自1956年, Payne-Póyla和Weinberger[14]开始研究欧氏空间拉普拉斯算子的特征值之后, 许多数学家开始关注该问题.其中杨洪苍教授[19]证明了著名的第一杨型不等式
和第二杨型不等式
关于该算子特征值的研究进展, 可以参考文献[2-4, 7]等.近来, 一些数学家研究了权重黎曼流形 $(M, g, {\rm e}^{-\phi}{\rm d}v)$ 上的Witten -拉普拉斯算子的特征值问题[10-12]
这里 $\phi$ 是 $\overline{\Omega}$ 上的光滑函数.在2013年, 夏昌玉和许洪伟教授[18]考虑了黎曼流形上该算子的特征值估计.
2003年, 钮鹏程教授[13]研究了Hesienberg群 $H^{n}$ 上次拉普拉斯算子 $\Delta_{H^{n}}$ 的特征值问题
得到了下面的不等式
针对问题(1.2), Soufi, Harrel和Ilias[15]利用交换子的方法得到了下面的结果
2010年, 黄广月[8]考虑了 $H^{n}$ 上双拉普拉斯算子 $\Delta_{H}^{2}$ 的特征值估计问题.孙和军[16]考虑了 $H^{n}$ 上薛定谔算子的特征值估计问题, 把文献[15]中的结果推广到加权特征值上. 2012年, 杜锋、吴传喜、李光汉等人[5]考虑了 $H^{n}$ 上散度形算子 $- {\rm div}_{H}(A\nabla_{H})+V$ 的特征值估计, 得到如下结果
本文中, 我们将主要研究具有概率测度 ${\rm d}\mu:={\rm e}^{-\phi(w)}{\rm d}v$ 的Heisenberg型群(简称H型群) G上散度形算子
的特征值估计, 其中 $\phi$ 在d $(w)\rightarrow \infty$ 时, $\frac{1}{4}|\nabla_{G}\phi|-\frac{1}{2}\Delta_{G}\phi\rightarrow \infty$ (d $(w)$ 表示 $G$ 上任一点 $w$ 和原点的距离), $ V$ 为非负位势函数, $ A$ 为对称正定矩阵.经分部积分运算可知
其中 $f$ 和 $g$ 均为 $\Omega$ 上的光滑函数, 并且满足 $f|_{\partial \Omega}=g|_{\partial \Omega}=0$ .由文献[9]可知, 该算子是 $L^{2}({\rm d}\mu)$ 上的正定自伴算子, 我们将考虑有界区域 $\Omega$ 上该算子的Dirichlet特征值问题
由文献[6, 9]可知, 该算子有离散的特征值
本文利用经典的试验函数法得到了如下主要结果:
定理1.1 设 $\lambda_{i}$ 为问题(1.8)的第 $i$ 个特征值, $i=1, 2, \cdots, n$ , $u_{i}$ 为 $\lambda_{i}$ 相应的特征函数, 且对应于不同特征值的特征函数相互正交, 令 $\tau=(\sup_{\Omega}\rho)^{-1}, \sigma=(\inf_{\Omega}\rho)^{-1}, $ $V_{0}=\min_{\Omega}V, \quad |\nabla\phi|\leq C_{0}, \xi_{1}I\leq A\leq\xi_{2}I$ , 则
其中 $\rho$ 为 $\overline{\Omega}$ 上的正连续函数, $\xi_{1}, \xi_{2}$ 为正的常数.
