源于Capillarity方程与毛细现象等实际问题密切相关, 所以对这类问题的研究活跃在数学领域.针对Capillarity方程解的存在性及其特征值问题的研究, 常见的方法是山路原理和极大极小原理.近期, 在文[1-2]中, 作者提出了新方法-利用极大单调算子和$m$增生映射的值域理论展开了对这类问题的研究.具体地, 2013年, 作者在文[1]中给出了以下具Neumann边值条件的Capillarity方程在$W^{1, p}(\Omega)$空间中存在解的充分条件
其主要研究思路是首先建立具Neumann边值条件的Capillarity方程和具Dirichlet边值条件的Capillarity方程之间的关系; 然后将边值条件转化为非线性极大单调算子之和的形式; 最后利用Reich [3]提出的极大单调算子值域几乎相等的结论进行讨论.
2012年, 作者在文[2]中利用Calvert-Gupta [4]提出的$m$增生映射值域的扰动结论研究了以下具Neumann边值条件的Capillarity方程在$L^{p}(\Omega)$空间中存在解的结论
其主要研究思路是将边值条件和非线性方程揉合在一起定义所需的$m$增生映射.
当某个实际问题需要用多个Capillarity方程来研究的时候, 就引出了研究Capillarity系统的问题.本文分为两部分.第一部分是引言和预备知识, 第二部分给出一类Capillarity系统存在非平凡解的充分条件.本质上将对Capillarity方程的研究推广到了方程组的情形, 并采用了不同于文[1, 2]的方法.
下面介绍预备知识.
设$E$为实Banach空间, $E^*$为其对偶空间.正规对偶映射$J: E \rightarrow 2^{E^*}$定义为$ J(x)=\{x^*\in E^* : \langle x, x^*\rangle=\|x\|^2=\|x^*\|^2\}, \forall x \in E, $其中$\langle \cdot, \cdot\rangle$表示$E$与$E^*$元素间的广义对偶对.众所周知, 当$E$为实严格凸Banach空间时, 正规对偶映射为单值映射.为方便起见, 仍用J表示单值正规对偶映射.
称多值算子$B: E \rightarrow 2^{E^*}$为单调算子[5]:若$ \forall x_{i} \in D(B), y_{i}\in Bx_{i}, i =1, 2, $均有
若(1.3) 式中等号成立的充要条件是$x_1 = x_2, $则称$B$为严格单调算子.称算子$B$为极大单调算子:若$B$单调且$\forall r > 0, R(J+rB) = E^*$.
称多值映射$A:E \rightarrow 2^E$为增生映射[6]:若$\langle v_{1}-v_{2}, j(u_{1}-u_{2})\rangle\ge 0, $ $\forall u_{i} \in D(A)$和$v_{i} \in Au_{i}, \, i=1, 2$, 这里$j(u-v) \in J(u-v).$称增生映射$A$为$m$增生的:若$R(I+\lambda A) = E, $ $\forall \lambda>0.$
设$E_1$和$E_2$均为实Banach空间.映射$C : E_1 \rightarrow E_2$称为有界映射:若$C$将$E_1$中的有界子集映射成$E_2$中的有界子集.映射$C : E_1 \rightarrow E_2$称为紧映射:若$C$连续且将$E_1$中的有界子集映射成$E_2$中的相对紧集.
称函数$\Phi : E \rightarrow (-\infty, +\infty]$为正则凸函数[6]:若存在$u_0 \in E$使得$\Phi(u_0) <+\infty$且$\Phi((1-\lambda)u + \lambda v)\leq (1-\lambda)\Phi(u)+\lambda \Phi(v), $ $\forall u, v \in E$及$\lambda \in [0, 1].$称函数$\Phi : E \rightarrow (-\infty, +\infty]$是下半连续函数:若$\lim\limits_{y \rightarrow x}\inf\Phi(y) \geq \Phi(x), $$\forall x\in E.$对$E$上定义的正则凸函数$\Phi$, 其次微分$\partial \Phi : E \rightarrow E^* $定义为$\forall u \in E, $
设$E_1$和$E_2$为实Banach空间.则记号“$E_1 \hookrightarrow \hookrightarrow E_2$”表示空间$E_1$紧嵌入到$E_2$.
