一类抛物方程解的水平集的曲率估计_赵丽萍.pdf
《一类抛物方程解的水平集的曲率估计_赵丽萍.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一类抛物方程解的水平集的曲率估计_赵丽萍.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、 收稿日期2 0 2 1-1 2-1 6;修改日期2 0 2 2-0 6-2 4 基金项目国家自然科学基金(1 2 1 7 1 2 6 0);浙江省杰出青年基金(L X R 2 2 A 0 1 0 0 0 1)作者简介赵丽萍(1 9 9 6-),女,硕士在读,基础数学专业.E-m a i l:7 6 7 9 1 5 6 9 7q q.c o m 通讯作者陈传强(1 9 8 3-),男,博士,教授,从事偏微分研究.E-m a i l:c h e n c h u a n q i a n g n b u.e d u.c n第3 8卷第6期大 学 数 学V o l.3 8,.62 0 2 2年1 2月
2、C O L L E G E MATHEMAT I C SD e c.2 0 2 2一类抛物方程解的水平集的曲率估计赵丽萍,莛陈传强(宁波大学 数学与统计学院,浙江 宁波3 1 5 2 1 1)摘 要研究了凸环上的抛物方程ut=pu(p1)的时空拟凹解的空间水平集的严格凸性,并且利用常秩定理的方法,得到了空间水平集主曲率的正下界估计.关键词水平集;主曲率;常秩定理;曲率估计 中图分类号O 1 7 5.2 6 文献标识码A 文章编号1 6 7 2-1 4 5 4(2 0 2 2)0 6-0 0 0 9-1 01 引 言考虑在凸环上建立抛物方程,如下所示ut=pu,(x,t)(0,T,u(x,0)=
3、u0(x),x,u(x,t)=0,(x,t)0(0,T),u(x,t)=1,(x,t)1(0,T,(1)其中p1,=01 n(0和1是凸区域且10)是凸环,T是时空空间拟凹解的最大时间,u0C4()C2()是一个给定的拟凹函数,并且满足下列条件pu0,x,u0(x)=0,x0,u0(x)=1,x1.(2)如果时空水平集(x,t)(0,T)u(x,t)=c 对于每一个常数c(0,1)都是凸的,那么函数u(x,t)在(0,T)被称为时空拟凹解.如果(空间)水平集x u0(x)=c 对于每一个常数c(0,1)都凸的,在上的函数u0(x)被叫做是拟凹的.凸性是偏微分方程的一个基本的几何性质,已经得到了
4、广泛的研究.例如,文献1 包含一个众所周知的结果,即水平面上单连通凸域上的格林函数为凸J o r d a n曲线.1 9 5 6年,文献2 研究了在3中的极小环,其边界由平行平面P1,P2的两条封闭凸曲线组成,并且在论文中证明了在P1和P2的任意平行平面P都是凸J o r d a n曲线.1 9 5 7年,文献3 证明了三维有界凸域上格林函数的水平集是严格凸的.1 9 7 7年,文献4 将G a b r i e l的上述结果推广到高维p阶调和函数.文献5 推广文献4 结果到非线性椭圆偏微分方程.受到文献6 结果的启发,文献7 利用p阶调和函数凸水平集的第二基本形式的常秩定理给出了新的证明.文献
5、8 关于这个问题还有更多研究(见参考文献9-1 2).关于椭圆偏微分方程解的水平集的曲率估计也有大量的文献可以参考.对于具有凸水平曲线的二维调和函数和极小曲面,文献1 3-1 5 证明水平曲线的曲率在边界处达到最小值(详细的最新结果参考文献1 6).文献1 5 还研究了凸水平曲线的曲率与二维最小曲面高度之间的关系.文献1 7 得到了高维调和函数在凸水平集的高斯曲率估计,并且函数包含了边界的高斯曲率和边界上梯度的范数.对于高维主曲率估计,根据边界的主曲率和边界上的梯度范数,文献1 8 得到了高维调和函数的严格凸水平集的主曲率下界估计和非线性椭圆方程在一定条件下的界.最近,文献1 9 利用了文献6
