考虑如下Schrödinger型算子
其中$V$是非互位势且属于某一反向Höolder类$B_q,\frac n2\le q <n$.
当$V(x)$为非负多项式时,Zhong[1]考虑如下Schrödinger算子 $H_1=-\Delta+V$及$H_2$. Zhong建立了关于算子$H_1$和$H_2$的基本解 的估计并证明了如下算子$V^{2-\frac2j}\nabla^{j}H_2^{-1}$ $(j=0,1,2,3,4$)和$V^kH_1^{-k}$, $V^{k-\frac12}\nabla H_1^{-k}(k\in N)$是$L^p$上的有界算子.
Shen[2]推广了Zhong关于$H_1$的结果,此时$V$属于反向Höolder类,而此函数类包含非负多项式. 事实上Shen建立关于算子$H_1$基本解的估计且证明了 $VH_1^{-1},V^{\frac12}\nabla H_{1}^{-1}, \nabla^2 H_1^{-1}$是$L^p$上的有界算子.
Kurata和Sugano研究了Schrödinger型算子$H_2,$并建立了关于算子 $H_2$基本解的估计. 此外他们还证明了算子$V^{2-j/2}\nabla^jH_{2}^{-1}$ $ (j=0,1,2,3,4)$是$L^p$上的有界算子. 同时进一步证明 $\nabla^4H_{2}^{-1}$ 是Calderon-Zygmund算子, 详见文献[3-6].
近来,关于与Schrödinger算子$H_1$和$H_2$相关的Riesz变换及其交换子的有界性, 涌现了许多令人感兴趣的结果 详见参考文献[1, 7-9]等.
受文献[1-2, 8]的启发,本文将研究将研究算子$T_1=V\nabla^{2}H_{2}^{-1},$ $T_2=V^{\frac{3}{2}}\nabla H_{2}^{-1},$ $T_1^{\ast}=\nabla^{2}H_{2}^{-1}V,$ $T_2^\ast=\nabla H_{2}^{-1}V^{\frac{3}{2}}$和它们的交换子$[b,T_1],$ $[b,T_2]$的$L^{p}$有界性,其中 $b\in BMO$.此外还将讨论算子$T_1^\ast,T_2^\ast$ 在$BMO_{L}$空间上的有界性.
为方便起见,首先给出一些定义和符号.
设$V(x)$为${\Bbb R}^n$上的非负局部$L^{q}(1<q<\infty)$可积函数, 如果存在常数$C>0$使得如下的反向Höolder不等式
对于所有的$B\subset {\Bbb R}^n$成立,称$V(x)$属于$B_{q}$.
对于$q_{1}\geq q_{2}>1,$由Höolder不等式有$B_{q_{1}}\subset B_{q_{2}}$. $B_{q}$类的一个重要性质:若$V\in B_{q},q>1$,则存在仅与 $n$和(1.1)中的常数$C$有关的$\epsilon>0$使得$V\in B_{q+\epsilon}$ (参见文献[3]). 如果$V\in B_{q},q>1$,则$V(x){\rm d}x$是满足双倍性质,即对于任意的 $r>0,x\in {\Bbb R}^n$,
由文献[2]知,若$V\in B_{q}$,则
而且存在常数 $C>0$使得对$0<r<R<\infty,$有
设$f$是 ${\Bbb R}^n$上的可积函数,$B=B(x,r)$是球.又设
当$r<\rho(x)$,则$f(B,V)=f_{B}$; 当$r>\rho(x)$,则 $f(B,V)=0$.
定义1.1 设$f$是${\Bbb R}^n$上的可积函数,如果
称$f\in BMO_{L}({\Bbb R}^n).$
显然 $L^{\infty}({\Bbb R}^n)\subset BMO_{L}({\Bbb R}^n)\subset BMO({\Bbb R}^n)$ 且$\|f\|_{BMO}\leq 2\|f\|_{BMO_{L}}$.
注1.1 设 $1\leq p<\infty,\,f\in BMO({\Bbb R}^n)$,则
函数$f\in BMO_{L}({\Bbb R}^n)$当且仅当存在依赖$B=B(x,r)$且满足如下条件:当$r>\rho(x)$时$C_{B}=0$ 常数 $C_{B}$ 使得
及
首先给出算子$T_1$及其交换子的$L^p$估计.
定理1.1 设 $V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}$,则对$1<p\leq q$,有
由对偶得
推论1.2 设 $V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2},$则对 $q'\leq p<\infty$,有
由定理1.1得
推论1.3 设$V\in B_q,\,q\ge\frac n2.$ 如果 $(-\Delta)^2 u+V^2 u=f,\,x\in{\Bbb R}^n,$ 则对于$1<p\le q$有
定理1.4 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}.$ 设$b\in BMO$,则对$1<p<q$,有
定理1.5 设 $V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}$,则
下面是关于上述算子$T_2$及其交换子的$L^p$-估计.