定义1.1 [5] 设$N$为正整数, $\Omega$为$R^N$中有界开集, 称$g:\Omega \times R^N \rightarrow R $满足Caratheodory条件, 如果
(ⅰ) $g(x, \cdot ): R^{N} \rightarrow R$连续a.e. $x \in \Omega$;
(ⅱ) 映射$g(\cdot, r ): \Omega \rightarrow R$可测, $\forall r \in R^N$.
引理1.1[7] 设$X_1$, $X_2, \cdots, X_M$为实Banach空间, 则$X_1 \times X_2\times \cdots \times X_M$定义为
$\forall (x_1, x_2, \cdots, x_M), (y_1, y_2, \cdots, y_M) \in X_1 \times X_2\times \cdots\times X_M, $定义
则$X_1 \times X_2\times \cdots \times X_M$成为线性空间.特别地, 当定义如下范数
时, $X_1 \times X_2 \times \cdots\times X_M$为实Banach空间且$(X_1 \times X_2 \times \cdots\times X_M)^{*} = X_1^{*} \times X_2^{*}\times \cdots \times X_M^{*}.$
引理1.2[5] 若$\Phi : E \rightarrow (-\infty, \infty]$为正则凸、下半连续函数, 则$\partial \Phi : E \rightarrow 2^{E^*}$极大单调.
引理1.3[4] 令$\Omega$为$R^{N}$中的有界区域, 令$J_{p}:L^{p}(\Omega)\rightarrow L^{p'}(\Omega)$表示正规对偶映射.则当$ 1 < p <+\infty$时,
这里$\frac{1}{p}+\frac{1}{p'}=1.$
引理1.4[8] 令$ \Omega$为$R^{N}$中的有界锥形区域.若$mp>N, $则$W^{m, p}(\Omega)\hookrightarrow \hookrightarrow C_{B}(\Omega);$若$ 0 < mp\leq N $且$ q_{0}= \frac{Np}{N-mp}, $则$ W^{m, p}(\Omega)\hookrightarrow\hookrightarrow L^{q}(\Omega), $其中$1 \leq q < q_{0}.$
定理1.1[9] 令$E$为实Banach空间, $A: E \rightarrow 2^E$为$m$增生映射且$(I+A)^{-1}: E \rightarrow E$为紧映射.令$C: D(A) \subset E \rightarrow E$为有界映射且存在$\lambda \in (0, 1]$使得$C(I+\lambda A)^{-1}: E \rightarrow E$为紧映射.假设$p \in E$且存在正常数$b, r$和$z \in D(A) : \|z\| < b$满足
$\forall x \in D(A): \|x\|\geq r, $ $\forall y \in Ax, $其中$j(x-z) \in J(x-z)$, 那么$ p \in R(A+C).$
本文研究以下Capillarity系统
在(2.1) 式中, $\Omega$是$R^{N}$$ (N \geq 1)$中有界锥形区域且其边界$\Gamma\in C^{1}$ (见文献[10]); $\varepsilon_i \in R^+\bigcup \{0\}, $ $\lambda_i \in R^+, $ $i = 1, 2, \cdots, M;$ $\vartheta$表示$\Gamma$的外法向导数; $|\cdot|$表示$R^{N}$中的范数; $\langle\cdot, \cdot \rangle$表示$R^N$中的内积.
