一类椭圆问题的全局Hölder估计

田润蓁 ,  佟玉霞

山西大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 48 ›› Issue (6) : 1119 -1131.

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山西大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 48 ›› Issue (6) : 1119 -1131. DOI: 10.13451/j.sxu.ns.2024018
基础数学与应用数学

一类椭圆问题的全局Hölder估计

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Global Hölder Estimates for a Class of Elliptic Problems

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摘要

文章主要考虑一类椭圆方程Dirichlet边值问题的弱解的全局Hölder估计。文章首先证明了全局高阶可积性,再给出证明主要结论的几个引理,通过建立适合的比较估计,利用Young不等式、Hölder不等式等技巧,以及覆盖迭代讨论,获得了一类椭圆方程Dirichlet边值问题的弱解的全局Hölder估计。

Abstract

The global Hölder estimate of weak solutions for a class of Dirichlet boundary value problems of elliptic equations was considered. This article first proves the global higher order integrability, and then gives several lemmas that prove the main conclusions. By establishing suitable comparative estimates and using processing tools such as the Young inequality and the Hölder inequality, the global Hölder estimate of weak solutions for a class of Dirichlet boundary value problems of elliptic equations was obtained through covering iterative discussions.

关键词

边值问题 / 弱解 / Hölder估计

Key words

boundary value problem / weak solution / Hölder estimate

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田润蓁,佟玉霞. 一类椭圆问题的全局Hölder估计[J]. 山西大学学报(自然科学版), 2025, 48(6): 1119-1131 DOI:10.13451/j.sxu.ns.2024018

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具有非标准增长条件的偏微分方程和变分问题源自弹性力学、电流变流体动力学[1-3]和图像处理[4-5],在近年来引起了许多专家学者的关注。Acerbi和Mingione[1]研究了具有px增长条件的积分泛函

ℱu,Ω≔∫Ωfx,∇udx, zpx≤fx,z≤L1+zpx

的极小化的C1,α正则性,其中px满足Hölder连续的条件。它的一个特例就是Zhikov-Kozlov-Oleinik在研究均匀化问题[6]时首次引入的一种积分泛函ℱu,Ω≔∫Ωμ2+Du2px/2dx。它为各种数学物理问题提供变分模型。Rajagopal和Růžička[2-3]详细阐述了一种电流变液的模型,其稳态情况下的模型为

-div Sx,εv=gx,v,Dv,        div v=0,

其中v表示流体速度,εv是梯度Dv的对称部分,附加应力张量S满足具有px增长的单调性条件。此外,对于粘度受温度影响的流体[7],也会出现这种类型的模型。热敏电阻问题的微分系统[7-9]包含的方程-divpxDupx-2Du=0的解在u=0时对应于ℱ的极小值。关于变指数Lebesgue空间和Sobolev空间的一般理论及其相关应用,可参考文献[10-13]。

设Ω为Rn中具有C1,γ边界的有界区域,γ≥1,n≥2。本文考虑具有可变指数的px-Laplace方程

div Ax,∇u=divfpx-2f,     x∈Ω,

其Dirichlet边界条件为

u=u0,   x∈∂Ω,

这里可变指数px满足

1<γ1=infΩpx≤supΩpx=γ2<∞,

并在Ω¯上Hölder连续,

px∈C0,α1Ω¯,

也就是说,存在正常数L和指数α1∈0,1,使得∀x1,x2∈Ω¯,有px1-px2≤Lx1-x2α1。

f=f1,⋯,fn是给定的向量,满足

fix∈C0,α2Ω¯,     1≤i≤n,

其中常数α2∈0,1。另外,算子A=Ax,ξ:Ω¯×Rn→Rn,对所有ξ,η∈Rn,x,y∈Ω¯,满足如下结构性条件:

Ax,ξ-Ax,η⋅ξ-η≥C1ξ-ηpx,px≥2,C1ξ2+η2p(x)-22ξ-η2,1<p(x)<2,
Ax,ξ≤C21+ξ2px-12,
Ax,ξ⋅ξ≥C3μ2+ξp(x)2-C4,
Ax,ξ-Ay,ξ≤C5x-yα3logμ2+ξ2μ2+ξ2p(x)-12,

