi\xi}A_{ij}-2(D_{\xi p_{k}}A_{ij})D_{k}u_{\xi} -(D_{p_{k}p_{l}}A_{ij})D_{k}u_{\xi}D_{l}u_{\xi}-(D_{p_{k}}A_{ij})D_{k}u_{\xi\xi}]\\ &=&F^{ik}F^{jl}D_{\xi}w_{ij}D_{\xi}w_{kl}+D_{\xi \xi}g. \end{eqnarray*}$$ $$\begin{eqnarray*} Lu_{\xi\xi}&=&w^{ij}[D_{ij}u_{\xi\xi}-(D_{p_{k}}A_{ij})D_{k}u_{\xi\xi}]\\ & \geq & w^{ik}w^{jl}D_{\xi}w_{ij}D_{\xi}w_{kl}+w^{ij}(D_{p_{k}p_{l}}A_{ij})u_{k\xi}u_{l\xi}-Cw^{ii}(1+w_{jj})\\ & \geq & w^{ij}(D_{p_{k}p_{l}}A_{ij})u_{k\xi}u_{l\xi}-Cw^{ii}(1+w_{jj})\\ & \geq & -C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}], \end{eqnarray*}$$ 第二个不等式利用了(A3w)条件. $$\begin{eqnarray*} LA_{\xi\xi} & = & w^{ij}[D_{ij}A_{\xi\xi}+2D_{i p_{k}}A_{\xi\xi}u_{kj}-D_{p_{k}}A_{ij}D_{k}A_{\xi\xi}-D_{p_{k}}A_{ij}D_{p_{l}}A_{\xi\xi}u_{kl}\\ && + D_{p_{k}p_{l}}A_{\xi\xi}u_{ki}u_{jl}+D_{p_{k}}A_{\xi\xi}u_{kij}]\\ & \leq & C+C[w^{ii}(1+w_{jj})]+w^{ij}D_{p_{k}p_{l}}A_{\xi\xi}u_{ki}u_{jl}+w^{ij}D_{p_{k}}A_{\xi\xi}u_{kij}\\ & \leq & C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}]+w^{ij}D_{p_{k}}A_{\xi\xi}u_{kij}, \end{eqnarray*}$$ 其中$C$与$n,~|A|_{2;\Omega},~|u|_{1;\Omega}$有关.

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

$$\begin{equation} LA_{\xi\xi} \leq C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}]. \end{equation}$$

(2.16)

同理,$LA_{ij} \leq C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}],$ 即有$L(2〈 \xi,\tau 〉〈 \xi,\nu 〉 A_{ij}\tau_{i}\nu_{j}) \leq C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}],$ 从而可得 $$Lw_{\xi\xi}=Lu_{\xi\xi}-LA_{\xi\xi}\geq -C[w^{ii}(1+w_{jj})+w_{ii}].$$

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.