定理1.6 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}$. 则对$1\leq p\leq p_{0}$,有
其中当$\frac{n}{2}\leq q<n$,则$\frac{1}{p_{0}}=\frac{7}{2q}-\frac{3}{n}$;当$q\geq n,$则 $p_{0}=\frac{2q}{3}$.
由定理1.6可得
推论1.7 设 $V\in B_q,\,q\ge\frac n2.$ 假设$(-\Delta)^2 u+V^2 u=f,\,x\in{\Bbb R}^n,$ 则
其中当$\frac{n}{2}\leq q<n$,则$\frac{1}{p_{0}}=\frac{7}{2q}-\frac{3}{n}$; 当$q\geq n,$则 $p_{0}=\frac{2q}{3}$.
定理1.8 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}.$ 设$b\in BMO$,则对$1<p<p_{0}$,
定理1.9 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}$,则
本文结构安排如下:第二小节将介绍一些关键的引理;定理1.1和定理1.6的证明见第三节;第四节给出定理1.4和定理1.8的证明;第五部分我们将证明定理1.5 和定理1.9.
设$V(x)$是非负位势且属于$B_{\frac{n}{2}},H_2$是一中心Schrödinger型算子,$\Gamma_{H_{2}}(x,y)$是算子$H_{2}$的基本解.
对$x\in {\Bbb R}^n$,函数$m(x,V)$定义如下
有关$m(x,v)$的信息详见文献[2].下面引理2.1来自文献[2].
引理2.1 设$v\in B_{q},\,q>\frac{n}{2}$,则存在常数$C>0,\ c>0,\ k_{0}>0,$使得 对任意的$ x,y \in{\Bbb R}^n$及 $0<r<R<\infty,$
(i) $0<m(x,V)<\infty;$
(ii) 若$h=\frac{1}{m(x,V)}$,则$ \frac{1}{h^{n-2}}\int_{B(x,h)}V(y){\rm d}y=1;$
(iii) 若$|x-y|\leq \frac{C}{m(x,V)}$,则$m(x,V)\sim m(y,V);$
(iv) $m(y,V)\leq C\{1+|x-y|m(x,V)\}^{k_{0}}m(x,V);$
(v) $m(y,V)\leq Cm(x,V)\{1+|x-y|m(x,V)\}^{\frac{-k_{0}}{k_{o}+1}};$
(vi) $c\{1+|x-y|m(y,V)\}^{\frac{1}{k_{0}+1}}\leq \{1+|x-y|m(x,V)\}\leq C\{1+|x-y|m(y,V)\}^{k_{0}+1};$
(vii) $\frac{1}{r^{n-2}}\int_{B(x,r)}V(y){\rm d}y\leq C(\frac{R}{r})^{(\frac{n}{q})-2}\cdot\frac{1}{{\Bbb R}^{n-2}}\int_{B(x,R)}V(y){\rm d}y.$
而且由(ii)和(vii)得
(viii) 若 $\frac{1}{h^{n-2}}\int_{B(x,h)}V(y){\rm d}y\sim1$,则 $r\sim\frac{1}{m(x,V)}$.
下列引理参考文献[3].
引理2.2 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2},$则对任意的正整数$N$,存在常数$C_{N}$使得
引理2.3 设 $j=1,2,3,$且$V\in B_{\frac{2n}{4-j}}$,则存在常数$C_{N}$使得
引理2.4 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}$. 设$N>\log_{2}C_{0}+1$,其中$C_{0}$是(1.2)式中的常数.则对任意的 $x_{0}\in {\Bbb R}^{n}$及$R>0$,有
下面引理2.5见文献[4].
引理2.5 设 $j=1,2,3,\,V\in B_{q_{0}},$ $ \frac{n}{2}\leq q_{0}<\frac{2n}{4-j}$. 设$x_{0}\in{\Bbb R}^n,$对方程$(-\Delta)^{2}u+V^{2}u=0,$ $ x\in B_{R}(x_{0})$,则存在常数$C$使得
其中$\frac{1}{t}=\frac{2}{q_{0}}-\frac{(4-j)}{n}.$
设
其对偶算子为
下面是核函数的估计.
引理2.6 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}.$则存在常数$\delta>0$,对任意的整数$k>0$和$0<h<\frac{|x-y|}{16},$有
证 我们采用文献[8]中的证明方法.易证明$K_1(x,y)=\nabla^{2}_{x}\Gamma_{H_{2}}(x,y)V(y)$. 由引理2.3知对任意的$x,y\in {\Bbb R}^n$,有
对于固定的$x,y\in {\Bbb R}^n$,取 $\frac{n}{2}<q_{0}<\min(n,q).$ 则 $V\in B_{q_{0}}$. 设 $R=\frac{|x-y|}{8}$,$\frac{1}{t}=\frac{2}{q_{0}}-\frac{3}{n}$, 则$\delta=1-\frac{n}{t}>0.$ 对任意的 $0<h<\frac{R}{2}$, 由Morrey嵌入定理[10]、引理2.3和引理2.5得
其中最后一个不等式我们使用了引理2.1(vi).
