Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 64 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
64
Dung lượng
1,38 MB
Nội dung
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Tuyết Mẫn TÍNH CHÍNH QUY NGHIỆM CỦA PHƯƠNG TRÌNH ELLIPTIC VỚI HỆ SỐ BMO LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC Thành phố Hồ Chí Minh – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Nguyễn Thị Tuyết Mẫn TÍNH CHÍNH QUY NGHIỆM CỦA PHƯƠNG TRÌNH ELLIPTIC VỚI HỆ SỐ BMO Chuyên ngành : Tốn Giải tích Mã số : 8460102 LUẬN VĂN THẠC SĨ TOÁN HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN THÀNH NHÂN Thành phố Hồ Chí Minh – 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan, hướng dẫn TS Nguyễn Thành Nhân, luận văn chuyên ngành Toán Giải Tích với đề tài: “Tính quy nghiệm phương trình elliptic với hệ số BMO” thực nhìn nhận tìm hiểu thân tơi Trong q trình nghiên cứu thực luận văn, thừa kế kết báo, luận văn nhà khoa học với trân trọng biết ơn Tôi xin cam đoan nội dung kết luận văn trích dẫn liệt kê đầy đủ tài liệu tham khảo Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm2019 Học viên thực Nguyễn Thị Tuyết Mẫn LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn thạc sĩ không nhờ vào nỗ lực, cố gắng thân mà cịn nhờ nhiều vào hướng dẫn nhiệt tình Thầy, Cơ; ủng hộ, giúp đỡ, động viên từ gia đình bạn bè Tơi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Thành Nhân, người giới thiệu cho đề tài trực tiếp tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành tốt luận văn Bên cạnh tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tồn thể q Thầy, Cơ khoa Tốn-Tin trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh tận tình truyền đạt kiến thức quý báu cho tơi suốt khóa học Tơi xin cảm ơn ban lãnh đạo chuyên viên Phòng sau đại học, Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho tơi học tập hồn thành nghiên cứu Cuối cùng, tơi xin cảm ơn đến gia đình ln bên, động viên, ủng hộ, giúp đỡ tạo điều kiện cho suốt q trình học tập, nghiên cứu hồn thành luận văn MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu MỞ ĐẦU Chương KIẾN THỨC CHUẨN BỊ 1.1 Giới thiệu phương trình elliptic dạng divergence 1.2 Một số khái niệm 1.2.1 Toán tử cực đại Hardy-Littlewood số kết Lp 1.2.2 Bổ đề phủ Vitali 1.2.3 Định nghĩa không gian BMO 1.2.4 Một số định nghĩa kết liên quan đến biên Lipschitz 1.2.5 Bổ đề 1.6 Chương PHƯƠNG TRÌNH ELLIPTIC DẠNG DIVERGENCE VỚI HỆ SỐ KHƠNG LIÊN TỤC 2.1 Bổ đề phủ Vitali 2.2 Các định nghĩa bổ đề 2.3 Tính quy 19 Chương BÀI TOÁN DIRICHLET VỚI HỆ SỐ BMO TRÊN MIỀN LIPSCHITZ 22 3.1 Bổ đề phủ Vitali 22 3.2 Các định nghĩa bổ đề 24 3.3 Tính quy 37 Chương BÀI TOÁN NEUMANN VỚI HỆ SỐ BMO TRÊN MIỀN LIPSCHITZ 42 4.1 Các định nghĩa bổ đề 42 4.2 Tính quy nghiệm 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU x x ', xn Một điểm điển hình R n Rn x R n : xn 0 Không gian R n với điểm có xn Br y Rn : y r Quả cầu mở R n với tâm O, bán kính r Br x Br x Quả cầu mở có thêm x Br Br xn 0 Nửa cầu Br x Br x Nửa cầu có thêm x Tr Br xn 0 Quả cầu mở Br với điểm có xn c Br Br xn 0 Biên Br mà điểm có xn A aij Ma trận A cấp n n u: R Hàm u với u x u x1, , xn x f : Rn Hàm f với f x f x , , f n x x f Br Br f x dx Giá trị trung