$g_i:\Omega\times R^N \times R \rightarrow R$为满足Carathéodory条件的给定函数, $i = 1, 2, \cdots, M.$假设它们满足以下增长性条件:存在正常数$b_i$使得
$ \forall(r_1, r_2, \cdots, r_{N+1}), (s_1, s_2, \cdots, s_{N+1})\in R^{N+1}, $ $i = 1, 2, \cdots, M.$
$\beta_{x}$为$\varphi_{x}$的次微分, 即$\beta_x\equiv\partial\varphi_x.$这里$\varphi_{x}= \varphi(x, \cdot):R\rightarrow R, $ $\forall x\in\Gamma, $其中$\varphi:\Gamma\times R\rightarrow R$为给定函数, 见文[11].假设$\forall x\in\Gamma, ~\varphi_{x}: R \rightarrow R$为正则凸、下半连续函数, $\varphi_{x}(0)=0$, $0\in \beta_x(0)$且$\forall t\in R, $函数$x\in\Gamma \rightarrow (I+\lambda \beta_x)^{-1}(t)\in R$可测, $\lambda >0.$
假设对$i = 1, 2, \cdots, M, $ $ \frac{2N}{N+1} < p_i < +\infty;$当$p_i \geq N$时, $1 \leq q_i, r_i < +\infty;$当$p_i < N$时, $1 \leq q_i, r_i \leq \frac{Np_i}{N-p_i}.$进一步假设Green公式成立.
引进如下记号: $Y = L^{p_1}(\Omega)\times L^{p_2}(\Omega)\times \cdots \times L^{p_M}(\Omega).$分别用$\|\cdot\|_{p_i}$和$\|\cdot\|_Y$表示$L^{p_i}(\Omega)$和空间$Y$中的范数.令$ \frac{1}{p_i} + \frac{1}{p'_i} = 1, $ $i = 1, 2, \cdots, M.$
引理2.1 定义$\Phi_{i}:W^{1, p_i}(\Omega)\rightarrow R$为$\forall u\in W^{1, p_i}(\Omega)$,
则
(ⅰ) $\Phi_{i}$是$W^{1, p_i}(\Omega)$上的正则凸、下半连续函数.从而引理1.2蕴含$\partial \Phi_i$是极大单调算子, $i = 1, 2, \cdots, M.$
(ⅱ) $\langle v_i, \partial\Phi_i(u_i)\rangle = \displaystyle\int_\Omega \beta_x(u_i|_\Gamma)v_i|_\Gamma d\Gamma(x), $ $\forall u_i, v_i \in W^{1, p_i}(\Omega), $ $i = 1, 2, \cdots, M.$因此由$0 \in \beta_x(0)$可知$\partial\Phi_i(0)= 0, ~i = 1, 2, \cdots, M.$
(ⅲ) $\langle \psi, \partial\Phi_i(u_i)\rangle = 0, $ $\forall \psi \in C_0^\infty(\Omega).$
证 由类似于文[10]可证结论(ⅰ)和(ⅲ)成立.类似于文[12]可证结论(ⅱ)成立.
引理2.2[2] 定义$B_{i}:W^{1, p_i}(\Omega)\rightarrow (W^{1, p_i}(\Omega))^*$为
$ \forall u, v \in W^{1, p_i}(\Omega).$则$B_{i}$极大单调且严格单调, $i = 1, 2, \cdots, M.$
引理2.3[2] 定义$A_{i}:L^{p_i}(\Omega)\rightarrow L^{p_i}(\Omega)$为$ D(A_{i}) = \{u\in L^{p_i}(\Omega)|$存在$ f \in L^{p_i}(\Omega), $使得$f = B_{i}u+\partial\Phi_{i}(u) \}.$对$ u \in D(A_{i}), $令$ A_{i}u = \{ f \in L^{p_i}(\Omega)|f = B_{i}u + \partial\Phi_{i}(u)\}$, $i = 1, 2, \cdots, M$.则$A_i$是$m$增生映射, $i = 1, 2, \cdots, M$.
命题2.1 定义$ A: Y \rightarrow Y$为
则$A$是$m$增生映射.