6、 提出的常秩定理的方法,得到了一般条件下凸域上完全非线性椭圆方程水平集解的主曲率下界2 0.在文献2 1 中,B o r e l l利用布朗运动去研究在u0=0时热方程的时空水平集的某些凸性.后来,文献2 2-2 3 对B o r e l l的定理给出新的证明,并且将其推广到更一般完全非线性椭圆方程抛物拟凹的概念.但他们仍需要初始数据恒等于零,这是一个非常严格的假设.在1 9 9 5年,文献2 4 给出了一类抛物方程解的稳定性与唯一性.文献2 5 中研究了水平集的严格凸性并且给出了热方程ut=u的时空拟凹解的空间水平集的常秩定理.文献2 6-2 7 中证明了具有初始数据的热方程的强时间拟凹性并
7、且对一般初始数据给出了一些例子.本文将给出方程(1)解空间水平集的曲率估计,即如下定理.定理1 假设=:01 n是凸环,uC3,1(0,T)是时空拟凹解并且满足(2),则c=x|u(x,t)=c是严格凸的.在定理1的证明基础上,还将进一步利用常秩定理,去研究抛物方程解的水平集的曲率估计,即如下定理.定理2 假设在uC3,1(0,T)是完全非线性抛物方程(1)的时空拟凹解并且满足(2).那么将会存在一个常数A只依赖于存在对于n,u0,i n f|?u|和uC2,使得u(x,t)m i n0,1e-AeA u(x,t),(x,t)0,T),(3)此时u(x,t)是空间水平集的u(x,t)=y|u(
8、y,t)=u(x,t)的最小主曲率.注1 定理2可以看作是在文献1 9 中定理1.5的抛物版本,同时也是常秩定理的证明过程.更多最新的相关结果可以参考文献1 9,2 8-2 9 以及3 1-3 3.本文的剩余内容安排如下:在第二部分,做一些初步分析;在第三部分,给出定理1的证明;在第四部分,给出定理2的证明.2 初步分析在这一部分,将做出一些初步分析.首先,标记?u=(u1,un)是u的空间梯度,D u=(u1,un,ut)是u的时空梯度.2.1 空间水平集和第二基本形式假设函数u(x,t)C2(0,T),并且对任意固定的(x,t)(0,T)有un0.对于空间水平集c=x|u(x,t)=c的内
9、法线向量满足v=un|?u|un(u1,u2,un-1,un),(4)其中?u=(u1,u2,un-1,un)是u的空间梯度.函数u在法向(4)的空间水平集的第二基本形式是bi j=-|un|(u2nui j+un nuiuj-unujui n-unuiuj n)|?u|u3n,1i,jn-1.(5)设hi j=u2nui j+un nuiuj-unujui n-unuiuj n,1i,jn-1,则(5)可以表示成bi j=-|un|hi j|?u|u3n.如果c=x|u(x,t)=c 是局部凸的,就可以知道c的第二基本形式在法线方向(4)是半正定的.现假设a(x,t)=ai jx,t 是c=
10、x|u(x,t)=c的W e i n g a r t e n对称矩阵,由此,可以01大 学 数 学 第3 8卷得到(ai j)是半正定的.就如同1 1 中计算的那样,若un0,那W e i n g a r t e n矩阵可以表示成ai j=-un|?u|u3nAi j,1i,jn-1,(6)其中Ai j=hi j-uiulhj lW(1+W)u2n-ujulhi lW(1+W)u2n+uiujukulhk lW2(1+W)2u4n,W=|?u|un.上述表示符号中,在点x,t 处有un(x,t)=|?u(x,t)|0,ui(x,t)=0,i=1,n-1,ai j,k是可交换的,这也就是说它们满
11、足C o d a z z i性质ai j,k=ai k,j,i,jn-1.2.2 时空水平集和第二基本形式假设函数u(x,t)C2(0,T),并且对于任意固定点(x,t)(0,T)都存在着ut0.对于时空水平集c=(x,t)(0,T)|u(x,t)=c的内法线向量满足v=ut|D u|ut(u1,u2,un-1,un,ut),(7)其中D u=(u1,u2,un-1,un,ut)是u的时空梯度.函数u在法向(8)的时空水平集的第二基本形式是b=-|ut|(u2tu+ut tuu-utuu t-utuut)|D u|u3t,1,n.设h=u2tu+ut tuu-utuu t-utuut,1,n.