bình f Br Br divf x f x u u x1 , , u xn n i 1 C0 Gradient u i xi Divergence f Không gian hàm u C có giá compact MỞ ĐẦU Bài tốn tính quy nghiệm phương trình đạo hàm riêng nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhiều năm Gần số kết toán cho phương trình với hệ số BMO nghiên cứu phương pháp sử dụng Bổ đề phủ Vitali cơng cụ giải tích điều hịa Luận văn tập trung khảo sát số đánh giá tính quy nghiệm lớp phương trình đạo hàm riêng có dạng divergence với hệ số khơng liên tục Cụ thể khảo sát tính quy nghiệm phương trình elliptic với ma trận hệ số có nửa chuẩn BMO nhỏ Tài liệu nghiên cứu [1], [3], [5], [8] Nội dung tập trung khảo sát tính quy nghiệm phương trình dạng divergence Từ ứng dụng vào tốn cụ thể với điều kiện biên Dirichlet điều kiện biên Neumann Nội dung luận văn gồm bốn chương: Chương 1: Kiến thức chuẩn bị Bước đầu giới thiệu phương trình elliptic dạng divergence, định nghĩa bổ đề quan trọng để bổ trợ cho chương sau Chương 2: Bàn luận tính quy cho gradient nghiệm phương trình elliptic dạng divergence với hệ số khơng liên tục Cơng cụ Bổ đề phủ Vitali Và phương pháp đánh giá tính quy nghiệm chương tảng cho phương pháp hai chương sau Chương 3: Mở rộng đánh giá chương trước để nghiên cứu tính trơn nghiệm yếu lên biên toán Dirichlet với hệ số BMO miền Lipschitz Chương 4: Bài toán Neumann với hệ số BMO miền Lipschitz Chương mở rộng đánh giá chương trước Kỹ thuật chương từ Bổ đề 3.1 Chương Chương KIẾN THỨC CHUẨN BỊ Trong chương này, bước đầu giới thiệu phương trình elliptic dạng divergence, số định nghĩa bổ đề cần thiết để nghiên cứu chương sau Tài liệu tham khảo chương chủ yếu từ [1], [2], [3], [5] [9] 1.1 Giới thiệu phương trình elliptic dạng divergence Phương trình elliptic dạng divergence: Lu aij u x j xi div Au divf f i miền bị chặn Rn (1.1) x i Giả thiết hệ số phương trình elliptic, A aij , thuộc không gian John-Nirenberg BMO (xem.[5]) với nửa chuẩn BMO nhỏ: ABMO supsup r 0 x Br A y ABr x dy Br x (1.2) 1.2 Một số khái niệm 1.2.1 Toán tử cực đại Hardy-Littlewood số kết Lp Định nghĩa hàm cực đại Hardy-Littlewood Cho f hàm khả tích địa phương Khi đó, hàm cực đại Hardy-Littlewood f là: f x sup r 0 Br f y dy Br x Định lý hàm cực đại Hardy-Littlewood f Lp R n Hơn nữa, (i) Nếu f Lp R n với p , đó: f Lp C f Lp (1.3) (ii) Nếu f L1 R n , đó: x R n : f x C p f dx (1.4) (1.3) gọi mạnh loại p p (1.4) gọi yếu loại Bổ đề 1.1 Với p Khi đó, ta có: (i) f L1 f L1 , (ii) f Lp f p L1 Bổ đề 1.2 Với f Lp 1 p Khi đó, ta có: (i) (ii) x : f x 1 p p f dx, f dx p p 1 x : f x d p Bổ đề 1.3 Cho p Giả sử tồn p số thực với p nhỏ cho: A In Khi đó, tất nghiệm u H phương trình div Au miền bị chặn Rn thỏa mãn u W1, p 1.2.2 Bổ đề phủ Vitali Cho A tập đo Giả sử lớp cầu B phủ A A B Bán kính B bị chặn Và tồn cầu rời B i i 1 B cho: A 5Bi , i với 5Bi cầu với bán kính gấp năm lần bán kính Bi Khi đó, ta có: 43 Nếu h H B1 nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T1 div Ah divf B1 h c B1 , tồn số C C cho: h dx C f dx B1 B1 Chứng minh Vì h H B1 với h B1 xn 0 , nên theo định nghĩa nghiệm yếu, ta có: Ah.hdx fhdx B1 B1 Khi đó, theo Bất đẳng thức Cauchy với điều kiện elliptic đều: 1 h dx Ah.hdx B1 B1 fhdx B1 h dx B1 Lấy 4 B1 f dx , ta được: 2 B1 h dx C