则$T_2$的对偶算子为
类似引理2.6,可得关于核函数$K_2(x,y)$的估计.
引理2.7 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2},$则存在常数$\delta>0$及对于任意整数 $k>0,\ 0<h<\frac{|x-y|}{16},$
本节将分别证明定理1.1和定理1.6. 这一部分证明将采用文献[2]的证明思想.首先定证明理1.1.
证 设$f\in L^{p}({\Bbb R}^n)$,$1<p\leq q$且注意到
我们只需证明$\|Vu\|_{L^p}\leq C\|f\|_{L^p}.$ 将$u$做如下分解
其中$r=\frac{1}{m(x,v)}.$
因为 $V\in B_{q_{0}},\,q_{0}>q$并使用引理2.3,有
其中我们使用了Höolder不等式和$q>\frac n2$. 则
设 $R=\frac{1}{m(y,V)}$,由引理2.1(iii),不等式(1.1)和引理2.4,有
因此
使用引理2.3,不等式(1.3)和引理2.4,有
因此由插值得
使用引理2.3和Höolder不等式得
其中$1\leq p\leq q_{0},r=\frac{1}{m(x,V)}$且注意到$N$充分大.
现固定$y\in {\Bbb R}^{n}$,令$R=\frac{1}{m(y,V)}$且注意到 $k_{1}=\frac{N-2(p-1)k_{o}}{k_{0}+1}$,由引理2.1得,当$k$充分大
这意味着 对于$ 1\leq p \leq q_{0}$
证毕.
接下来证明定理1.6.由对偶知我们只需证明 $\|T_2^{*}f(x)\|_{L^p}\leq C\|f\|_{L^p}.$
我们首先建立如下引理:
引理3.1 设 $V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}$. 则对$p_{0}' \leq p<\infty$,
其中当$\frac{n}{2}\leq q<n$时,$\frac{1}{p'_{0}}=1-\frac{7}{2q}+\frac{3}{n};$当 $q\geq n,$则$p_{0}' =(\frac{2q}{3})'$.
证 设$V\in B_{q},\,q\geq\frac{n}{2}$.则存在$q_{1}>q$使得$V\in B_{q_{1}}$. 令$r=\frac{1}{m(x,V)}$且考虑 $\frac{n}{2}\leq q<q_{1}<\frac {2n}3$. 选取$t$及$p_{1}$使得 $\frac{1}{t}=\frac{2}{q_{1}}-\frac{3}{n}$, $\frac{1}{p_{1}}=1-\frac{7}{2q_{1}}+\frac{3}{n}.$ 则 $\frac{1}{t}+\frac{3}{2q_{1}}+\frac{1}{p_{1}}=1.$
由Höolder不等式得
注意到$k_{1}=N-4$并使用引理2.2和引理2.5得
则
若$j\leq 0$,由(1.5)式知
另一方面,若$j>0$,双倍性质(1.2)式可得
因此选取$k_1$充分大, $|T_2^{*}f|\leq C\{M(|f|^{p_{1}})(x)\}^{\frac{1}{p_{1}}}.$ 由此,对$p_{1}<p<\infty$,有 $\|T_2^{*}f\|_{L^p}\leq C\|f\|_{L^p}$. 因为$p_{0}' >p_{1}$,故(3.1)式得证.
最后考虑$q_{1}\geq n$的情形. 由$B_{q}$的性质可设 $q_{1}>n$.由引理2.2和 Höolder不等式得
其中 $\frac{3}{2q_{1}}+\frac{1}{p_{1}}=1.$
因此类似第一种情形,有
注意到 $p_{1}=(\frac{2q_{1}}{3})'<(\frac{2q_{0}}{3})'=p'_{0}. $ 由Hardy-Littlewood极大函数的有界性,(3.1)式得证.从而引理3.1证毕.
由对偶可证定理1.6.
本小节主要研究与Schrödinger型算子相关的Riesz变换的交换子的有界性.
引理4.1 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}.$ 设$b\in BMO$,则 $\|[b,T_1^{*}]f\|_{L^p}\leq C_{p}\|b\|_{BMO}\|f\|_{L^p},$ 对$q'<p<+\infty$成立.
我们将采用文献[2, 8]和[11]中的思想.首先回忆sharp极大函数的定义
其中$f_{B}=\frac{1}{|B|}_{B}f(y){\rm d}y,$且 上确界取遍所有 的球$B\ni x$.