证 首先注意当$\frac{2N}{N+1}< p_i < +\infty$时, $L^{p_i}(\Omega)$为严格凸Banach空间, 所以定义在$L^{p_i}(\Omega)$上的正规对偶映射为单值映射, $i =1, 2, \cdots, M$.
若定义$J: Y \rightarrow Y^*$为
$\forall u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)\in Y, $其中$J_{p_i}$表示$L^{p_i}(\Omega)$上的正规对偶映射, $i = 1, 2, \cdots, M, $则$J$为$Y$上的正规对偶映射.
事实上, 因为$J_{p_i}$表示$L^{p_i}(\Omega)$上的正规对偶映射, 所以由乘积空间的性质和正规对偶映射的定义可知
而且
因此$J$为$Y$上的正规对偶映射.
因为$A_i$是增生映射, 所以$\forall u = (u_1, u_2, \cdots, u_M), v = (v_1, v_2, \cdots, v_M) \in Y, $有
因此$A$为增生映射.
$\forall~ \lambda >0$及$\forall v = (v_1, v_2, \cdots, v_M) \in Y, $因$A_i$是$m$增生映射, 故存在$u_i \in L^{p_i}(\Omega)$使得$v_i = u_i + \lambda A_iu_i, $于是$R(I+\lambda A) = Y.$
至此证明了$A$是$m$增生映射.
引理2.4 若$\eta_{\mu}^{(i)}: R \rightarrow R$单调、Lipschitz连续具Lipschitz常数$\frac{1}{\mu}$且$(\eta_{\mu}^{(i)})'$在$R$上除至多有限点外连续, 其中$\mu > 0, $则$\langle \eta_{\mu}^{(i)}(u - v), \partial\Phi_{i}(u)- \partial\Phi_{i}(v)\rangle \geq 0, ~\forall u \in W^{1, p_i}(\Omega), ~ i = 1, 2, \cdots, M.$进一步由引理2.1知$\langle \eta_{\mu}^{(i)}(u), \partial\Phi_{i}(u)\rangle \geq 0, ~\forall u \in W^{1, p_i}(\Omega), ~ i = 1, 2, \cdots, M.$
证 因为$\eta_{\mu}^{(i)}: R \rightarrow R$单调且Lipschitz常数为$\frac{1}{\mu}$, 所以存在$\kappa_x^{(i)} \in [0, 1]$满足
和
由假设条件知$\varphi_x$为凸函数, 从而
利用引理2.1知
由次微分的定义可知
从而
因此结论成立.
题2.2 映射$(I+A)^{-1}: Y \rightarrow Y$为紧映射.
证 若$u + Au = w $且$\{w = (w_1, w_2, \cdots, w_M)\}$在$Y$中有界, 则只需证明$\{u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)\}$在$Y$中相对紧.
事实上, 转化为证明若$u_i + A_iu_i = w_i $且$\{w_i\}$在$L^{p_i}(\Omega)$中有界, 则$\{u_i\}$在$L^{p_i}(\Omega)$中相对紧, $i = 1, 2, \cdots, M.$
将证明分为以下两种情形:
(ⅰ) $p_i \geq 2.$
对$ k > 0, $定义$\delta_{k}^{(i)}: R \rightarrow R$为$\delta_{k}^{(i)}(t) = |(t\bigwedge k)\bigvee (-k)|^{p_i-1}{\rm sgn}t.$则$\delta_{k}^{(i)}$单调、Lipschitz连续、$\delta_{k}^{(i)}(0) = 0$且$(\delta_{k}^{(i)})'$在$R$上除至多有限点外连续.引理2.4蕴含
因此
(2.2) 式蕴含
由(2.3) 式可知
再由(2.3) 和(2.4) 式可知
因$p_i \geq 2, $故$\frac{p_i^2}{2(p_i-1)}\leq p_i.$因此$\{|u_i|^{2-\frac{2}{p_i}}{\rm sgn}u_i\}$在$W^{1, \frac{p_i^2}{2(p_i-1)}} (\Omega)$中有界.利用引理1.4 $\{|u_i|^{2-\frac{2}{p_i}}{\rm sgn}u_i\}$在$L^{p_i}(\Omega)$中相对紧.因为Nemytskii映射$u \in L^{p_i}(\Omega) \rightarrow |u_i|^{\frac{p_i}{2(p_i-1)}}{\rm sgn}u_i \in L^{p_i}(\Omega)$连续, 所以$\{u_i\}$在$L^{p_i}(\Omega)$中相对紧, $i = 1, 2, \cdots, M$.于是$\{u\}$在$Y$中相对紧.至此证明了$(I+A)^{-1}$为紧映射.
