关于复合算子T°d°G的高阶可积性研究
Study on Higher Integrability of Composition Operator T°d°G
DOI: 10.12677/AAM.2023.1211473, PDF, HTML, XML, 下载: 125  浏览: 170  科研立项经费支持
作者: 李群芳:赣州师范高等专科学校数学系,江西 赣州
关键词: 高阶可积性微分形式复合算子调和方程Higher Integrability Differential Forms Composition Operator Harmonic Equation
摘要: 本文研究了满足A-调和方程的微分形式高阶可积性问题。文中利用微分形式的Hölder不等式及同仑算子与格林算子的相关结果首先证明了1
Abstract: In this paper, we have studied higher order integrability for differential forms satisfying A-harmonic equation. Based on Hölder inequality of differential forms and some results of Ho-motopy operator and Green’s operator, we first establish local higher order integrability for compo-sition operator T°d°G applied to differential forms satisfying A-harmonic equation with the con-dition 1
文章引用:李群芳. 关于复合算子T°d°G的高阶可积性研究[J]. 应用数学进展, 2023, 12(11): 4798-4805. https://doi.org/10.12677/AAM.2023.1211473

1. 引言

2009年,文献 [1] 中证明了 δ -John域上作用于微分形式复合算子 T H 的Poincaré-型嵌入不等式

T ( H ( u ) ) W 1 , s ( Ω ) , w 1 C ( n , s , α , λ , Ω ) u s , Ω , w 2 , (1)

其中 T H 为同仑算子T与投影算子H的复合算子, w 2 ( x ) = i χ Q i 1 | x x Q i | λ ,常数 α , λ 满足 0 λ < α < λ + ( n + 1 ) s ,微分形式u满足非齐次A-调和方程 d A ( x , d u ) = B ( x , d u )

2014年,文献 [2] 给出了复合算子 M s P 的如下Poincaré-型不等式

M s P ( u ) ( M s P ( u ) ) Ω t , Ω C u t , Ω , (2)

其中 M s 为Hardy-Littlewood极大算子、P为potential算子, Ω R n 上的一有界凸区域。

2020年,文献 [3] 给出了如下作用于Dirac-调和方程 d * A ( x , D w ) = 0 的光滑微分形式的迭代算子 D k G k 的局部 A r λ 3 ( λ 1 , λ 2 ; E ) -权 L p -积分不等式。

( B | D k G k ( u ) | p w 1 α λ 1 d x ) 1 / p C ( σ B | u | p w 2 α λ 2 λ 3 d x ) 1 / p , (3)

这里D是Dirac算子, ( w 1 , w 2 ) A r λ 3 ( λ 1 , λ 2 ; Ω ) 1 < p < 0 < α < 1 σ > 1 k N +

显然,上述结果均是用微分形式的 L p -范数去估计算子的 L p -范数,如式(2)以微分形式的加权 L p -范数 u p 去估计Potential算子P加权 L p -范数 M s P ( u ) p ,若 s > p ,则Potential算子P的 L s -范数 M s P ( u ) s 就无法用式(2)中的微分形式的 L p -范数 u p 来估计了,此时就需要讨论Potential算子 M s P 是否具有比微分形式更高阶的范数。称算子范数高于微分形式范数的研究为算子的高阶范数研究。由于复合算子的范数估计远比单算子的范数估计复杂,故本文选择复合算子 T d G 的高阶可积性作为研究内容,分别在 1 < q < n q n 条件下证明了复合算子 T d G 的局部高阶可积性。