f dx 2 B1 Bổ đề 4.4 Giả sử u nghiệm yếu div Au divf B1 với điều kiện biên Neumann T1 lấy C0 B1 hàm cắt tiêu chuẩn mà Khi đó: B1 u dx C B1 f dx u dx , 2 B1 đó, số C phụ thuộc vào hệ số A Chứng minh Vì 2u H B1 với 2u c B1 , nên theo định nghĩa nghiệm yếu, ta có điều sau: 44 B1 Au. 2u dx f 2u dx B1 Ta viết lại đẳng thức sau: I1 I I , với I1 Au.udx, B1 2uf fu dx, I B1 I 2uAu.dx B1 Đánh giá I1 Theo điều kiện elliptic đều, ta được: I1 Au.udx B1 1 u dx B1 Đánh giá I Áp dụng Bất đẳng thức Cauvhy với , ta được: I B1 2uf fu dx B1 f u f u dx 2 2 2 f u u f dx B1 4 2 2 1 f dx u dx u dx B1 B1 4 B1 Đánh giá I Từ điều kiện A L Bất đẳng thức Cauchy với : I 2uAu.dx A B1 L B1 u u dx C u dx B1 Cuối cùng, từ đánh giá Ii i 1,2,3 , ta có: C B1 u dx 2 45 1 u dx I1 I I B1 2 2 1 f dx u dx u dx B1 B1 4 B1 C 2 C u dx u dx B1 B1 2 2 C C u 1 f 1 u B1 4 B1 B1 Chọn , ta nhận được: 2C B1 u dx C f dx u dx 2 B1 2 B1 Bổ đề 4.5 Với , tồn nhỏ cho nghiệm yếu u H B5 với điều kiện biên Neumann T5 div Au divf B5 mà B5 B5 u dx B5 B5 f A AB5 2 dx (4.2) Khi đó, tồn nghiệm trơn v với điều kiện biên Neumann T4 div AB4 v B4 cho: B4 u v dx (4.3) Chứng minh Ta chứng minh phản chứng Giả sử ngược lại, nghĩa tồn , Ak k 1 , uk k 1 fk k 1 cho uk nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T5 div Ak uk divfk B5 (4.4) 46 với B5 B5 B5 uk dx B5 fk Ak Ak B5 2 dx (4.5) k2 Nhưng uk vk dx 02 B4 (4.6) với nghiệm vk với điều kiện biên Neumann T4 div Ak B4 vk B4 Theo Bổ đề 4.4 (4.4), uk uk k 1 (4.7) bị chặn H B4 Do có dãy con, mà ta kí hiệu uk uk , cho: uk uk ⇀ u0 H B4 uk uk u0 L2 B4 Vì Ak B4 bị chặn nên có dãy mà ta kí hiệu Ak B4 (4.8) k 1 Ak B4 A0 k , cho: (4.9) Nhưng đó, theo (4.5), ta có: Ak A0 L2 B4 (4.10) Bây giờ, ta chứng tỏ u0 nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T4 div A0u0 B4 (4.11) Để vậy, lấy H B4 với c B4 Bây giờ, ta mở rộng tới B5 B4 Khi đó, theo (4.4) ta có: B4 hay Ak uk dx Ak uk dx fk dx fk dx; B5 B4 B5 Ak uk dx fk dx B4 B4 (4.12) 47 Vì uk ⇀ u0 Ak A0 L2 B4 , nên Ak uk ⇀ A0u0 L2 B4 Khi đó, cho k (4.12), ta có B4 A0u0 dx 0, ta có (4.11) Chú ý rằng: div A A u B div Ak B4 u0 div Ak B4 A0 u0 div A0u0 k B4 Lấy hk nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T4 div A h div A A u B k B4 k k B4 0 hk c B4 (4.13) Khi đó, u0 hk nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T4 div Ak B4 u0 hk B4 (4.14) Với H B4 mà c B4 , theo (4.11) (4.14), ta có điều sau: A u h . dx A u dx A u dx A A u dx A A u A u A B4 B4 B4 k B4 k B4 k B4 k B4 0 k B4 B4 k B4 B4 0 B4 0 k B4 B4 Từ đó, ta có (4.14) Hơn nữa, theo Bổ đề 4.3: hk C Ak B A0 u0 L B L2 B4 C Ak B4 A0 u0 C Ak B4 A0 , thế, ta có: Ak B4 hk dx L2 B4 A0 u0 48 uk u0 hk L2 B4 u k u0 L2 B4 hk L B uk u0 L2 B4 C Ak B A0 Từ đánh giá này, (4.8) (4.9): uk u0 hk L2 B4 k Nhưng điều mâu thuẫn với (4.6) (4.14) Mục tiêu ta u v đủ nhỏ H với điều kiện thích hợp A f Hệ 4.6 Cho , tồn nhỏ cho nghiệm yếu u với điều kiện biên Neumann T5 div Au divf B5 mà 1 2 u dx f A A dx , (4.15) B B B B5 B5 tồn nghiệm trơn v với điều kiện biên Neumann T4 div AB4 v B4 thỏa u v dx B2 (4.16) Chứng minh Theo Bổ đề 4.5 (4.15), tồn nghiệm trơn v với điều kiện biên Neumann T4 div AB4 v divf B4 cho: B4 u v dx với B5 B5 f A AB5 2 dx (4.17) Đầu tiên, ta chứng