12、那么,对于上式就可以将其写成b=-|ut|h|D u|u3t.如果时空水平集c=x|u(x,t)=c 是局部凸的,就可以知道c的第二基本形式在法线方向(8)是半正定的.现假设a(x,t)=(a(x,t)是c=(x,t)(0,T)|u(x,t)=c的W e i n g a r t e n对称矩阵,由此可以得到(a)是半正定的.如果ut0,那W e i n g a r t e n矩阵可以表示成a=-ut|D u|u3tA,1,n,(8)其中A=h-uuhW(1+W)u2t-uuh W(1+W)u2t+uuuuhW2(1+W)2u4t,W=|D u|ut.上述的表示符号中,在点x,t 处有ut(x,
13、t)0,un(x,t)=|?u(x,t)|0,ui(x,t)=0,i=1,n-1,由此可以得到1-u2nW(1+W)u2t=W u2t+W2u2t-u2nW(1+W)u2t=1W.所以A=h=u2tu,1,n-1;(9)A n=h n-u2nh nW(1+W)u2t=1Wh n=1Wu2tu n-utunu t,1n-1;(1 0)An n=hn n-2u2nhn nW(1+W)u2t+u4nhn nW2(1+W)2u4t=1W2hn n=1W2u2tun n+u2nut t-2utunun t.(1 1)2.3 初等对称函数在这一部分,将重新回顾在文献3 5 中的初等对称函数的定义和一些基本
14、性质.定义1 对于任意k=1,2,n,定义k()=1i1i2n.用k(i)表示i=0的对称函数且用k(i j)表示i=j=0的对称函数.易知,初等对称函数有下列性质:性质1 设=(1,n)n对k=0,1,n,有k()=k(|i)+ik-1(|i),1in,ni=1ik-1(|i)=k k(),ni=1k(|i)=(n-k)k().另外,对矩阵W可以定义k(W)=k(W),其中(W)=(1(W),2(W),n(W)是对称矩阵W的特征值.用k(W|i)表示除掉i-行和i-列的对称函数以及用k(W|i j)表示除掉i,j-行和i,j-列的对称函数.然后就有下列的性质.性质2 假设W=(Wi j)是对
15、角化的,并且m是正整数,有m(W)Wi j=m-1(W|i),i=j,0,ij(1 2)和2m(W)Wi jWk l=m-2(W|i k),i=j,k=l,ik,-m-2(W|i k),i=l,j=k,ij,0,其它.(1 3)2.4 辅助引理类似于文献2 9 论文中的引理2.5,将给出下列引理引理1 假设对每一个x n有W(x)=(Wi j(x)NN0,且Wi j(x)C1,1(),然后对于每一个O,都存在一个只依赖于d i s tO,和WC1,1()的正数C,使得?Wi jC(Wi iWj j)14,(1 4)对于每一个xO,1i,jN.证 与文献2 9 中引理2.5的证明相同但进行了小的
16、修改,因为W是一般的矩阵而不是凸函数的H e s s i a n矩阵.已知任何非负C1,1函数h,对于所有的xO有|?h(x)|C h12(x),此时C只依赖于hC1,1()和d i s tO,.因为W(x)0,所以可选择h(x)=Wi i(x)0.从上面的论证中得到?Wi iC1(Wi i)12=C1(Wi iWi i)14.(1 5)因此(1 4)对i=j成立.类似地,对ij,选择h=Wi iWj j0,就可以得到?Wi iWj jC2(Wi iWj j)12=C2(Wi iWj j)14.(1 6)并且对于h=Wi iWj j-Wi j,有?(Wi iWj j-Wi j)C3(Wi iW
17、j j-Wi j)12C3(Wi iWj j)14.根据(1 5)和(1 6),就可以得到?Wi j=?Wi iWj j-?(Wi iWj j-Wi j)?Wi iWj j+?(Wi iWj j-Wi j)(C2+C3)(Wi iWj j)14.所以(1 4)对ij成立.注2 若每一个(x,t)(0,T)有W(x,t)=(Wi j(x,t)NN 0,且Wi j(x,t)C1,1(0,T),然后就有对t00.所以存在一个(x0,t0)的邻域O(t0-,t0,使得(ai j)有l个被正数控制的“好的”特征值以及其他n-1-l个是(ai j)的“坏的”特征值是非常小的.将用G来表示“好的”特征值的指
18、标集并且用B来表示“坏的”特征值的指标集.对任意固定点(x,t)O(t0-,t0,可以用(7)形式表示(ai j),选择e1,en-1,en使得un(x,t)=|?u(x,t)|0并且(ui j)1i,jn-1是对角化的.不失一般性,假设u1 1u2 2un-1,n-1.根据(4)-(5),可以得到(ai j)1i,jn-1是对角化的,并且u1 1u2 2un-1,n-1.为了方便起见,用G=1,l 和B=l+1,n-1 分别表示“好的”和“坏的”指标集.如果没有混淆的话,还将有下列表示G=a1 1,al l 和 B=al+1,l+1,an-1,n-1.这里对任何0,可选择O(t0-,t0 是