2. 记号及预备知识

微分形式是 R n 上可微函数的推广,称函数 u = u ( x 1 , x 2 , , x n ) 为微分0-形式,称 u ( x ) = I α I d x I = α i 1 i 2 i l ( x 1 , x 2 , , x n ) d x i 1 d x i 2 d x i l 是微分l-形式,其中有序l-丛 I = { i 1 , i 2 , , i l } 1 i 1 < i 2 < < i l n l = 1 , 2 , , n ,关于的微分形式的相关结果可参见文献 [4] - [10] 。记 R n ( n 2 )是n维欧氏空间, Ω R n 上有界子集,其勒贝格测度记为 | Ω | 。设B与 σ B R n 中具有相同球心的球体,其直径满足 d i a m ( σ B ) = σ d i a m ( B ) 。记d为外微分算子, l = l ( R n ) 表示由全体微分l-形式所成的l-维向量空间。设 ϖ ( x ) = α i 1 i 2 i l ( x 1 , x 2 , , x n ) d x i 1 d x i 2 d x i l = α I d x I 是一微分l-形式,定义作用于 ϖ ( x ) 上的Hodge星算子

ϖ = α i 1 i 2 i l ( x 1 , x 2 , , x n ) d x i 1 d x i 2 d x i l = ( 1 ) Σ ( I ) α I d x J ,

其中 I = { i 1 , i 2 , , i l } J = { 1 , 2 , , n } { i 1 , i 2 , , i l } Σ ( I ) = l ( l + 1 ) 2 + j = 1 l i j 。利用外微分算子d和Hodge星算子 定义Hodge上的微分算子 d = ( 1 ) n l + 1 d l = 1 , 2 , , n 。如在 1 ( R n ) 中,取微分形式

ω = ω ( x ) = ω 1 d x 1 + ω 2 d x 2 + + ω n d x n ,

ω = ( ω 1 d x 1 + ω 2 d x 2 + + ω n d x n ) = ( 1 ) 1 ( 1 + 1 ) 2 + 1 ω 1 d x 2 d x 3 d x n + ( 1 ) 1 ( 1 + 1 ) 2 + 2 ω 2 d x 1 d x 2 d x n + + ( 1 ) 1 ( 1 + 1 ) 2 + n ω n d x 1 d x 2 d x n 1 = ω 1 d x 2 d x 3 d x n ω 2 d x 1 d x 2 d x n + + ( 1 ) n + 1 ω n d x 1 d x 2 d x n 1

称下列非线性偏微分方程

d A ( x , d u ) = 0 (4)

为齐次A-调和方程,其中算子 A : Ω × l l 对几乎所有的 x Ω ξ l ( R n ) ,满足

| A ( x , ξ ) | a | ξ | p 1 , A ( x , ξ ) ξ | ξ | p ,

上述 a > 0 为一常数且 1 < p < 是与方程(4)有关的确定指数。定义同仑算子

T u = Ω ϕ ( y ) K y d y ,

其中 y Ω ϕ C 0 ( Ω ) 满足 Ω ϕ ( y ) d y = 1 ,线性算子 K y : C ( Ω , l ) C ( Ω , l 1 ) 满足

K y ( u ) ( x ; ξ 1 , ξ 2 , , ξ l 1 ) = 0 1 t l 1 u ( t x + y t y ; x y , ξ 1 , ξ 2 , , ξ l 1 ) .

记G为定义在 C ( Ω , l ) 上的Green算子,且满足Poisson方程 Δ G ( u ) = u H ( u ) ,其中H为调和投影算子。更多关于A-调和方程、同仑算子与Green算子的介绍及相关成果可参见文献 [11] 。

在本文相关结论的证明将应用到下述引理。

引理1 [12] 设是球体B上的一微分形式, l = 1 , 2 , , n 1 < s < ,则

( T u ) s , B C | B | u s , B , (5)

T u s , B C | B | d i a m ( B ) u s , B . (6)

引理2 [13] 设u是 Ω 上一光滑微分形式, 1 < s < ,则对 Ω 上任一球体B,存在一不依赖于u的常数C,使得

d d G ( u ) s , B + d d G ( u ) s , B + d G ( u ) s , B + d G ( u ) s , B + G ( u ) s , B C ( s ) u s , B .

