Processing math: 23%

数学物理学报, 2019, 39(3): 529-534 doi:

论文

一类具低阶项和退化强制的椭圆方程的有界弱解

李仲庆,1, 高文杰2

Bounded Weak Solutions to an Elliptic Equation with Lower Order Terms and Degenerate Coercivity

Li Zhongqing,1, Gao Wenjie2

通讯作者: 李仲庆, E-mail: zqli jlu@163.com

收稿日期: 2017-12-15  

基金资助: 国家自然科学基金.  11401252
贵州财经大学引进人才科研启动基金.  2018YJ26

Received: 2017-12-15  

Fund supported: the NSFC.  11401252
the Scientific Research Foundation for the Introduction of Talent in GUFE.  2018YJ26

摘要

该文研究了一类具低阶项和退化强制的椭圆方程的边值问题.借助于De Giorgi迭代技术和Boccardo-Brezis的检验函数,得到了解的L估计.利用L界证明了方程解的存在性.

关键词: 椭圆方程 ; 退化强制 ; 低阶项 ; L正则性

Abstract

A boundary value problem to a class of elliptic equations with lower order terms and degenerate coercivity is studied in this paper. With help of De Giorgi iterative technique and Boccardo-Brezis's test function, the L estimate to weak solutions of the problem is obtained. Based upon the uniform L bound, the existence of bounded solution is proved.

Keywords: Elliptic equations ; Degenerate coercivity ; Lower order terms ; L regularity

PDF (301KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

李仲庆, 高文杰. 一类具低阶项和退化强制的椭圆方程的有界弱解. 数学物理学报[J], 2019, 39(3): 529-534 doi:

Li Zhongqing, Gao Wenjie. Bounded Weak Solutions to an Elliptic Equation with Lower Order Terms and Degenerate Coercivity. Acta Mathematica Scientia[J], 2019, 39(3): 529-534 doi:

1 问题的介绍

本文考虑如下椭圆方程

{div[1(1+|u|)θu]+μu+g(x,u,u)=f,xΩ,u(x)=0,xΩ,
(1.1)

其中ΩRN中的有界开集, Ω的边界Ω是光滑的, N>2.关于问题(1.1),有进一步的假设:

(H1) 0θ<1, μ>0;

(H2) g(x,s,ξ)是一个Carathéodory函数,并且存在一常数γ>0,使得对几乎处处的xΩ和所有的sR, ξRN,有

|g(x,s,ξ)|γ(1+|s|)2θ|ξ|2;

(H3) fLm(Ω)m>N2.

许多数学工作者对问题(1.1)及其相似模型进行了广泛的研究. Boccardo和Brezis[1]考虑了不带一阶项的退化强制椭圆方程(即当γ=0时的情形).作者引入了一种特殊的积分型检验函数,得到了先验L估计;借助于关键的L界,证明了有界弱解的存在性.文献[2]使用不同的检验函数并改进迭代引理,证明了解的L正则性.当问题(1.1)中的θ=0时,方程为具自然增长的一致椭圆型.文献[3]研究了这类一致椭圆方程,通过使用指数型检验函数,得到了有界弱解的存在性.

Boccardo等[4]考虑了一个拟线性椭圆方程,其最简模型为

{div[α(u)u]=β(u)|u|2+f,xΩ,u(x)=0,xΩ,

其中αβ是正的连续函数,满足αL1([0,+))L1((,0]), βαL1(R) (注意到问题(1.1)并不包含于此类方程,因为当0θ<1时, βα=γ(1+|s|)θL1(R)).借助于特殊的指数型检验函数,根据f的可积性,作者得到了上述问题的有界弱解及熵解的存在性.

问题(1.1)的难点在于梯度项和退化强制同时存在.梯度项的存在使得不能直接使用文献[1]的检验函数,而是需要寻找合适的检验函数,以同时处理低阶项和退化强制项.为了克服这个困难,我们结合了处理退化强制的思想[1]以及控制低阶项的方法[3, 5],使用一个新的检验函数和迭代技术,得到了逼近解序列un的先验最大模估计;利用L界证明了有界弱解的存在性.

现在给出本文主要结果.

定理1.1  如果条件(H1), (H2)和(H3)成立,那么对每一个ϕH10(Ω)L(Ω),有

Ω1(1+|u|)θuϕdx+Ωμuϕdx+Ωg(x,u,u)ϕdx=Ωfϕdx.

