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∈Rn,存在唯一的y∈Rn使得Dxc(x,y)=p; 对任意y,q∈Rn,存在唯一的x∈Rn使得Dyc(x,y)=q;
(A2) 对任意(x,y)∈Rn×Rn,~det{D2xyc(x,y)}≠0;
(A3w) 对所有(x,p)∈Ω×Rn, ξ,η∈Rn, ξ⊥η,
若将(1.7)式右边的零换成 c0|ξ|2|η|2,其中c0>0,则这个条件被称为(A3), 参见文献[2].
条件(A1)和(A2)用于保证C1解的存在性,并且在最优运输中势函数的C1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∈Cα,则有解的全局C2,α估计. 当A≡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∑wii与∑wii 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=D2u−A(x,Du),若有Mu>0, 则称方程(1.1)的解u∈C2(Ω)为椭圆解. 若存在定义函数ϕ∈C2(ˉΩ),使得在∂Ω上, ϕ=0且Dϕ≠0; Ω内,ϕ<0, 并且在Ω的邻域ℵ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Ω是R2中严格A凸区域, u∈C4(Ω)∩C2(ˉΩ)是Neumann边值问题(1.1)--(1.2)的椭圆解, φ和Ω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,φ,∂Ω∈C∞,则解u∈C∞(ˉΩ).
文献[13]中已得到Rn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R2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∈C4(Ω)是方程(1.1)的椭圆解, 对任意x∈Ω, A(x,Du)是光滑的矩阵值函数, f>0且f∈C2(ˉΩ). 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˜u满足det[D2˜u−A(x,D˜u)]≥f(x). \\ 则 supΩ|D2u|≤C(1+sup∂Ω|D2u|), 其中C依赖于A, f, Ω, |u|1;Ω.
接下来我们引入一些记号. 令 F[u]=log[det(D2u−A(x,Du))],Fij=∂F∂wij=wij, Fij,kl=∂2Fwijwkl=−wikwjl,{wij}={uij−Aij}, 其中{wij}为矩阵{wij}的逆矩阵. 为了方便起见,对任意向量ξ,η, 定义Dξηu=Dijuξiηj,wξη=wijξiηj=Dijuξiηj−Aijξiηj.
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φ和ν分别延拓到 ˉΩ×R和ˉΩ.
首先证明在边界上|Dτνu|有界. 定义切向导数算子 δ=(δ1,δ2),δi=(δij−νiνj)Dj, 其中i,j=1,2. 将切向导数算子δi作用于边值条件(1.2),则在∂Ω上,
然后,在∂Ω上估计Dννu.
由方程(1.1),令
定义线性化算子
考虑函数h=νkDku−φ(x,u), Dih=DiνkDku+νkDiku−φi−φuDiu, Dijh=DijνkDku+DiνkDjku+DjνkDiku+νkDijku−φij−φiuDju−φuiDiu−φuuDiuDju−φuDiju. 由(2.4)和(2.5)式计算可得
则综上可得
由于|Dτνu|, |Dννu|有界,因此|Dτνw|, |Dννw|也有界.
最后,估计u在∂Ω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 wijDpkAξξukij=DpkAξξ{wij[DkAij+DplAijulk]+gk}≤C[wii(1+wjj)], 则
在Ω内, χ(x,ξ)=χ(x,u,Du), Diχ=χi+χzDiu+χpkDiku, Dijχ=χij+χizDju+χjzDiu+χipkDjku+χzzDiuDju+χzpkDiuDjku+χzDiju+χjpkDiku+χzpkDjuDiku+χpkplDikuDjlu+χpkDijku, Lχ=wij[Dijχ−DpkAijDkχ], 由χ关于Du是线性的,可得wijχpkplDikuDjlu=0, 由(2.5)式计算可知Lχ≤C[wii(1+wjj)], 由ϕ的定义可知 L˜kϕ≥˜kδ0∑wii.
当n=2时,设λ1,λ2为矩阵{wij(0)}i,j≤2的特征值, 则 ∑wii=λ1+λ2, ∑wii=1λ1+1λ2=λ1+λ2λ1λ2=∑wiif, ∑wii=f∑wii, maxˉΩ|f|∑wii≥∑wii≥−maxˉΩ|f|∑wii. 计算可知 LH=Lwξξ−Lχ+L(2〈ξ,τ〉〈ξ,ν〉Aijτiνj)+L(˜kϕ)≥˜kδ0wii−C[wii(1+wjj)+wii]≥(˜kδ0−C)wii≥0, 取˜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(x0,ξ0)∈∂Ω×S1,不妨设ξ0=(0,1).
下面分三种情况来讨论.
(a) ξ0为∂Ω上x0处的法向量. 由H在(x0,ξ0)处取得极大值可知,H(x0,τ)≤H(x0,ξ0), 将式(2.14)代入可得wττ≤wνν≤C.
(b) ξ0为∂Ω上x0处的非切非法向量. H(x0,ξ0)=wξ0ξ0−χ(x0,ξ0)−2〈ξ0,τ〉〈ξ0,ν〉Aijτiνj+˜kϕ=〈ξ0,τ〉2wττ+〈ξ0,ν〉2wνν+˜kϕ≤〈ξ0,τ〉2[H(x0,τ)−˜kϕ]+〈ξ0,ν〉2wνν+˜kϕ≤〈ξ0,τ〉2[H(x0,ξ0)−˜kϕ]+〈ξ0,ν〉2wνν+˜kϕ, 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.