引理3 [12] 设 u D ( Q , l ) d u L p ( Q , l + 1 ) ,则 u u Q L n p / ( n p ) ( Q , l ) ,且

( Q | u u Q | n p / ( n p ) d x ) ( n p ) / n p C p ( n ) ( Q | d u | p d x ) 1 / n p

其中Q为 R n 上一球体, l = 0 , 1 , 2 , , n 1 1 < p < n

引理4 [14] 设u是 Ω 上满足A-调和方程(4)的一微分形式,则对所有满足 σ B Ω 的球体B,存在一不依赖于u的常数C,使得

u s , B C | B | ( t s ) / s t u t , σ B ,

其中 σ > 1 0 < s , t <

引理5 [15] 设 Ω R n 上的一有界域, φ 是定义在 [ 0 , + ) 上的单调递增凸函数且满足 φ ( 0 ) = 0 。若微分形式 u D ( Ω , l ) μ ( { x Ω : | u u Ω | > 0 } ) > 0 ,则 φ ( k | u | + | u Ω | ) L 1 ( Ω ; μ ) ,且对任一实数 a > 0

其中 k > 0 为任一实数, μ 为Radon测度, d μ = w ( x ) d x ,常数 C > 0

在引理5中,若令 Ω 为球体B, p > 1 w ( x ) = 1 ,则 μ ( { x Ω : | u u Ω | > 0 } ) > 0 演变为 | { x B : | u u B | > 0 } | > 0 ,故而从任一满足 | { x B : | u u B | > 0 } | > 0 的球体B有

u p , B C u u B p , B . (7)

3. 本文主要结论

本节将分别在 1 < q < n q n 两种条件下证明有界域上作用于微分形式的复合算子 T d G 的局部高阶可积性。

定理1 设 u C ( Ω , l ) 是满足A-调和方程的微分形式, l = 1 , 2 , , n 1 < q < n ,T为同仑算子,G为Green算子。若 u L l o c q ( Ω , l ) ,则复合算子 T d G ( u ) L l o c p ( Ω , l ) ,且对所有满足 σ B Ω 的球体B,存在一不依赖于u的常数C,有

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p C | B | 1 / n ( 1 | B | B | u | q d x ) 1 / q ,

其中 0 < p < n q / ( n q ) σ > 1 为一特定的常数。

证明:(i) 若 | { x B : | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | > 0 } | = 0 ,则在球体B上 T d G ( u ) = ( T d G ( u ) ) B 几乎处处成立,故 T d G ( u ) 为一闭形式,从而 T d G ( u ) 为A-调和方程的解,从而由引理4可得

T d G ( u ) p , B C | B | ( q p ) / p q T d G ( u ) q , σ B , (8)

其中 σ B Ω σ > 1 为一特定常数。

综合式(8)式及引理1的(6)式、引理2知

T d G ( u ) p , B C 1 | B | ( q p ) / p q T d G ( u ) q , σ B C 2 | B | ( q p ) / p q | B | d i a m ( B ) d G ( u ) q , σ B C 3 | B | ( q p ) / p q | B | d i a m ( B ) u q , σ B C 3 | B | ( q p ) / p q | Ω | d i a m ( B ) u q , σ B = C 4 | B | ( q p ) / p q | B | 1 / n u q , σ B (9)

其中 C 4 = C 3 | Ω | 。(9)式等价于

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p C 4 | B | 1 / n ( 1 | B | σ B | u | q d x ) 1 / q (10)

(ii) 若 | { x B : | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | > 0 } | > 0 ,则(7)式对 T d G ( u ) 成立,即有

T d G ( u ) n q / ( n q ) , B C 5 T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B n q / ( n q ) , B (11)

利用 L p -空间的单调性及 0 < p < n q / ( n q ) ,可得

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p ( 1 | B | B | T d G ( u ) | n q / ( n q ) d x ) ( n q ) / n q (12)

