设$\Omega$为${\Bbb R}^n(n\geq 2)$中的开子集, 对$x_0 \in \Omega$和$t>0$, 记$B_t=B_t(x_0)$是以$x_0$为心, $t$为半径的球.对于可测函数$u(x)$和$k>0$, 设
此外, 如果$m<n$, 则$m^*$表示满足$\frac{1}{m^*}=\frac{1}{m}-\frac{1}{n}$的实数.设$T_k(u)$是在$k>0$水平上$u$的截断函数, 即
考虑二阶椭圆方程(也称作$\cal A$-调和方程或者Leray-Lions方程)
其中${\cal A}(x, \xi):\Omega\times {\Bbb R}^n\rightarrow {\Bbb R}^n$是Carathéodory函数, 且满足下面的强制性条件和控制增长条件:对于几乎所有的$x\in \Omega$和所有的$\xi \in {\Bbb R}^n$, 有
这里$0<\alpha\leq\beta <\infty$, $\mu \ge 0$.
满足(1.2) 式和(1.3) 式的算子${\cal A}(x, \xi)$的原型由下式给出
当$\mu=0$时即为$p$-Lapacean情况.
设$\psi$为$\Omega$上取值于${\Bbb R}\cup\{\pm\infty\}$的任意函数, $\theta\in W^{1, p}(\Omega)$.令
函数$\psi$是障碍, $\theta$为边值.
定义1.1 称$u\in {\cal K}_{\psi, \theta} (\Omega)$为方程(1.1) 的${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解, 若对所有$v\in {\cal K}_{\psi, \theta}(\Omega)$, 有
Meyers和Elcrat于1957年首先考虑了当$\mu=0$时的$\cal A$-调和方程(1.1) 解的高阶可积性, 参见文献[1].对于障碍问题, 1994年李工宝和Martio首先考虑了导数的局部和整体高阶可积性, 参见文献[2].局部正则性和局部有界性在障碍问题的理论研究中很重要.各向异性变分问题的整体有界性参见文献[3].其他相关结果参见文献[4-11].
本文考虑$\cal A$-调和方程(1.1) 障碍问题解的局部正则性和局部有界性.主要结果如下.
定理1.1 设$\cal A$满足(1.2), (1.3) 式, $\psi\in W_{loc}^{1, s}(\Omega)$, $1<p<s<n$.则${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解$u$属于$L_{loc}^{s^*}(\Omega)$.
回忆当$\psi \in W_{loc}^{1, s}(\Omega)$, $s>p$时, ${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解属于$W_{loc}^{1, q}(\Omega)$, $q>p$, 参见文献[2].显然这个可积指数$q\le s$.由Sobolev嵌入定理可知$u\in L_{loc}^{q^*} (\Omega)$, 这里$q^* =\frac {nq}{n-q}$.因为$q^*\le s^*$, 所以定理1.1的结论要好于$u\in L_{loc}^{q^*} (\Omega)$.
本文只考虑$1<p<n$的情况, 因为当$p\geq n$时, 由Sobolev嵌入定理知, 对任意$t>1$, $W_{loc}^{1, p}(\Omega)$中的函数属于$L_{loc}^{t}(\Omega)$.
定理1.2 设$\cal A$满足(1.2), (1.3) 式, $\psi\in W_{loc}^{1, \infty}(\Omega)$.则${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解$u$在$\Omega$局部上有界.
为证定理1.1和1.2, 我们需要几个预备引理.下面的引理来自文献[4].
引理2.1 设$u\in W_{loc}^{1, p}(\Omega)$, $\phi_0\in L_{loc}^r(\Omega)$, 这里$1<p<n$, $r$满足
若对于每个$k\in N$和$R_0\leq\rho<R\leq R_1$, 积分估计
成立, 这里$C_0$为一个只依赖于$N, p, r, R_0, R_1$和$|\Omega|$的正常数, $\sigma$为一个实的正常数, 则$u\in L_{loc}^s(\Omega)$, 这里$s=(pr)^*$.
下面的引理来自文献[5].
引理2.2 设$f(\tau)$是定义在$0\leq R_0\leq t \leq R_1$上的非负有界函数, 若对$R_0\leq\tau<t\leq R_1$有
这里$A, B, \alpha, \theta$为非负常数且$\theta<1$, 则存在只依赖于$\alpha$和$\theta$的常数$C$, 使得对于每个$\rho, R, R_0\leq \rho < R\leq R_1$, 有
Fusco和Sbordone在文献[6]中证明了以下引理.
引理2.3 设$p<n$.若$u\in W_{loc}^{1, p}(\Omega)$, 且对于任意球$B_R\subset\subset\Omega$, $0<\rho<R$, $k>0$, 有
则$u(x)$在$\Omega$局部上有界.
下面证明中的$c$表示只依赖于$n, p, \mu, \alpha, \beta$的常数, 在不同的场合取值可能不同.
定理1.1的证明 设$u$是${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解.由引理2.1, 只需证明$u$满足$\sigma=p$时的积分估计(2.1) 式.
设$B_{R_1}\subset\subset\Omega$, $0\leq R_0\leq\tau<t\leq R_1$任意固定.取截断函数$\phi\in C_0^\infty(B_{R_1})$使得
考虑函数
这里$T_k(u)$是$k>0$水平上的截断函数.现证$v\in {\cal K}_{\psi, \theta}(\Omega)$.事实上, 因为$u\in {\cal K}_{\psi, \theta}(\Omega)$, $\phi\in C_0^\infty(\Omega)$, 所以
并且
在$\Omega$上几乎处处成立.因为
且$u$是${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解, 由定义1.1得到
注意到当$x\notin A_k$时$v=u$, 所以由(3.1) 式得到
由此推出
由(1.2) 式, (3.2) 式左边估计为
分两种情形.
情形1 $p\ge 2$.
情形2 $1< p< 2$.由Young不等式
得到
在这两种情形下, (3.4) 式都成立. (3.4) 式联合(3.3) 式和(3.2) 式得到
由
和Young不等式
$|I_1|$可以由(1.3) 式估计为
并再次使用(1.3) 式和Young不等式(3.6) 得到
结合不等式(3.5), (3.7) 和(3.8), 有
取$\varepsilon <1$足够小使得
由引理2.2, 存在只依赖于$\frac \beta \alpha$和$p$的常数$c$, 使得对任意满足$R_0\le \rho <R\le R_1$的$\rho, R$, 有
定理1.1由引理2.1得到.
定理1.2的证明 设$u$为${\cal K}_{\psi, \theta}$-障碍问题的解.由引理2.3, 只需要证明$u$满足积分估计(2.4) 式.设$\phi$为定理1.1证明中的截断函数.考虑函数
如定理1.1的证明, 可证$v\in {\cal K}_{\psi, \theta}(\Omega)$.因为
所以由定义1.1联合当$x\notin A^{k}$时$v=u$的事实, 可得
此即
如定理1.1的证明, 可以得到
利用
Young不等式(3.6) 和(1.3) 式得到
联合不等式(3.10), (3.11) 和(3.12) 有
由引理2.2知, 存在只依赖于$\frac \beta \alpha$和$p$的常数$c$, 使得对任意满足$R_0\le \rho <R\le R_1$的$\rho, R$, 有
定理1.2由引理2.3得到.