在2n+m维欧氏空间 $\mathbb{R}^n \times \mathbb{R}^n \times \mathbb{R}^{m}$ , 定义下列群运算
$i=1, 2\cdots, 2n;j=1, 2, \cdots, m$ , 其中 $z=(x, y)\in \mathbb{R}^{2n}, t\in \mathbb{R}^{m}$ , $\langle\cdot, \cdot\rangle$ 表示欧氏内积, 矩阵 $U^{1}, U^{2}, \cdots, U^{2n}$ 满足下列条件:
(1) $U^{j}$ 是 $2n\times 2n$ 阶反对称正交矩阵, $\forall j=1, 2, \cdots, m$ ;
(2) $U^{i}U^{j}+U^{j}U^{i}=0$ , $ \forall i, j\in \{ 1, 2, \cdots, m\}$ , $i\neq j$ .满足这种群运算的 $2n+m$ 维欧氏空间称为Heisenberg型群, 简称为H型群.李代数 $g$ 的基底为
其中
在H型群G上
G上任一点 $w=(z, t)$ 与原点的距离定义为
H型群的最简单例子就是著名的Heisenberg群. $(2n+1)$ 维的Heisenberg群 $H^{n}$ 满足下列非交换群运算
其中 $x, y, x', y'\in \mathbb{R}^n $ , $t, t'\in \mathbb{R}$ , $\langle\cdot, \cdot\rangle$ 表示 $\mathbb{R}^n $ 中的欧氏内积. $H^{n}$ 的李代数的基底 $\{X_{j}, Y_{j}, T\}, $ $j=1, 2, \cdots, n.$
$H^{n}$ 上的拉普拉斯算子为 $\Delta_{H}=\sum\limits_{j=1}^{n}(X_{j}^{2}+Y_{j}^{2})$ .
关于上述算子, 有下列命题成立.
引理2.1[17] 假设 $\Omega$ 是G上的有界区域, 则对 $\forall f, g \in C^{k}(\Omega), k\geq2, $
当 $f|_{\partial{\Omega}}=g|_{\partial{\Omega}}=0$ ,
引理3.1 设 $\lambda_{i}$ 为问题(1.8)的第 $i$ 个特征值, $i=1, 2, \cdots, n$ , $u_{i}$ 为 $\lambda_{i}$ 相应的特征函数, 且对应于不同特征值的特征函数相互正交, 即
对任意的 $h\in C^{3}(\Omega)\cap C^{2}(\partial \Omega)$ 及任意整数 $k$ , 有
其中 $\epsilon$ 为任意正数.
证 定义试验函数
其中 $a_{ij}=\int_{\Omega}\rho hu_{i}u_{j}{\rm d}\mu=a_{ji}$ , 则
直接计算可知
将上式代入Rayleigh-Ritz[1]不等式
可得
令
结合(3.7)式, 可得
则 $c_{ij}=-c_{ji}, $ 并且
将(3.11)式两端同乘 $(\lambda_{k+1}-\lambda_{i})^{2}$ , 则
这里 $\epsilon$ 为任意正常数.关于 $i$ 从1加到 $k$ , 可得
因为 $a_{ij}=a_{ji}, c_{ij}=-c_{ji}, $ 从而
考虑到 ${\rm d}\mu={\rm e}^{-\phi}{\rm d}v$ , 可得
将(3.15)式代入(3.14)式, 引理3.1得证.
定理3.2 在引理3.1的条件下, 令 $\tau=(\sup_{\Omega}\rho)^{-1}, \sigma=(\inf_{\Omega}\rho)^{-1}, $ $ V_{0}=\min_{\Omega}V, $ $ |\nabla\phi|\leq C_{0}, $ $\xi_{1}I\leq A\leq\xi_{2}I$ , 则
证 将 $h=x_{\alpha}, $ 或 $h=y_{\alpha}$ 代入(3.2)式, 并考虑到
以及
可以得到
很显然
并且
从而
解上面的不等式, 可得
将(3.18)和(3.15)式代入(3.15)式, 可得
证毕.
推论3.3 在引理3.1的条件下, 假设 $\phi$ =常数, 则
我们可以发现推论3.3的结果恰好就是文献[5]中的结果(5).通过求解定理3.2中的不等式, 可以得到一个第二杨型不等式.
推论3.4 在引理3.1的条件下, 有
通过该推论, 我们可以利用前 $k$ 个特征值来估计第 $k+1$ 个特征值.