其中μ,α3为正常数,Cii=1,2,3,4,5为正常数。

注 特别地,当Ax,ξ=ξpx-2ξ且f=0,(1)即为px-Laplace方程div∇upx-2∇u=0。

本文主要考虑具有可变指数的椭圆问题(1)—(2)的弱解的全局Hölder连续性。关于具有可变指数的椭圆问题的正则性已经有许多结论[14-19]。在Hölder连续性方面,Zhang和Zhou[20]获得了强px-Laplace方程

div∇upx-2∇u+∇upx-2log∇u∇u⋅∇p=0

弱解梯度的局部Hölder连续性;Yao[21]获得了px-Laplace方程

divA∇u⋅∇upx-22A∇u=divfpx-2f

弱解的局部Hölder正则性,并将其推广[22]到方程

div Ax,∇u=divfpx-2f;

近期[23]又获得了带有对数函数的椭圆px-Laplace方程

divA∇u⋅∇upx-22lne+A∇u⋅∇u1/2A∇u=divfpx-2lne+ff

弱解的局部Hölder连续性;佟玉霞等[24]获得了变指数A-调和方程

div Ax,∇u=Bx,∇u

弱解的梯度的局部Hölder连续性。关于椭圆方程的更多研究具体参见文献[25-27]。本文主要考虑具有可变指数的椭圆方程的弱解u∈W1,pxΩ的全局Hölder估计。先证明所给方程的全局高阶可积性,再与参考方程进行比较估计,最后应用覆盖迭代讨论证出全局Hölder估计。首先给出如下定义。

定义1 假设f∈LpxΩ。函数u∈W1,pxΩ称为Dirichlet边值问题(1)—(2)的弱解,若u-u0∈W01,pxΩ,且对任给φ∈W01,pxΩ,有

∫ΩAx,∇u⋅∇φdx=∫Ωfpx-2f⋅∇φdx。

下面是本文的主要结论。

定理1 设Ω为Rn中具有C1,γ边界的有界区域,γ≥1,n≥2。若u∈W1,pxΩ为椭圆方程Dirichlet边值问题(1)—(2)的弱解,满足条件(3)—(9),u0∈C1,γ∂Ω,则存在常数α∈0,1,使得u∈C1,αΩ¯,其中α=β-nκ-λγ11+κγ2,β=α32,κ=βn+α4,α3,α4∈0,1。

1 预备知识和引理

具有可变指数的Lebesgue-Sobolev空间Lp(x)Ω=f:Ω→R| f 可测,且∫Ωfp(x)dx<∞,其上定义范数

fLpxΩ=infλ>0:∫Ωfλpxdx≤1,

此时LpxΩ为Banach空间。W1,p(x)Ω空间定义为W1,p(x)Ω=u∈Lp(x)Ω:∇u∈Lp(x)Ω,其上定义范数uW1,p(x)Ω=uLp(x)Ω+∇uLp(x)Ω,此时W1,pxΩ为Banach空间。

对于任意给定的x0∈Ω¯,常数R>0,开球Bx0,R=x:x-x0<R。Ωx0,R=Bx0,R⋂Ω。为方便记,常数C在下文中不一定相等,仅表示出与C有关的参数。

下面给出边值问题(1)—(2)的高阶可积性结论。

引理1 设Ω为Rn中具有C1,γ边界的有界区域,γ≥1,n≥2。若u∈W1,p(x)Ω为椭圆问题(1)—(2)的弱解,满足条件(3)—(9),u0∈W1,∞Ω,u0W1,∞Ω≤G。则存在正常数σ0<1n,R0<1与n,γ1,γ2,L,αii=1,2,⋯,5,Cii=1,2,⋯,5有关的常数C,使得∇u∈Lpx1+σ0Ω。并且对所有x∈Ω¯,R∈0,R0,σ∈0,σ0,有

∫Ω(x,R)∇up(x)(1+σ)dx≤C∫Ω(x,2R)∇up(x)dx1+σ+C∫Ω(x,2R)1+fp(x)(1+σ)dx。

证明 首先延拓u0使得u0∈W1,∞Rn,u0W1,∞Ω≤G。并且在Rn\Ω上增加定义u=u0。由于px∈C0,α1Ω¯,可延拓px使得px∈C0,α1Rn,且满足

