经典的Picone恒等式为
其中$u\geq0, v>0$, 同时$u, v$是可微函数.以后, Allegreto-Huang在文献[1]中将(1.1)式推广到$p$-Laplace算子上.接着, Tyagi在文献[2]中又将(1.1)式做进一步的推广, 得到了较为一般的Picone恒等式
其中$u, v$是可微函数, 且$u\geq0, v>0$; 当$y\neq 0$时, $f(y)\neq 0, f'(y)\geq 1$; 当$y=0$时, $f(0)=0$.最近, Kaushik在文献[3]中将(1.2)式推广到$p$-Laplace算子上, 给出了更加广义的Picone恒等式
本文将(1.3)式推广到Heisenberg-Greiner $p$ -退化椭圆算子上, 得到了一类广义Picone恒等式, 这个结果包含了(1.3)式的情形.作为应用, 在第三部分, 利用本文得到的广义Picone恒等式证明了Hardy不等式、Sturmium比较原理和主特征值的单调性结论.避免了正则性的讨论.最后, 讨论了具有奇异项的拟线性方程的弱解问题.
关于Heisenberg-Greiner $p$ -退化椭圆算子, 在这里作一个简要的叙述, 详细内容可参考文献[4-5]及其中的参考文献. Heisenberg-Greiner $p$ -退化椭圆算子形为
其中$p>1, \ X_{j}=\frac{\partial }{\partial x_{j}}+2ky_{j}|z|^{2k-2}\frac{\partial }{\partial t}, \ Y_{j}=\frac{\partial }{\partial y_{j}}-2kx_{j}|z|^{2k-2}\frac{\partial }{\partial t}, $ $ z_{j}=x_{j}+\sqrt{-1} y_{j}\in {\Bbb C}, $ $ j=1, 2, \cdots, n, \ t\in {\Bbb R}, $ $ \nabla_L=(X_1, \cdots, X_n, Y_1, \cdots, Y_n), \ \div_{L}(u_{1}, \cdots, u_{2n}) =\sum\limits_{j=1}^{n}(X_{j}u_{j}+Y_{j}u_{n+j}), $ $ k\geq1$.注意到, 当$p=2, k=1$时, $\triangle_{L, p}$就成为Heisenberg群$H^{n}$上的次Laplace算子$\triangle_{H^{n}}$ (见文献[6]).当$p=2, k=2, 3, \cdots, $时, $\triangle_{L, p}$就成为Greiner算子[7]
相应于(1.4)式的一个自然伸缩为
由(1.6)式诱导的一个拟距离为
算子$\triangle_{L, p}$及$\triangle_{L}$均为一类具有高奇性的平方和退化椭圆算子, 被更多的学者所关注, 并得到了许多重要的成果(见文献[4-5]及其中的参考文献).当$k>1$时, (1.1)式中向量场${X_{j}, Y_{j}}, j=1, 2, \cdots, n$不满足Hörmander有限秩条件, 从而$\triangle_{L}$的亚椭圆性无法由此导出, 增加了研究的难度(见文献[8]及其中的参考文献).
令$C_{0}^{k}({\Bbb R}^{2n+1})$表示$C^{k}({\Bbb R}^{2n+1})$中具有紧支集的函数构成的集合, $D^{1, p}({\Bbb R}^{2n+1})$ $(1<p<\infty)$是$C_{0}^{\infty}({\Bbb R}^{2n+1})$在范数$\|u\|_{D^{1, p}}=(\int_{R^{2n+1}}|\nabla_{L}u|^{p}{\rm d}\xi)^{\frac{1}{p}}$ ($\xi=(x, y, t)\in{\Bbb R}^{2n+1}$)下的完备化.
下文中, 总是假设$g$满足下列条件$g:(0, \infty)\rightarrow(0, \infty)$是局部Lipchitz函数, 且在$(0, \infty)$上
几乎处处成立.
定理2.1(广义Picone恒等式) 若$1<p<\infty, \ \Omega \subset{\Bbb R}^{2n+1}, \ u, v\in\Omega $, 在$\Omega $上几乎处处$v>0$, 且$g$满足(2.1)式, 定义
则$L(u, v)=R(u, v)\geq0$.而且在$\Omega $上$L(u, v)=0$几乎处处成立的充要条件是在$\Omega $上$\nabla_{L}(\frac{u}{v})=0$几乎处处成立.
证 经计算
得到$L(u, v)=R(u, v)$.又因为
并且$g(x)$满足(2.1)式, 所以$L(u, v)=R(u, v)\geq0$.