(ⅱ)$\frac{2N}{N+1} < p_i < 2.$
为此, 定义$\eta_{n}^{(i)}, \theta_{n}^{(i)}: R\rightarrow R$如下
于是
且$ [\eta_{n}^{(i)}(t)]' = \{[\theta_{n}^{(i)}(t)]'\}^{p_i}, ~~\forall |t|\leq \frac{1}{n}. $因为$\eta_{n}^{(i)}$单调、Lipschitz连续、$\eta_{n}^{(i)}(0) = 0 $且$(\eta_{n}^{(i)})'$在$R$上除至多有限点外连续, 所以引理2.4蕴含$\langle \eta_{n}^{(i)}(u_i), \partial\Phi_{i}(u_i)\rangle\geq 0, $ $u \in W^{1, p_i}(\Omega).$
下面计算
因$w_i = u_i + A_{i}u_i$, 故
于是由$\frac{2N}{N+1}< p_i < 2 $和(2.9) 式可知
再利用(2.9) 式, $ \|{\rm grad}(|u_i|^{2-\frac{2}{p_i}}{\rm sgn}u_i)\|_{p_i}\leq {\rm const}.$从而$\{ |u_i|^{2-\frac{2}{p_i}}{\rm sgn}u_i \}$在$W^{1, p_i}(\Omega)$中有界.
由引理1.4知当$N\geq 2$时,
当$N=1$时,
所以$\{ |u_i|^{2-\frac{2}{p_i}}{\rm sgn}u_i \}$在$ L^{\frac{{p_i}^{2}}{2(p_i-1)}}(\Omega)$中相对紧.又因为Nemytskii映射
连续, 所以$\{u_i\}$在$L^{p_i}(\Omega)$中相对紧.于是$\{u\}$在$Y$中相对紧.至此证明了$(I+A)^{-1}$为紧映射.
命题2.3 定义$C : Y \rightarrow Y$如下
$\forall u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)\in Y, $其中$C_i : L^{p_i}(\Omega)\rightarrow L^{p_i}(\Omega)$为$C_iu_i = \varepsilon_i g_i(x, \nabla u_i, u_i), $ $i = 1, 2, \cdots, M.$则$C : Y \rightarrow Y$连续.
证 由$g_i$的假设条件可知$C_i: L^{p_i}(\Omega)\rightarrow L^{p_i}(\Omega)$有定义且$\forall u_i, v_i \in L^{p_i}(\Omega), $
$i = 1, 2, \cdots, M.$由此可知$C_i$连续, $i = 1, 2, \cdots, M.$从而由乘积空间的性质$C : Y\rightarrow Y$连续.
命题2.4 映射$C(I+A)^{-1}: Y \rightarrow Y$为紧映射.
证 由命题2.2和2.3易知映射$C(I+A)^{-1}: Y \rightarrow Y$为紧映射.
定理2.1 若存在$u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)\in Y$使得对$ f = (f_1, f_2, \cdots, f_M) \in Y$具$f \neq \theta$, 满足
$i = 1, 2, \cdots, M, $这里$\theta$为$Y$中的零元, 则$u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)\in Y$为Capillarity系统(2.1) 的非平凡解.