1<γ1=infRnpx≤supRnpx=γ2<∞。

令x0∈∂Ω,考虑球Bx0,2R1,这里假设R1充分小,使得

∫Bx0,2R1∇upxdx≤1, ∫Bx0,2R1∇u0pxdx≤1。

下面证明存在正常数R0≤R1,σ∈0,σ0,σ0∈0,1n和C,使得对所有满足R≤R0的球Bx,R≕BR⊂B2R⊂Bx0,2R1,有

∫BR∇u-∇u0p(x)dx≤C∫B2R∇u-∇u0p(x)1+σdx(1+σ)+C∫BR1+fp(x)dx。

为此需分别考虑下述三种情形:

(1)当B32R⊂Bx0,2R1∩Ω,此时由文献[14]中定理5的证明过程中的结论(见第128页的第11行—14行),有

∫BR∇u-∇u0pxdx≤C∫BR∇upxdx+C∫BR∇u0pxdx≤C∫B2R∇upx1+σdx1+σ+C∫BR1+fp(x)dx+C∫BR∇u0pxdx≤C∫B2R∇u-∇u0px1+σdx1+σ+C∫BR1+fp(x)dx,

这就获得了(12)式。

(2)当B32R⊂Bx0,2R1\Ω,此时(12)式左侧等于零,于是(12)式显然成立。

(3)当B32R⋂∂Ω≠∅,定义

p1=min̲B2Rpx,  p2=max̲B2Rpx。

任给常数σ∈0,1,取R0足够小,满足L4R0α1≤σ。于是有

p2-p1≤L4Rα1≤L4R0α1≤σ。

于是由p2-p1p1≤σp1≤σ,可知p2p1≤1+σ。令截断函数η∈C0∞B2R,0≤η≤1,∇η≤C/R,在BR上η≡1。在定义1中取φ=ηu-u0p2,则

∇φ=p2ηp2-1u-u0∇η+ηp2∇u-u0。

于是由定义1,有

∫Ωp2ηp2-1u-u0Ax,∇u⋅∇ηdx+∫Ωηp2Ax,∇u⋅∇u-u0dx=∫Ωp2ηp2-1u-u0fp(x)-2f⋅∇ηdx+∫Ωηp2fp(x)-2f⋅∇u-u0dx ,

从而

∫B2Rηp2Ax,∇u⋅∇udx≤p2∫B2Rηp2-1u-u0Ax,∇u∇ηdx+∫B2Rηp2Ax,∇u⋅∇u0dx+p2∫B2Rηp2-1u-u0fp(x)-1∇ηdx+∫B2Rηp2fp(x)-2f⋅∇u-u0dx。

下面分别估计上式两侧的积分。由条件(8),

∫B2Rηp2Ax,∇u⋅∇udx≥C3∫B2Rηp2μ2+∇u2px2dx-C4∫B2Rηp2dx≥C3∫B2Rηp2∇upxdx-C4∫B2Rηp2dx。

由条件(7)和Young不等式,并注意到∇η≤C/R,且px≥p2p2-1px-1,于是有

p2∫B2Rηp2-1u-u0Ax,∇u∇ηdx≤Cp2∫B2Rηp2-11+∇upx-1u-u0Rdx≤Cp2τ∫B2Rηp21+∇upx-1p2p2-1dx+Cτp2∫B2Ru-u0Rp2dx≤Cp2τ∫B2Rηp2∇upx+1dx+Cτp2∫B2Ru-u0Rp2dx≤Cp2τ∫B2Rηp2∇upxdx+Cτ∫B2Ru-u0Rp2dx+CBR。

由条件(7)和Young不等式,

∫B2Rηp2Ax,∇u⋅∇u0dx≤C2∫B2Rηp21+∇upx-1∇u0dx≤C2∫B2Rηp2∇u0dx+C2τ∫B2Rηp2∇upxdx+Cτ∫B2Rηp2∇u0pxdx≤C2τ∫B2Rηp2∇upxdx+CτBR。

由∇η≤C/R和Young不等式,有

p2∫B2Rηp2-1u-u0fpx-1∇ηdx≤Cp2∫B2Rηp2-1fpx-1u-u0Rdx≤Cp2τ∫B2Rηp2fp2p2-1px-1dx+Cτ∫B2Ru-u0Rp2dx≤Cp2τ∫B2Rηp2fpx+1dx+Cτ∫B2Ru-u0Rp2dx≤Cp2τ∫B2Rfpxdx+Cτ∫B2Ru-u0Rp2dx+CBR。