当下面三个等式同时成立时, $L(u, v)=R(u, v)=0$.
令
当$\xi\in\omega$时, 由(2.4)式得到
解(2.2)式得$g(x)=x^{p-1}$, 结合(2.5)式得
当$\xi\in\omega^{c}$ ($\omega^{c}$ =$\Omega /\omega$)时, 设
由$L(u, v)=0$, 得
从而$\varpi =1$.即
上式中, 取$g(x)=x^{p-1}$, 得
综合(2.6)和(2.7)式得到, 在$\Omega $上$L(u, v)=0$几乎处处成立的充要条件是在$\Omega $上$\nabla_{L}(\frac{u}{v})=0$几乎处处成立.
注2.1 在定理2.1中, 当$\Omega ={\Bbb R}^{2n+1}$时, 结论仍然成立.
作为应用, 本节首先讨论Hardy不等式.证明Hardy不等式时, 需要下面一个关键性的引理.
引理3.1 若$v\in C^{1}$, 在$\Omega $上$v>0$, 并且满足
其中$h$是非负连续函数, 则对于$u\in C_{0}^{\infty}, \ u\geq0$有
其中$g$满足(2.1)式.
证 取$\phi\in C_{0}^{\infty}({\Bbb R}^{2n+1})$, $\phi>0$.由定理2.1得
令$\phi\rightarrow u$, 就得到(3.1)式.
类似于Allegreto-Huang在文献[1]的方法, 利用引理3.1, 取$g(v)=v^{p-1}$, 容易得到下列Hardy不等式.
定理3.1 (Hardy不等式) 设$1<p<Q, \ u\in C_{0}^{\infty}(R^{2n+1}\setminus\{0\})$, 有
成立, 其中$Q=2n+2k$是相应于(1.6)式的齐次维数.
定理3.2 (Sturmium比较原理) 设$f_{1}, \ f_{2}$是两个权函数, $f_{1}<f_{2}$且$g$满足
若$u$是方程
的一个正解, 则方程
的任意非平凡解一定改变符号.
证 假设$v>0$是(3.2)式的一个解, 由广义Picone恒等式, 有
这是一个矛盾式.因此假设错误, 即$v$在$\Omega $上改变符号.
对于下列带有不确定权的特征值问题
其中$h(x)$是一个不确定权函数, $g(u)=u^{p-1}$.下面我们利用定理2.1给出主特征值的严格单调性结论.
定理3.3 (主特征值的单调性) 设$\lambda^{+}_{1}(\Omega )>0$是问题(3.3)的主特征值, 若$\Omega _{1}\subset\Omega _{2}$且$\Omega _{1}\neq\Omega _{2}$, $\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1})$与$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})$都存在, 则$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1})>\lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})$.
证 设$u_{1}, u_{2}$分别是相应于$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1}), \lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})$的特征函数, 其中$u_{2}>0$.对于$\varphi \in C^{\infty}_{0}(\Omega _{1})$, 利用定理2.1, 得到
在$D^{1, p}({\Bbb R}^{2n+1})$中, 令$\varphi \rightarrow u_{1}$, 有
由
得到$\int_{\Omega _{1}} h u_{1}^{p}\geq 0.$结合(3.4)式, 有$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1})-\lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})\geq 0$.若$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1})=\lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})$, 则由(3.4)式知道$R(u_{1}, u_{2})=0$, 从而通过定理2.1, 有$u_{1}=ku_{2}$.而已知$\Omega _{1}\subset\Omega _{2}$且$\Omega _{1}\neq\Omega _{2}$, 所以$u_{1}\neq ku_{2}$.进而$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1})\neq\lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})$, 因此$\lambda^{+}_{1}(\Omega _{1})>\lambda^{+}_{1}(\Omega _{2})$.
定理3.4 (具奇异项的拟线性方程组的弱解结论) 若$g$满足$g\prime(y) \geq (p-1)[g(y)^{\frac{p-2}{p-1}}]$, 且$(u, v)$是下列方程组的一组弱解
则$u=c_{1}v$, 其中$c_{1}$是常数.
证 设$\phi_{1}, \phi_{2} \in D_{0}^{1, p}(\Omega )$, 有
取$\phi_{1} = u, \phi_{2} = \frac{u^{p}}{g(v)}$, 得
从而
因此, 由定理2.1中的广义Picone恒等式, 得$\nabla_{L}\left(\frac{u}{v}\right) = 0$, 即$u=c_{1}v$, 其中$c$是常数.