定义$BMO$如下
用$2^{k}B$表示与$B$同心半径为$2^{k}$的球.
下面是John-Nirenberg不等式
首先证明引理4.2.
引理4.2 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}.$ 则对于所有的$s>m'$,存在常数 $C_{s}>0$使得对于$ f\in L_{loc}^{1},b\in BMO$,
其中 $M_{s}(f)=M(|f|^{s})^{\frac{1}{s}},$ $M$是Hardy-Littlewood 极大函数.
证 固定 $s>m',x\in {\Bbb R}^n$及球$\tilde{B}=B(x_{0},l)\ni x$. 我们需要证明
设 $f=f_{1}+f_{2}$,其中$f_{1}=f\chi_{32\tilde{B}}$, $f_{2}=f-f_{1}$,则
且有
首先考虑 $J_{1}$.由Höolder不等式和$BMO$的性质,有
对于$J_{2}$.固定$s_{1}$使得 $s>s_{1}>m'$,令$s_{2}=\frac{ss_{1}}{s-s_{1}}$,则
最后考虑$J_{3}$.设 $c_{\tilde{B}}=\int_{|z-x_{0}|>32l}K_1(x_{0},z)(b(z)-b_{\tilde{B}})f(z){\rm d}z, $ 则
设$m>\frac{n}{2}$.由引理2.6,引理2.4和(1.1)式,有
引理4.2证毕.
引理4.1可由引理4.2和关于sharp极大函数的Fefferman-Stein定理容易证明. 由对偶和引理4.1容易明定理1.4,故省去. 要证明定理1.8,由对偶我们只需证明如下引理.
引理4.3 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2}.$ 设$b\in BMO$,则 $\|[b,T_2^{*}]f\|_{L^p}\leq C_{p}\|b\|_{BMO}\|f\|_{L^p},$ 对$p'_0<p<+\infty$成立.
我们首先建立交换子的sharp极大函数的点态估计.
引理4.4 设$V\in B_{q},\,q\geq \frac{n}{2},$ 则对于所有的$ s>m'$,存在常数 $C_{s}>0$使得
其中 $M_{s}(f)=M(|f|^{s})^{\frac{1}{s}},$ 和$M$是Hardy-Littlewood极大函数.
证 因为引理的证明与引理4.2非常类似,我们仅给出它们之间的主要不同之处. 由于$J_1,J_2$的估计几乎一致,故省去.对于第三项$J_3,$我们给出详细计算.
对于$J_{3}$.设 $c_{\tilde{B}}=\int_{|z-x_{0}|>32l}K_2(x_{0},z)(b(z)-b_{\tilde{B}})f(z){\rm d}z$,则
假设$m>\frac{n}{2}$.由引理2.7,(1.1)式和引理2.4得
引理4.4证毕.
引理4.3可由引理4.4和关于sharp极大函数的Fefferman-Stein定理可得. 由对偶和引理4.3易证定理1.8.
本节将证明定理1.5和定理1.9.由于两定理证明非常相似,故我们仅证明定理1.5.
证 设$f\in BMO_{L}({\Bbb R}^{n})$ 及 $B=B(x_0,r).$ 首先设$r\geq\rho(x_{0})$.令 $B^{*}=B(x_{0},2r)$.则
其中$\chi_{A}$ 表示集合$A$的特征函数. 因为 $\nabla^{2}H_{2}^{-1}V$在$L^{2}({\Bbb R}^{n})$上有界,由 注1.1得
设$x\in B$.由引理 2.1并注意到$\rho(x)\leq Cr$.再由引理2.3和(1.1)式,有
上述证明表明$\nabla^{2}H_{2}^{-1}V\in BMO_{L}({\Bbb R}^{n})$.
若$r<\rho(x_{0})$. 令$B^{\sharp}=B(x_{0},2\rho(x_{0}))$,则 $f=f\chi_{B^{\sharp}}+f\chi_{(B^{\sharp})^{c}}=f_{1}^{\sharp}+f_{2}^{\sharp},$ 对于任意的$x\in B,$ $\rho(x)\sim\rho(x_{0})$,类似(5.1)式,有
要完成定理的证明,仅需证明存在常数 $C_B$ 使得
其中 $C_B=(\nabla^{2}H_{2}^{-1}V)f(x_0).$
设$B_k^{\sharp}=B(x_0,2^{1-k}\rho(x_0)),\ k=0,1,\cdots,k_0,$ 其中 $k_0$ 满足$2^{-k_0-1}\rho(x_0)\le r\le 2^{-k_0}\rho(x_0).$
由算子$\nabla^{2}H_{2}^{-1}V$的$L^p$ -有界性得
下面考虑如下点态估计.对任意的 $x\in B$,由Höolder不等式和类似(4.4)式的证明方法,有
这意味着
对最后一项.因为
定理证毕.