如果进一步假设$g_i(x, r_1, \cdots, r_{N+1})$关于$r_{N+1}$单调, 即
$\forall x \in \Omega$及$(r_1, \cdots, r_{N+1}), (t_1, \cdots, t_{N+1})\in R^{N+1}, $ $i = 1, 2, \cdots, M, $那么Capillarity系统(2.1) 存在唯一非平凡解.
证 若$ f = (f_1, f_2, \cdots, f_M) \in Y$满足(2.10), 则由命题2.1-2.4知定理1.1的条件被满足.从而$ u = (u_1, u_2, \cdots, u_M) \in Y$满足算子方程$ f = Au + Cu$.
由引理2.3, 命题2.1和命题2.3知$A\theta + C\theta = \theta.$因此由$f \neq \theta$知$u \neq \theta.$因$f = Au +Cu, $故$f_i = B_{i} u_i + \partial \Phi_i(u_i)+C_iu_i, $ $i = 1, 2, \cdots, M.$ $\forall \psi \in C_0^{\infty}(\Omega), $利用引理2.1知
下证$-< \vartheta, (1+\frac{|\nabla u_i|^{p_i}}{\sqrt{1+|\nabla u_i|^{2p_i}}})|\nabla u_i|^{p_i-2}\nabla u_i> \in \beta_{x}(u_i(x)), ~~ x \in \Gamma.$
利用Green公式, $ \forall v_i \in W^{1, p_i}(\Omega)$,
至此证明了$u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)$是(2.1) 式的非平凡解.
最后证明若进一步假设$g_i(x, r_1, \cdots, r_{N+1})$关于$r_{N+1}$单调, 则(2.1) 式的解还是唯一的.
事实上, 只需证明若$f = Au + Cu = A\widehat{u}+C\widehat{u}, $其中$u = (u_1, u_2, \cdots, u_M)$, $\widehat{u}= (\widehat{u_1}, \widehat{u_2}, \cdots, \widehat{u_M})$, 则: $u \equiv \widehat{u}, $即$u_i \equiv \widehat{u_i}, $ $i = 1, 2, \cdots, M.$
在附加条件“$g_i(x, r_1, \cdots, r_{N+1})$关于$r_{N+1}$单调”的假设下, 易知$C_i$单调.利用引理2.1及2.2并注意下式
可知$\langle u_i-\widehat{u_i}, B_{i} u_i - B_{i}\widehat{u_i}\rangle = 0, $ $i = 1, 2, \cdots, M.$因此$u \equiv \widehat{u}.$
推论2.1 当$i \equiv 1$时, Capillarity系统退化成如下Capillarity方程
当$f(x) \in L^p(\Omega)$满足$\displaystyle\int_\Omega [g(x, \nabla u, u)-f]|u|^{p-2}u dx \geq 0$时, (2.11) 式存在非平凡解$u(x) \in L^p(\Omega).$若进一步假设$g_i(x, r_1, \cdots, r_{N+1})$关于$r_{N+1}$单调, 则(2.11) 式存在唯一的非平凡解.
注2.1 文[1]在讨论Capillarity边值问题(1.1) 解的存在性时, 不仅要证明所定义的算子$A$和$L$是极大单调算子, 还需要验证一个很复杂的不等式“$\langle Aw, J^{-1}(L_t(w))\rangle \geq - k_1 \|L_tw\|^2 - k_2\|L_tw\| - k_3, $其中$L_t$为$L$的Yosida逼近”; 文[3]在讨论Capillarity边值问题(1.2) 解的存在性时, 不仅要验证$A$是$m$增生、有界逆紧映射并且满足条件“$\langle Au - f, J(u-a)\rangle \geq C(a, f), $其中$f \in R(A)$且$a \in D(A)$”, 还需要挖掘$A$的值域的特征.
本文采用了不同于文[1, 3]中的证明方法.从某种意义上讲, 研究方法相对简单.