即问题(1.1)至少存在一个有界弱解uH10(Ω)L(Ω).

2 最大模估计

首先,构造对应于问题(1.1)的一个逼近方程

{div[1(1+|Tn(un)|)θun]+μun+gn(x,un,un)=fn,xΩ,un(x)=0,xΩ,
(2.1)

其中Tk(s)=max ( T_k 的另一种表示法参见文献[6]),

g_n(x, s, \xi) = \frac{g(x, s, \xi)}{1+\frac{1}{n}|g(x, s, \xi)|}, \quad f_n = \frac{f}{1+\frac{1}{n}|f|}.

根据pseudo-monotone算子理论[7],对每一个固定的 n\in {\Bbb N} ,问题(2.1)至少存在一个弱解 u_n\in H_0^1(\Omega)\cap L^\infty(\Omega) .

下面证明解序列 \{u_n\}_{n = 1}^\infty 一致最大模有界.

命题2.1  假设(H1), (H2)和(H3)成立,那么问题(2.1)的弱解 u_n 是本征一致有界的,且

\|u_n\|_{L^{\infty}(\Omega)}\leq C,

其中 C 是正常数,它依赖于 N, \mu, \theta, \gamma, ||f\|_{L^m(\Omega)} ,但不依赖于 n .

 首先回顾Boccardo-Brezis的检验函数[1]

H(s) = \int_0^s\frac{1}{(1+|t|)^\theta}{\rm d}t

和一个指数型函数[3, 5]

\varphi(s) = ({\rm e}^{2\lambda|s|}-1){\rm sign}(s),

其中 \lambda > \frac{\gamma}{2} .

对任意的实数 k > 0 ,记

A_{n, k} = \{x\in\Omega:|H(u_n(x))|>k\}.

经过简单的计算,发现 A_{n, k} 有其等价形式

A_{n, k} = \{x\in\Omega:|u_n(x)|>\widehat{k}\},

其中 \widehat{k} = [k(1-\theta)+1]^{\frac{1}{1-\theta}}-1 .

G_k(s) = s-T_k(s) ,受文献[1]和[3]启发,选取 \varphi[G_k(H(u_n))] 作为问题(2.1)的一个检验函数,可得

\begin{eqnarray} &&\overbrace{2\lambda\int_{A_{n, k}}{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}\nabla G_k(H(u_n))\cdot\frac{\nabla u_n}{(1+|T_n(u_n)|)^\theta}{\rm d}x}^{(L1)} +\overbrace{\mu\int_{A_{n, k}}|u_n|[{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]{\rm d}x}^{(L2)}\\ &&\leq \overbrace{\int_{A_{n, k}}\frac{\gamma}{(1+|u_n|)^{2\theta}}|\nabla u_n|^2[{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]{\rm d}x}^{(R1)} +\overbrace{\int_{A_{n, k}}|f_n|[{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]{\rm d}x}^{(R2)}, \end{eqnarray}
(2.2)

上式用到了(H2)以及在集合 A_{n, k} 上sign (u_n) = sign (G_k(H(u_n))) .

现在去估计(2.2)式的每一项.先考虑 (L1) (R1) :

\begin{eqnarray*} (L1) &\geq& 2\lambda\int_{A_{n, k}}{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}\frac{|\nabla u_n|^2}{(1+|u_n|)^{2\theta}}{\rm d}x\\ &\geq& 2\lambda\int_{A_{n, k}}{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}|\nabla G_k(H(u_n))|^2{\rm d}x, \\ (R1)&\leq& \gamma\int_{A_{n, k}}{\rm e}^{2\lambda|G_k(H(u_n))|}|\nabla G_k(H(u_n))|^2{\rm d}x. \end{eqnarray*}

注意到 \lambda > \frac{\gamma}{2} ,那么

\begin{equation} (L1)-(R1) \geq\frac{2\lambda-\gamma}{\lambda^2} \int_\Omega|\nabla[{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]|^2{\rm d}x. \end{equation}
(2.3)

运用不等式

A^2-1\geq(A-1)^2, \quad \forall A\geq1

以及 \mu > 0 ,则

\begin{eqnarray} (L2)&\geq& \mu\int_{A_{n, k}}|u_n|[{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]^2{\rm d}x\\ &\geq& \mu\hat{k}_0\left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|^2_{L^2(\Omega)}, \end{eqnarray}
(2.4)

其中 \widehat{k}_0 = [k_0(1-\theta)+1]^{\frac{1}{1-\theta}}-1 , k_0 待定.