综合引理3、引理1的(5)式、引理2,可得

( B | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | n q / ( n q ) d x ) ( n q ) / n q C 6 ( B | d T d G ( u ) | q d x ) 1 / q C 6 ( B | T d G ( u ) | q d x ) 1 / q C 7 ( B | d G ( u ) | q d x ) 1 / q C 8 ( B | u | q d x ) 1 / q (13)

综合式(11) (12) (13),便有

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p ( 1 | B | B | T d G ( u ) | n q / ( n q ) d x ) ( n q ) / n q C 5 ( 1 | B | B | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | n q / ( n q ) d x ) ( n q ) / n q = C 5 | B | 1 n 1 q ( B | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | n q / ( n q ) d x ) ( n q ) / n q C 9 | B | 1 n 1 q ( B | u | q d x ) 1 / q = C 9 | B | 1 n ( 1 | B | B | u | q d x ) 1 / q (14)

综合式(10) (14)可得:若是A-调和方程(4)的解,则 T d G ( u ) L l o c p ( Ω , l ) ,且

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p C | B | 1 n ( 1 | B | B | u | q d x ) 1 / q .

故定理1证毕。

在定理1中,当 q n 时, n q n q + ,此时p可以充分大,故p可大于q,此时称定理1为复合算子 1 < q < n 条件下的高阶可积性,下面证明在条件下定理仍然成立。

定理2 设是满足A-调和方程(4)的微分形式, l = 1 , 2 , , n q n ,T为同仑算子,G为Green算子。若 u L l o c q ( Ω , l ) ,则复合算子 T d G ( u ) L l o c p ( Ω , l ) ,且对所有满足 σ B Ω 的球体B,存在一不依赖于u的常数C,有

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p C | B | 1 / n ( 1 | B | B | u | q d x ) 1 / q ,

其中 p > 0 σ > 1 为一特定的常数。

证明:(i) 若 | { x B : | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | > 0 } | = 0 ,则使用定理1证明(i)中同样的方法可证定理仍然成立。

(ii) 若 | { x B : | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | > 0 } | > 0 ,取 s = max { 1 , p / q } t = s n q / ( n + s q ) ,由于 n q 0 ,则 t q = q ( s ( n q ) n ) n + s q < 0 ,故有 t < q 1 < t < n

先后利用引理3、引理1的(5)式、引理2,得

( B | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | n t / ( n t ) d x ) ( n t ) / n t C 1 ( B | d T d G ( u ) | t d x ) 1 / t C 1 ( B | T d G ( u ) | t d x ) 1 / t

C 2 | B | ( B | d G ( u ) | t d x ) 1 / t C 3 | B | ( B | u | t d x ) 1 / t C 3 | Ω | ( B | u | t d x ) 1 / t = C 4 ( B | u | t d x ) 1 / t (15)

其中 C 4 = C 3 | Ω | 。利用 L p -空间的单调性及 t < q ,可得

( 1 | B | B | u | t d x ) 1 / t ( 1 | B | B | u | q d x ) 1 / q (16)

式(16)等价于

(17)

综合式(15) (17),有

( B | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | n t / ( n t ) d x ) ( n t ) / n t C 4 | B | 1 / t 1 / q ( B | u | q d x ) 1 / q . (18)

由于 | { x B : | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | > 0 } | > 0 ,故(7)式对 T d G ( u ) 成立,于是应用(7)式可得

( B | T d G ( u ) | n t / ( n t ) d x ) ( n t ) / n t C ( B | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | n t / ( n t ) d x ) ( n t ) / n t . (19)

经计算可得 n t n t = s q p 1 t n t n t = 1 n ,综合利用 L p -空间的单调性及式(18) (19),可得

(20)

式(20)等价于

( 1 | B | B | T d G ( u ) | p d x ) 1 / p C 8 | B | 1 / n ( 1 | B | B | u | q d x ) 1 / q . (21)