minh u v nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T4 div A div f A AB4 v B4 (4.18) 49 Để có điều đó, ta chọn H B4 với c B4 Khi đó, từ định nghĩa nghiệm yếu, ta có: B4 A. dx Au. dx B4 B4 B4 B4 B4 Av. dx A A v. dx A A v. dx f dx B4 B4 f dx B4 AB4 v. dx B4 B4 f + A A v dx, B4 từ đó, ta có (4.18) Theo Bổ đề 4.4, ta có đánh giá sau: B2 C f dx B4 B4 v Trong đó, ta sử dụng Do đó, ta có 2 dx C f A AB4 v dx dx B3 B3 u v dx C B2 L B A AB4 dx dx B4 C f dx A AB4 dx u v dx B4 B4 B4 Vậy từ đánh giá này, (4.17) (4.15) ta có điều cần chứng minh Bổ đề 4.7 Cho số N1 0, với , tồn nhỏ u nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann div Au divf B7 với B x : u và A AB5 , L B5 x 1 x : f x 2 (4.19) đó: x : u x N B Chứng minh B1 (4.20) 50 Theo (4.19), tồn điểm x0 B1 cho: Br Br x0 u dx Br f dx với r Br x0 (4.21) Từ B5 B6 x0 theo (4.21), ta có: B5 B5 B5 f dx 0 B6 x0 f dx n 6 B6 x0 f dx ; B = B5 B6 đó, n B5 6 B5 0 f dx B5 6 B5 0 u dx (4.22) Tương tự, ta có: n (4.23) Theo Hệ 4.6, (4.22), (4.23) (4.19), tồn nghiệm trơn v với điều kiện biên Neumann T4 div A B4 v divf B4 (4.24) cho: B2 u v dx với B5 B5 f A AB5 2 dx (4.25) Tồn số N cho: v N0 (4.26) L B3 Ta đặt N12 max 4 N02 ;2n chứng minh: x B : u x N x B : u v x N 2 Để kiểm tra điều này, ta giả sử rằng: 2 (4.27) 51 x1 x B1 : u v x N 2 (4.28) Với r , Br x1 B3 theo (4.28), (4.26), ta có: Br Br u dx Br x1 Br x1 u v v dx 4N (4.29) Với r , x0 Br x1 B2r x0 theo (4.21), ta có: Br u dx Br x1 Br u dx B2r x0 2n B2 r B2r u dx 2n x0 (4.30) Khi đó, từ (4.29) (4.30) ta có: u x N x1 x B1 : 2 (4.31) Từ (4.28) (4.31) ta có khẳng định (4.27) Theo (4.27) yếu loại 1: x B : u N x B : u v N 2 2 C u v dx B N0 Theo đánh giá này, (4.25), (4.22) (4.19) ta có kết luận (4.20) Phần chương gần giống chương trước nên nêu rõ điều sau mà không chứng minh, ngoại trừ Định lý 4.11 Kể từ giờ, ta giả sử B7r B7 r B7r u T7 r Hệ 4.8 Giả sử u H B7r nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T7 r div Au divf B7r với B5r B5r A AB5r dx Khi đó, có tính chất sau: x B7r : u N B 2 r Br , 52 u 1 x B Br x B7r : 7r f : Bổ đề sau quan trọng mục tiêu ta Bổ đề 4.9 Nếu u nghiệm yếu div Au divf B1 Au f N T1 có tính chất sau: với x x B1 : u x N mà 2 x B : u N B x B , 2 r r Br x B1 u 1 f 2 Các cầu để phủ Bổ đề phủ Vitali lựa chọn cẩn thận Bổ đề 4.10 Giả sử u H B7 nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T7 div Au divf B7 với A A B5 dx B B5 x B : u N12 B1 B1 Cho k số nguyên dương 1 10 Khi đó, ta có: n x B : u N x B : f N x B : u 1 k i 1 i 2k 2 2 k i k 53 4.2 Tính quy nghiệm Đầu tiên ta cần tồn nghiệm yếu Định lý 4.11 Phương trình (4.1) có nghiệm yếu sai khác số Chứng minh Ta chứng minh Bổ đề Lax-Milgram Trước hết, ta định nghĩa dạng song tuyến: u, v Au. dx u, v H H : dx 0 Khi đó, tồn số , >0 cho: u , v u u H 1 H 1 v H 1 u, v H u , v u H Vậy f ,v fvdx, v H hàm tuyến tính bị chặn H Ta dùng Bổ đề Lax-Milgram để tìm hàm u H thỏa mãn: u , v f ,v , v H Khi đó, ta kết luận u nghiệm yếu (4.1) Thật vậy, với H ,ta có: Au. dx Au. dx u , f , f dx f dx Hoàn thành chứng minh Định lý 4.12 [1] Cho p số thực với p Tồn p nhỏ cho với A thỏa 54 B5 B5 A AB5 dx ; f thỏa f Lp B7 ; R n Nếu u nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann T7 div Au divf B7 u thuộc Lp B1 với đánh giá u dx C p B1 B7 u f dx , p p đó, số C độc lập với u f Cuối cùng, ta có định lý chương Định lý 4.13 [1] Cho số thực p với p Tồn p cho với A thỏa ABMO L elliptic đều; với thỏa : ,1 Lipschitz , với f thỏa f Lp ; R n Nếu u nghiệm yếu với điều kiện biên Neumann div Au divf , u W1, p với đánh giá u Lp C u đó, số C độc lập với u f Chứng minh Lp f Lp , 55 Trường hợp p suy từ Định lý 4.11 Trường hợp p suy từ Định lý 4.12 đánh giá phần (xem Chương 2) với phép đổi biến, vị tự,… Trường hợp p có ta lấy đối ngẫu 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Luận văn trình bày cách chi tiết đánh giá tính quy nghiệm lớp phương trình đạo hàm riêng có dạng divergence với hệ số khơng liên tục, cụ thể phương trình với ma trận hệ số có nửa chuẩn BMO nhỏ Đồng thời đạt mục tiêu tìm hiểu việc khảo sát tính quy nghiệm phương trình dạng divergence đạt được: Mục tiêu thứ nhất: Tìm hiểu kỹ thuật quy nghiệm sử dụng Bổ đề phủ Vitali Byun Mục tiêu thứ hai: Tìm hiểu kết tính quy nghiệm cho phương trình elliptic dạng divergence với hệ số khơng liên tục có chuẩn BMO nhỏ Tuy nhiên, mục tiêu thứ ba: Định hướng quy nghiệm cho phương trình Stokes, chưa đạt thời gian chưa cho phép Tác giả mong muốn sau nghiên cứu thêm để hoàn thiện đề tài mà theo đuổi 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Sun-Sig Byun (May 2003) Optimal W 1,p Regularity Theory Of Elliptic And Parabolic Equations University of Iowa, Iowa city, Iowa [2] L A Caffareli and X Cabre (1995) Fully nonlinear elliptic equations, volume 43 of American Mathermatical Society Colloquium Publication American Mathermatical Society, Providence, RI [3] L A Caffareli and I Peral (1998) On W1,p estimaties for elliptic equations in divergence form Comm Pure Appl Math, 51(1):1-21 [4] G Di Fazio (1996) Lp estimates for divergence form elliptic equations with discontinuous coefficients Boll Un Mat Ital A(7), 10(2): 409-420 [5] F John and L Nirenberg (1961) On function of Bounded mean oscillation Comm Pure Appl Math, 14:415-426 [6] Juba Kinnunen and Shulin Zhou (1999) A local estimates for nonlinear equations with discontinuous coefficients Comm Partial Differential Equations, 24:2043-2068 [7] Norman G Meyers (1963) An Lp estimate for the gradient of solutions of second order elliptic divergence equations Ann Scuola Norm Sup Pisa(3), 17:189-206 [8] Lihe Wang A geometric approach to the Calderon-Zygmund estimates Acta Mathematica Sinica, 2:381-396, 2003 Enghlish Series [9] D S Jerison, C.E Kenig (1981) The Neumann problem on Lipschitz domains Bull Amer Math Soc, 4:203-207 ... sát số đánh giá tính quy nghiệm lớp phương trình đạo hàm riêng có dạng divergence với hệ số khơng liên tục Cụ thể khảo sát tính quy nghiệm phương trình elliptic với ma trận hệ số có nửa chuẩn BMO. .. Giải Tích với đề tài: ? ?Tính quy nghiệm phương trình elliptic với hệ số BMO? ?? thực nhìn nhận tìm hiểu thân tơi Trong q trình nghiên cứu thực luận văn, thừa kế kết báo, luận văn nhà khoa học với trân... compact 1 MỞ ĐẦU Bài tốn tính quy nghiệm phương trình đạo hàm riêng nhà khoa học quan tâm nghiên cứu nhiều năm Gần số kết tốn cho phương trình với hệ số BMO nghiên cứu phương pháp sử dụng Bổ đề