根据基本的不等式

A^2-1\leq2(A-1)^2+1, \forall A\geq1;

Hölder不等式, |f_n|\leq|f| , (R2) 可估计如下

\begin{eqnarray} (R2)&\leq& 2\int_{A_{n, k}}|f_n|[{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]^2{\rm d}x +\int_{A_{n, k}}|f_n|{\rm d}x\\ &\leq&\overbrace{2\int_\Omega|f|[{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]^2{\rm d}x}^{(R_{21})} +\|f\|_{L^m(\Omega)}|A_{n, k}|^{\frac{1}{m^\prime}}, \end{eqnarray}
(2.5)

其中 \frac{1}{m^\prime} = 1-\frac{1}{m} , |A| = {\rm meas}(A) 表示集合 A 的Lebesgue测度.

对于 (R_{21}) ,依次使用Hölder不等式,插值不等式(因为(H3)蕴含 2 < 2m^\prime < 2^\ast = \frac{2N}{N-2} ,因此存在一个 0 < \alpha < 1 ,使得 \frac{1}{2m^\prime} = \frac{\alpha}{2^\ast}+\frac{1-\alpha}{2} ),带 \epsilon 的Young不等式以及Sobolev嵌入,最终得到

\begin{eqnarray} (R_{21})&\leq& 2\|f\|_{L^m(\Omega)}\left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|_{L^{2m^\prime}(\Omega)}^2\\ & \leq& 2\|f\|_{L^m(\Omega)} \left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|_{L^{2^\ast}(\Omega)}^{2\alpha} \left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|_{L^2(\Omega)}^{2(1-\alpha)} \\ & \leq& 2\|f\|_{L^m(\Omega)} \left[\epsilon\left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|_{L^{2^\ast}(\Omega)}^{2} +\epsilon^{-\frac{\alpha}{1-\alpha}}\left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|_{L^2(\Omega)}^2\right]\\ & \leq&\epsilon 2\|f\|_{L^m(\Omega)}S_N^2\left\|\nabla[{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]\right\|_{L^{2}(\Omega)}^{2}\\ & &+\epsilon^{-\frac{\alpha}{1-\alpha}}2\|f\|_{L^m(\Omega)}\left\|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1\right\|_{L^2(\Omega)}^2, \end{eqnarray}
(2.6)

其中 S_N H_0^1(\Omega)\hookrightarrow L^{2^\ast}(\Omega) 中的Sobolev嵌入常数.

\epsilon 2\|f\|_{L^m(\Omega)}S_N^2 = \frac{2\lambda-\gamma}{2\lambda^2} ,取 k_0 满足

\begin{equation} [k_0(1-\theta)+1]^{\frac{1}{1-\theta}}-1 = \widehat{k_0} >\frac{\left[\frac{2\lambda-\gamma}{4\lambda^2\|f\|_{L^m(\Omega)}S_N^2}\right]^{-\frac{\alpha}{1-\alpha}}2\|f\|_{L^m(\Omega)}}{\mu}, \end{equation}
(2.7)

那么对于 k > k_0 , (2.6)式的右端第二项就能够被(2.4)式所吸收.

将估计式(2.3)–(2.7)代入到(2.2)式,我们得到

\begin{eqnarray} \overbrace{\frac{2\lambda-\gamma}{2\lambda^2} \int_\Omega|\nabla[{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1]|^2{\rm d}x}^{(L_{11})} \leq \|f\|_{L^m(\Omega)}|A_{n, k}|^{\frac{1}{m^\prime}}. \end{eqnarray}
(2.8)

在(2.8)式的左端应用Sobolev嵌入,运用不等式e ^t-1\geq t, \forall t\geq0 ,得到

\begin{eqnarray} (L_{11}) &\geq&\frac{2\lambda-\gamma}{2\lambda^2S^2_N} \left(\int_\Omega|{\rm e}^{\lambda|G_k(H(u_n))|}-1|^{2^\ast}{\rm d}x\right)^{\frac{2}{2^\ast}}\\ &\geq&\frac{2\lambda-\gamma}{2S^2_N} \left(\int_{A_{n, k}}|G_k(H(u_n))|^{2^\ast}{\rm d}x\right)^{\frac{2}{2^\ast}}. \end{eqnarray}
(2.9)