由Young不等式,有

∫B2Rηp2fpx-2f⋅∇u-u0dx≤∫B2Rηp2fpx-1∇u-∇u0dx≤Cτ∫B2Rηp2fpxdx+τ∫B2Rηp2∇u-∇u0pxdx≤Cτ∫B2Rfpxdx+τ∫B2Rηp2∇upxdx+τ∫B2Rηp2∇u0pxdx≤Cτ∫B2Rfpxdx+τ∫B2Rηp2∇upxdx+CBR。

联立(16)式—(21)式,可得

C3∫B2Rηp2∇upxdx≤Cp2+C2+1τ∫B2Rηp2∇upxdx+Cτ∫B2Ru-u0Rp2dx+Cτ∫B2Rfpxdx+CBR。

利用截断函数η的定义,并取τ=C32Cp2+C2+1,即取τ足够小,使得Cp2+C2+1τ<C3,从而有

∫BR∇upxdx≤C∫B2Ru-u0Rp2dx+C∫B2Rfpxdx+CBR。

注意到∂Ω为C1,γ边界,利用Sobolev-Poincaré不等式,将上式中含u-u0的积分用∇u-u0来估计,并注意到p2>p1>p11+σ,于是有

∫BR∇upxdx≤C∫B2R∇u-∇u0p11+σdx1+σp2p1+C∫B2Rfpxdx+C≤C∫B2R∇up11+σdx1+σp2p1+C∫B2Rfpxdx+C。

又因为p2-p1≤L4Rα1,从而1+σp2p1≤1+σL4Rα1p1+1+σ,并利用p11+σ≤px1+σ和p2p1≤1+σ,由上式可得

∫BR∇upxdx≤C∫B2R∇upx1+σdx1+σp2p1+C∫B2Rfpxdx+C≤C∫B2R∇upx1+σdx1+σL4Rα1p1+1∫B2R∇upx1+σdx1+σ+C∫B2Rfpxdx+C=C2R-n1+σL4Rα1p1∫B2R∇upx1+σdx1+σL4Rα1p1+1∫B2R∇upx1+σdx1+σ+C∫B2Rfpxdx+C≤C2R-4Rα1n1+σLγ1∫B2R1+∇upxdx1+σ4LR0α1γ1+1∫B2R∇upx1+σdx1+σ+C∫B2Rfpxdx+C≤C∫B2R∇upx1+σdx1+σ+C∫B2Rfpxdx+C ,

这里使用了∫Bx0,2R1∇upxdx≤1,并利用了当0<R≤R0<1时2R-4Rα1≤C。于是有

∫BR∇u-∇u0pxdx≤C∫BR∇upxdx+C∫BR∇u0pxdx≤∫B2R∇upx1+σdx1+σ+C∫B2Rfpxdx+C≤C∫B2R∇u-∇u0px1+σdx1+σ+C∫B2Rfpxdx+C ,

这就获得了(12)式。

由Gehring引理,(12)式暗示了存在σ0>0使得∇u-∇u0∈Llocpx1+σ0Bx0,2R1,且有

∫BR∇u-∇u0px1+σdx11+σ≤C∫B2R∇u-∇u0pxdx+C∫B2Rfpx1+σdx11+σ+C,

这里正常数R0≤R1,σ∈0,σ0,σ0∈0,1n,Bx,R≕BR⊂B2R⊂Bx0,2R1。

令x∈Bx0,R1⋂Ω¯,R≤R0,Bx,2R⊂Bx0,2R1。于是,注意到对常数ε∈0,1,εBx,R≤Ωx,R≤Bx,R且u0∈W1,∞Ω,由(27)式可得(12)式。由Ω¯的紧性,可知引理1的结论是正确的。

注1 由引理1的证明易知,条件u0∈W1,∞Ω可以减弱为

u0∈W1,px1+σ1Ω⋂C0,γ∂Ω。

令ΩR=Ωx,R=Bx,R∩Ω,Ω¯R=Ω¯x,R=Bx,R⋂Ω¯。令x0∈∂Ω。令R1足够小,使得∫Ωx0,2R1∇upxdx≤1,且对任给x,y∈Ωx0,2R1,有