式(21)表明:当 | { x B : | T d G ( u ) ( T d G ( u ) ) B | > 0 } | > 0 时,定理2成立。

综合(i) (ii)可得定理2成立,故定理证毕。

4. 总结

本文证明了 1 < q < n q n 两种条件下有界域上作用于微分形式的复合算子 T d G 的局部高阶可积性。今后,我们可在基础上进一步研究有界域上相关算子的全局高阶可积性。

基金项目

2021年度江西省教育厅科学技术研究项目“关于调和方程解的高阶可积性理论研究”(编号:GJJ213509)。

参考文献

参考文献

[1] Ding, S.S. and Liu, B. (2009) Global Estimates for Singular Integrals of the Composite Operator. Illinois Journal of Mathematics, 53, 1173-1185.
https://doi.org/10.1215/ijm/1290435345
[2] Li, X.X., Wang, Y. and Xing, Y.M. (2014) Norm Comparison Estimates for the Composite Operator. Journal of Function Spaces, 2014, Article ID: 943986.
https://doi.org/10.1155/2014/943986
[3] 李群芳, 李华灿. 关于迭代算子 的局部与全局的 -加权积分不等式[J]. 井冈山大学学报(自然科学版), 2020, 41(6): 1-5.
[4] Ding, S.S., Shi, G.N. and Sylvester, D. (2022) Higher Order Embeddings for the Composition of the Harmonic Projection and Homotopy Operators. High-Dimensional Optimization and Probability, 191, 165-183.
https://doi.org/10.1007/978-3-031-00832-0_4
[5] 李华灿, 李群芳. 关于Radon测度的积分不等式[J]. 数学杂志, 2019,39(6): 899-906.
[6] 李群芳, 李华灿. 有界域上局部与全局的Radon测度的积分不等式[J]. 数学的实践与认识, 2021, 51(5): 196-202.
[7] Xing, Y.M. (2003) Weighted Integral Inequalities for Solutions of the A-Harmonic Equation. Journal of Mathematical Analysis and Applications, 279, 350-363.
https://doi.org/10.1016/S0022-247X(03)00036-2
[8] Li, X.X., Wang, J.W. and Pan, N. (2023) Inequalities for Integral Operators in Hölder-Morrey Spaces on Differential Forms. Journal of Inequalities and Applications, 2023, Arti-cle No. 71.
https://doi.org/10.1186/s13660-023-02977-3
[9] Li, H.C. and Li Q.F. (2020) Some Higher Norm In-equalities for Composition of Power Operators. Journal of Inequalities and Applications, 2020, Article No. 106.
https://doi.org/10.1186/s13660-020-02372-2
[10] 蔡士瑛. 拟微分算子在Besov空间上的有界性[J]. 应用数学进展, 2023, 12(3): 837-846.
[11] Agarwal, R.P., Ding, S.S. and Nolder, C.A. (2009) Inequalities for Differential Forms. Springer, New York.
https://doi.org/10.1007/978-0-387-68417-8
[12] Iwaniec, T. and Lutoborski, A. (1993) Integral Estimates for Null Lagrangians. Archive for Rational Mechanics and Analysis, 125, 25-79.
https://doi.org/10.1007/BF00411477
[13] Scott, C. (1995) Theory of Differential Forms on Manifolds. Transactions of the American Mathematical Society, 347, 2075-2096.
https://doi.org/10.2307/2154923
[14] Nolder, C.A. (1999) Hardy-Littlewood Theorems for A-Harmonic Tensors. Illinois Journal of Mathematics, 43, 613-632.
https://doi.org/10.1215/ijm/1256060682
[15] Xing, Y.M. and Ding, S.S. (2009) Norm Comparison Inequalities for the Composite Operator. Journal of Inequalities and Applications, 2009, Article ID: 212915.
https://doi.org/10.1155/2009/212915