由(2.9)和(2.8)式得到

\begin{equation} \int_{A_{n, k}}|G_k(H(u_n))|^{2^\ast}{\rm d}x \leq C(N, \gamma, \|f\|_{L^m(\Omega)})|A_{n, k}|^{\frac{2^\ast}{2m^\prime}}. \end{equation}
(2.10)

对任何 h > k > k_0 ,有

\begin{equation} \int_{A_{n, k}}|G_k(H(u_n))|^{2^\ast}{\rm d}x \geq (h-k)^{2^\ast}|A_{n, h}|. \end{equation}
(2.11)

从(2.11)和(2.10)式可推出

\begin{equation} |A_{n, h}| \leq \frac{C(N, \gamma, \|f\|_{L^m(\Omega)})}{(h-k)^{2^\ast}} |A_{n, k}|^{\frac{2^\ast}{2m^\prime}}. \end{equation}
(2.12)

注意到(H3)蕴含 m > \frac{N}{2}\Leftrightarrow\frac{2^\ast}{2m^\prime} > 1 以及(2.7)式中 k_0 的选取,运用De Giorgi迭代引理[8],可得

\|H(u_n(x))\|_{L^{\infty}(\Omega)}\leq C(N, \mu, \theta, \gamma, \|f\|_{L^m(\Omega)}).

注意到 0\leq\theta < 1 蕴含 H(s) 的性质:

\lim\limits_{s\rightarrow+\infty}H(s) = +\infty, \lim\limits_{s\rightarrow-\infty}H(s) = -\infty.

这表明

\|u_n(x)\|_{L^{\infty}(\Omega)}\leq C(N, \mu, \theta, \gamma, \|f\|_{L^m(\Omega)}).

证毕.

3 定理1.1的证明:解的存在性

 一旦 \{u_n\}_{n = 1}^\infty 的先验 L^\infty 界得到,就可以证明方程解的存在性.事实上,由命题2.1,不妨假设存在 M > 0 ,使得

\sup\limits_{x\in\Omega}\|u_n\|_{L^\infty(\Omega)}\leq M.

选取 n > M ,此时在问题(2.1)中, T_n(u_n) = u_n ,方程的退化强制消失.根据文献[3], n > M 时的 u_n 就是问题(1.1)的解.

参考文献

Boccardo L , Brezis H .

Some remarks on a class of elliptic equations with degenerate coercivity

Boll Unione Mat Ital Sez B Artic Ric Mat, 2003, 6 (3): 521- 530

[本文引用: 5]

Boccardo L , Dall'Aglio A , Orsina L .

Existence and regularity results for some elliptic equations with degenerate coercivity

Atti Sem Mat Fis Univ Modena, 1998, 46 (supp 1): 51- 81

URL     [本文引用: 1]

Boccardo L , Murat F , Puel J P .

L estimate for some nonlinear elliptic partial differential equations and application to an existence result

SIAM J Math Anal, 1992, 23 (2): 326- 333

[本文引用: 5]

Boccardo L , Segura de Léon S , Trombetti C .

Bounded and unbounded solutions for a class of quasi-linear elliptic problems with a quadratic gradient term

J Math Pures Appl, 2001, 80 (9): 919- 940

URL     [本文引用: 1]

Boccardo L , Croce G . Elliptic Partial Differential Equations:Existence and Regularity of Distributional Solutions. Berlin: De Gruyter, 2014

[本文引用: 2]

高红亚, 贾苗苗.

障碍问题解的局部正则性和局部有界性

数学物理学报, 2017, 37A (4): 706- 713

URL     [本文引用: 1]

Gao H Y , Jia M M .

Local regularity and local boundedness for solutions to obstacle problems

Acta Math Sci, 2017, 37A (4): 706- 713

URL     [本文引用: 1]

Zeidler E . Nonlinear Functional Analysis and Its Applications Ⅱ/B:Nonlinear Monotone Operators. New York: Springer-Verlag, 1990

[本文引用: 1]

Kinderlehrer D , Stampacchia G . An Introduction to Variational Inequalities and Their Applications. Philadelphia, PA: Society for Industrial and Applied Mathematics (SIAM), 2000

[本文引用: 1]

/