px-py≤C1x-yα1≤C14R1α1≤σ0γ1σ0+2,

其中σ0为引理1中的正常数。

令xc∈Ω¯x0,2R1,Ωxc,R=ΩR⊂Ω2R⊂Ωx0,2R1。

定义p*R=supΩ2Rpx,令x*∈Ω2R¯满足px*=p*R=p*。定义A¯η=Ax*,η,考虑边值问题

div A¯∇v=0,x∈ΩR,v=u,x∈∂ΩR。

由于divfx*p*-2fx*=0,故不妨将边值问题(29)写作

div A¯∇v=divfx*p*-2fx*,x∈ΩR,v=u,x∈∂ΩR。

下面的结论取自文献[28],是证明定理1的基础。

引理2[16,28] 设Ω为Rn中具有C1,γ边界的有界区域,u∈C1,γ∂Ω。椭圆问题(30)存在唯一解v,满足v∈C1,α4Ω¯R/2,且有

supΩR/2∇vp*≤c1R-n∫ΩR∇vp*dx+Gp*,
oscΩρ∇v≤c2ρRα4supΩR/2∇v+GRγ,    0<ρ<R2,
∫ΩR∇vp*dx≤c3∫ΩR1+∇up*dx,
supΩRu-v≤oscΩRu。

这里α4∈0,1,c1,c2,c3为正常数,仅与p*,n,Cii=1,2,⋯,4,γ有关。

引理3 若u为椭圆问题(1)—(2)满足条件(3)—(9)的弱解,v是(30)的弱解,则存在仅依赖于n,γ1,γ2,α1,α2,α3,σ0的正常数β,使得

∫ΩR∇u-∇vp*dx≤CRβ∫Ω2R∇up*+1dx,

其中C与n,γ1,γ2,α1,α2,α3,Cii=1,2,⋯,5有关。

证明 若u为椭圆问题(1)—(2)满足条件(3)—(9)的弱解,v是(30)的弱解,在弱解的定义中取试验函数φ=u-v,有

∫ΩRAx,∇u⋅∇u-vdx=∫ΩRfxpx-2fx⋅∇u-vdx,
∫ΩRA¯∇v⋅∇u-vdx=∫ΩRfx*p*-2fx*⋅∇u-vdx,

于是有

∫ΩRA¯∇u-A¯∇v⋅∇u-vdx=∫ΩRA¯∇u⋅∇u-vdx-∫ΩRfx*p*-2fx*⋅∇u-vdx=∫ΩRA¯∇u-Ax,∇u⋅∇u-vdx+∫ΩRfxpx-2fx-fx*px-2fx*⋅∇u-vdx+∫ΩRfx*px-2fx*-fx*p*-2fx*⋅∇u-vdx 。

记上式为

I=I1+I2+I3。

估计I1:由(9)式,结合使用带τ的Young不等式和(33)式,对∀δ>0,有

I1=∫ΩRA¯∇u-Ax,∇u⋅∇u-vdx≤C5∫ΩRx-x*α3logμ2+∇u2μ2+∇u2px-12∇u-vdx≤CRα3∫ΩR1+∇up*-1+δ∇u-vdx≤CτRα3∫ΩR∇u-∇vp*dx+CRα3τ∫ΩR1+∇up*-1+δp*p*-1dx≤CτRα3∫ΩR1+∇up*dx+CRα3τ∫ΩR1+∇up*-1+δp*p*-1dx 。

因p*≔infΩ2Rpx≥γ1>1,由(28)式有

p*=p*+p*-p*≤p*+σ0γ1σ0+2,

于是有

p*≤p*1+σ02≤p*+σ0γ1σ0+21+σ02≤p*1+σ0≤px1+σ0。

令δ满足0<δ<σ0γ1-12,于是有

p*-1+δp*p*-1=p*1+δp*-1≤p*1+δγ1-1≤p*1+σ02≤px1+σ0。

由式(39)和式(42),可得

I1≤CτRα3∫ΩR1+∇up*dx+CRα3τ∫ΩR1+∇upx1+σ0dx。

由引理1,并注意到fi⊂C0,α2Ω¯,于是有

∫ΩR∇upx1+σ0dx≤C∫Ω2R∇upxdx1+σ0+C。

注意到∂Ω为C1,γ边界,且R1的选取足够小,使得∫Ωx0,2R1∇upxdx≤1,于是有

∫ΩR∇upx1+σ0dx≤C∫Ω2R∇upxdx1+σ0+C=C∫Ω2R∇upxdxσ0∫Ω2R∇upxdx+C=CΩ2Rσ0∫ΩR∇upxdxσ0∫Ω2R∇upxdx+C≤CΩ2Rσ0∫Ω2R∇upxdx+C≤CR-nσ0∫Ω2R∇upxdx+C≤CR-nσ0∫Ω2R1+∇up*dx+C。