19、足够小的,对所有(x,t)O(t0-,t0 和jB有aj j0且1,n,会有F -t=l(G)-1u3n iB(p+3)(p-2)u2i nut-2(p-2)unui nui t+6u2i nut-4unui nui t -2F l(G)-1u3n iBjGunui j-2uj ui n 2uj j+O(+|?|).(2 0)假设u是时空拟凹解并且u的时空水平集是凸的,就会有ai i=|?u|D u|ai i=O(),h2i nhi ihn n=O()因此,可以得到6utu2i n-4unui nui t=2ut utui n+hi nut 2-2h2i nu2t2ut utui n+hi n
20、ut 2+O()和(p-2)(p+3)utu2i n-2(p-2)unui nui t=p(p-2)utu2i n+(p-2)ut utui n+h2i nu2t 2-2h2i nu2t=p(p-2)utu2i n+(p-2)ut utui n+h2i nu2t 2+O().所以,若A足够大有F -tC(+|?|).(2 1)根据强极大值原理,就可以得到=0,即R a n k(ai j)l(x,t)O(t0-,t0.由于闭凸超曲面必有严格凸点,那么R a n k(ai j)n-1,(0,T).通过连续性方法,使得定理1中的严格凸性得证.4 定理2的证明在这一部分,将给出定理2的证明.实际上,这
21、个证明类似于文献2 5 和3 5,但做出了一些修改.假设u(x,t)是方程(1)的时空拟凹解,则时空水平集c=(x,t)(0,T)|u(x,t)=c 是凸的.通过2 4,知道a=(ai j)n-1n-1是正定的.设a=a-0g I,00,g(x,t)=eA u(x,t),此时A0一个待定的常数.若m i n0,1=0,结论显然成立.接下来,假设m i n0,10,那么a=(ai j)n-1n-1是正定的在0,T).对于这个待定的常数A,0从0开始增加,使得a 在某些点是退化的,即a 是半正定的,秩不满,那么在边界上(3)显然成立.想要证明如果退化发生在(0,T)的内部点上,那么a在内部点的有相
22、同的秩小领域是退化的.若A足够大,从而就可以得到矛盾,即定理2被证明.因此,现在主要任务就是去证a 的常秩定理,此证明与定理1的证明过程相似.假设a(x,t)在点(x0,t0)(0,T)处取得最小秩l.若假设ln-2,否则结果就显然成立了.接着假设uC4以及un0.所以有一个x0,t0 的邻域O(t0-,t0,使得(ai j)有l个被正数控制的“好的”特征值以及其他n-1-l个是(ai j)的“坏的”特征值是非常小的.根据a1 1a2 2an-1,n-1,那么a1 1a2 2an-1,n-1.41大 学 数 学 第3 8卷如果没有混淆的话,还将有下列表示G=a1 1,al l 和 B=al+1
23、,l+1,an-1,n-1.注意对于任何0,可以选择O(t0-,t0 是足够小的,以至于对所有(x,t)O(t0-,t0 和jB有aj j0只与uC4和O(t0-,t0,对于(x,t)O(t0-,t0,若可以用正数C控制即有|h(x,t)|C f(x,t),就用h=O(f)来表示.对任意(x,t)O(t0-,t0,选择合适的坐标系使得?u=un0且ai j(x,t)1i,jn-1是对角化及半正定的.由的定义,可以得到=l+1(a)l(G)iBai i0,因此ai i=O(),iB.因为ai i=ai i-0eA u以及ai i=-hi iu3n=-ui iun,所以ai i=0eA u+O()
24、,hi i=0eA uO(1)+O(),ui i=0eA uO(1)+O().求的一阶导,将会得到=l+1(a)ai jai j,=l+1(a)ai iai i,=iB+iG l+1a|i ai i,=l(G)iBai i,+O()=l(G)iBai i,-0eA uA u+O().(2 2)因此iBai i,=O+|?|,iBai i,=0eA uAO(1)+O+|?|,iBhi i,=0eA uAO(1)+O(1)+O+|?|,iBu2nui i,-2unui ui n=0eA uAO(1)+O(1)+O+|?|.类似上述求导t=l(G)iB(ai i,t-0eA uA ut)+O()=l
25、(G)iB -1u3n hi i,t+0eA uAO(1)+O(1)+O()=l(G)iB-1u3n u2nui i,t-2unui tui n+0eA uAO(1)+O(1)+O().(2 3)接下来求的二阶导,=l+1(a)ai jai j,+2l+1(a)ai jap qai j,ap q,=iB+iG la|i ai i,+iBjBij+iGjB+iBjG+iGjGij 2l+1(a)ai iaj jai i,aj j,+iBjBij+iGjB+iBjG+iGjGij 2l+1(a)ai jaj iai j,aj i,=l(G)iBai i,+O()-2iBjGl-1G|j a2i j
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一类 方程 水平 曲率 估计 赵丽萍
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。