即

∫ΩR∇upx1+σ0dx≤CR-nσ0∫Ω2R1+∇up*dx+CRn。

于是将上式代入(43)式,可得

I1≤CτRα3∫Ω2R1+∇up*dx+CRα3-nσ0τ∫Ω2R1+∇up*dx+CRn+α3τ。

估计I2:分两种情况。当px≥2,使用基本不等式

ξp-2ξ-ηp-2η≤Cξ+ηp-2ξ-η,       ∀p≥2,ξ,η∈Rn,C=Cp,

和Young不等式,以及(33)式,并注意到fi⊂C0,α2Ω¯,于是有

I2=∫ΩRfxpx-2fx-fx*px-2fx*⋅∇u-vdx≤∫ΩRfxpx-2fx-fx*px-2fx*∇u-vdx≤C∫ΩRfx+fx*px-2fx-fx*∇u-vdx≤CRα2∫ΩR∇u-∇vdx≤CRα2τ∫ΩR∇u-∇vp*dx+CτRα2∫ΩR1dx≤CRα2τ∫Ω2R1+∇up*dx+CτRn+α2。

当1<px<2,使用基本不等式

ξp-2ξ-ηp-2η≤Cξ-ηp-1,       ∀p∈1,2,ξ,η∈Rn,C=Cp,

和Young不等式,以及(33)式,并注意到fi⊂C0,α2Ω¯,于是有

I2=∫ΩRfxpx-2fx-fx*px-2fx*⋅∇u-vdx≤C∫ΩRfx-fx*px-1∇u-vdx≤C∫ΩRRα2px-1∇u-∇vdx≤CRα2γ1-1∫ΩR∇u-∇vdx≤CRα2γ1-1τ∫ΩR∇u-∇vp*dx+CτRα2γ1-1∫ΩR1dx≤CRα2γ1-1τ∫Ω2R1+∇up*dx+CτRn+α2γ1-1。

估计I3:使用中值定理,Young不等式,以及(33)式,并注意到px∈C0,α1Ω¯和fi⊂C0,α2Ω¯,有

I3=∫ΩRfx*px-2fx*-fx*p*-2fx*⋅∇u-vdx≤∫ΩRfx*px-2-fx*p*-2fx*∇u-vdx≤C∫ΩRpx-p*1+fx*p*-1lnfx*∇u-∇vdx≤CRα1∫ΩR∇u-∇vdx≤CRα1τ∫ΩR∇u-∇vp*dx+CτRα1∫ΩR1dx≤CRα1τ∫Ω2R1+∇up*dx+CτRn+α1。

联立式(47)—式(50),可得

I≤CRα3+Rα3-nσ0τ+Rα2τ+Rα2γ1-1τ+Rα1τ∫Ω2R1+∇up*dx+CRn+α3τ+Rn+α2+Rn+α2γ1-1+Rn+α1。

令τ=R<1,注意到σ0<1n,故α3-nσ0+1>α3,从而Rα3-nσ0τ=Rα3-nσ0+1<Rα3。取β˜≔minα3,α2+1,α2γ1-1+1,α1+1,则上式即为

I≤CRβ˜∫Ω2R1+∇up*dx。

当p*≥2时,由(6)式可知

I=∫ΩRA¯∇u-A¯∇v⋅∇u-vdx≥C1∫ΩR∇u-∇vp*dx。

于是由(52)式和(53)式,可得引理3的结论。当1<p*<2时,由(6)式可知

I=∫ΩRA¯∇u-A¯∇v⋅∇u-vdx≥C1∫ΩR∇u2+∇v2p*-22∇u-∇v2dx。

于是结合上式和Hölder不等式,并利用(33)式,可得

∫ΩR∇u-∇vp*dx=∫ΩR∇u2+∇v2p*-24∇u-∇v∇u2+∇v22-p*4∇u-∇vp*-1dx≤∫ΩR∇u2+∇v2p*-22∇u-∇v2dx12∫ΩR∇u2+∇v22-p*2∇u-∇v2p*-2dx12≤IC112∫ΩR∇u2+∇v2p*2dx12≤CI12∫ΩR1+∇up*dx12。

上式代入(52)式,可得

∫ΩR∇u-∇vp*dx≤CRβ˜∫Ω2R1+∇up*dx12∫ΩR1+∇up*dx12≤CRβ˜/2∫Ω2R1+∇up*dx 。

令β=β˜/2即可。引理3证毕。

引理4 令Bx0,2R1如上定义。若u为(1)—(2)满足条件(3)—(9)的弱解,则对任给λ∈0,n,存在正常数Rλ<R1/16和仅与n,γ1,γ2,α1,α2,α3,λ有关的正常数C,使得∀xc∈Ω¯x0,R1/2,∀ρ:0<ρ<Rλ,有

∫Ωxc,ρ∇up*ρdx≤Cρ-λ,

其中p*ρ=supΩxc,ρpx。

证明 令xc∈Ω¯x0,R1/2和ρ<R1/16,令R>0满足Ωxc,ρ=Ωρ⊂ΩR/2⊂Ω8R⊂Ωx0,2R1。若v为式(30)的弱解,则由式(31)和式(33),有

∫Ωρ∇up*ρdx≤C∫Ωρ∇u-∇vp*ρdx+C∫Ωρ∇vp*ρdx≤C∫ΩR1+∇u-∇vp*Rdx+C∫Ωρ1+∇vp*Rdx≤CRn+CRβ∫Ω2R∇up*+1dx+Cρn+CΩρc1R-n∫ΩR∇vp*dx+Gp*≤CRn+CRβ∫Ω2R∇up*+1dx+Cρn+CρRn∫Ω2R∇up*+1dx≤CRβ+ρRn∫Ω2R∇up*+1dx+CRn。

于是由覆盖迭代讨论(见文献[1]引理3.2)和类似(46)式的估计,对每个λ∈0,n,存在正常数Rλ<R1/16和C>0,有

∫Ωρ∇up*ρdx≤Cρ-λ。

2 主要结论的证明

定理1的证明 令2ρ<R<2R<Rλ,且Ωxc,ρ=Ωρ⊂ΩR/2⊂Ω32R⊂Ωx0,2R1。令v是问题(30)的唯一解,由式(31)—式(33)可得

∫Ωρ∇v-∇vΩρp*dx≤CρRα4∫ΩρsupΩR/2∇vp*+Gp*Rγp*dx≤CρRα4R-n∫ΩR∇vp*+Gp*dx≤CρRα4∫ΩR1+∇vp*dx≤CρRα4∫ΩR1+∇up*dx 。

根据引理3,式(60)和引理4可得

∫Ωρ∇u-∇uΩρp*dx≤C∫Ωρ∇u-∇vΩρp*dx≤C∫Ωρ∇u-∇vp*dx+C∫Ωρ∇v-∇vΩρp*dx≤CRβ∫Ω2R∇up*+1dx+CρRα4ρn∫ΩR1+∇up*dx≤CRn+β∫Ω2R∇up*dx+CRn+β+CρRα4ρnR-λ+CρRα4ρn≤CRn+β-λ+CRn+β+CρRα4ρnR-λ+CρRα4ρn。

令ρ=R1+κ2,其中κ=βn+α4>0,α4∈0,1是引理2中的常数,于是有ρRα4ρn<Rn+β。注意到R<1,则上述不等式右侧的R有相同的指数n+β-λ,

∫Ωρ∇u-∇uΩρp*dx≤CRn+β-λ+CRn+β+CRn+β-λ+CRn+β≤CRn+β-λ≤Cρn+β-λ1+κ=Cρn+β-nμ-λ1+κ。

令λ=βα42n+α4>0,则有β-nμ-λ>0。上式即为

∫Ωρ∇u-∇uΩρp*dx≤Cρβ-nμ-λ1+κ。

最后,由Hölder不等式可得

∫Ωρ∇u-∇uΩργ1dx1γ1≤∫Ωρ∇u-∇uΩρp*dx1p*∫Ωρ1dxp*-γ1p*γ1≤Cρβ-nκ-λ1+κp2,

即

∫Ωρ∇u-∇uΩργ1dx≤Cρβ-nκ-λγ11+κγ2=Cρα,

其中α=β-nκ-λγ11+κγ2∈0,1。定理1证毕。

3 结论

本文主要将Yao在文献[22]中建立的局部Hölder连续性,使用Acerbi和Mingione在文献[14]中建立逆Hölder不等式的方法,并利用比较估计和迭代法等技巧,获得了变指数px-Laplace方程

div Ax,∇u=divfpx-2f,     x∈Ω,

在Dirichlet边界条件

u=u0,x∈∂Ω

下,弱解的全局Hölder估计,其中算子A=Ax,ξ满足文章要求的结构性条件。

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