Heisenberg型群是一类Carnot群, 简称为H型群, 其在满足Hörmander条件的向量场理论研究中起着重要作用[1-3].而漂移Laplace算子是一类重要的椭圆算子, 也被称为Witten-Laplace算子, 在几何分析、概率论等研究中发挥着重要作用(参见文献[4-6]).
本文研究具有加权测度的H型群$G$上漂移Laplace算子的特征值估计问题.具体来说, 具有加权测度$d\mu = {e^{ - \varphi }}dv$的$2n+m$维H型群$G$上漂移Laplace算子的形式如下
其中${\Delta _G}$和${\nabla _G}$分别是H型群$G$上的次Laplace算子和梯度算子, $\varphi$为光滑函数.设$\Omega$是H型群$G$上的一个有界区域.考虑如下Dirichlet特征值问题
由文献[7-8]可知, 该算子有离散谱$ 0 < {\lambda _1} \le {\lambda _2} \le \cdot \cdot \cdot \le {\lambda _i} \le \cdot \cdot \cdot \nearrow, $其中每个特征值按照其重数排列.
问题(1.1)包含了几种有趣的特征值问题.由H型群的定义可知:一方面, 当$m = 1$时, H型群即为Heisenberg群.此时, 问题(1.1)变为如下Heisenberg群$H^{n}$上漂移Laplace算子的Dirichlet特征值问题
另一方面, 当$\varphi$为常数时, 问题(1.1)变为如下H型群$G$上的次Laplace算子的Dirichlet特征值问题
因此当$m=1$时, 问题(1.3)进一步变为如下Heisenberg群$H^{n}$上次Laplace算子的Dirichlet特征值问题
随着黎曼流形上微分算子研究的深入, Heisenberg群、H型群上微分算子的特征值估计问题开始被学者们所关注(参见文献[9-10]). 2006年, 韩军强和钮鹏程[11]获得了H型群上次Laplace算子相邻特征值之差的估计; 2015年, 谭沈阳和黄体仁[12]建立了H型群上漂移Laplace算子问题(1.1)的Yang型特征值不等式.
本文的目标是对H型群上漂移Laplace算子的问题(1.1)建立Levitin-Parnovski型特征值不等式.对任意的正整数$j$, Ilias和Makhoul[13]在2012年对Heisenberg群$H^{n}$上次Laplace算子的Dirichlet特征值问题(1.4)建立了如下Levitin-Parnovski型特征值不等式
当$j=1$时, 不等式(1.5)变为$ \sum\limits_{l = 1}^n {{\lambda _{l + 1}}} \le \left({n + 2} \right){\lambda _1}. $这就变为文献[14-15]等所获得类型的低阶特征值估计结果.即用第一特征值给出了从第2个到第$n+1$个特征值之和的上界估计.
在本文中, 首先建立了具有加权测度的H型群上漂移Laplace算子问题(1.1)的一个特征值一般不等式.
定理1 设$\Omega$是具有加权测度$d\mu = {e^{ - \varphi }}dv$的$2n + m$维H型群$G$上的有界区域, $\varphi$是区域$\Omega$闭包$\overset{-}{\Omega}$上的光滑函数, $\lambda_l$是$\Omega$上漂移Laplace算子$- {\Delta _G} + \left\langle {{\nabla _G}\varphi, {\nabla _G}\left(\cdot \right)} \right\rangle $特征值问题(1.1)的第$l$个特征值, $u_l$为对应于$\lambda_l$的单位正交特征函数, 且对应于不同特征值的特征函数相互正交.那么对任意正整数$j$, 有
进而获得了问题(1.1)的如下Levitin-Parnovski型特征值不等式.
定理2 设$\Omega$是具有加权测度$d\mu = {e^{ - \varphi }}dv$的$2n+m$维H型群$G$上的有界区域, $\varphi$是区域$\Omega$闭包$\overset{-}{\Omega}$上的光滑函数, $\lambda_l$为$\Omega$上漂移Laplace算子$- {\Delta _G} + \left\langle {{\nabla _G}\varphi, {\nabla _G}\left(\cdot \right)} \right\rangle $特征值问题(1.1)的第$l$个特征值.如果$\left| {{\nabla _G}\varphi } \right| \le c$, 则对任意正整数$j$, 有
不难看出, (1.7)式对问题(1.2)也成立.即有如下结论.
推论1 设$\Omega$是具有加权测度$d\mu = {e^{ - \varphi }}dv$的$n$维Heisenberg群$H^{n}$上的有界区域, $\varphi$是区域$\Omega$闭包$\overset{-}{\Omega}$上的光滑函数, $\lambda_l$为$\Omega$上漂移Laplace算子$- {\Delta _{{H^n}}} + \left\langle {{\nabla _{{H^n}}}\varphi, {\nabla _{{H^n}}}\left(\cdot \right)} \right\rangle $特征值问题(1.2)的第$l$个特征值.如果$\left| {{\nabla _{{H^n}}}\varphi } \right| \le c$, 则对任意正整数$j$, 有
另外, 当$\varphi$为常数时, 问题(1.1)变为问题(1.3).因此可由定理2得到如下推论.
推论2 设$\Omega$是$2n+m$维H型群$G$上的有界区域, $\lambda_l$为$\Omega$上次Laplace算子${\Delta _G}$特征值问题(1.3)的第$l$个特征值, 则对任意正整数$j$, 有$ \sum\limits_{l = 1}^n {{\lambda _{j + l}}} \le \left({n + 2} \right){\lambda _j}. $
当$m=1$时, 推论2即变为Ilias和Makhoul[13]对Heisenberg群$H^{n}$上次Laplace算子的Dirichlet特征值问题(1.4)所获得结果.因此本文的结果推广并包含了Ilias和Makhoul[13]所获得的结果.
本节给出H型群的一些基本概念与性质.设${U^1}, {U^2}, \cdot \cdot \cdot, {U^{2n}}$是满足下列条件的矩阵
(1) ${U^j}$是$m\times m$阶反对称正交矩阵, $\forall j = 1, 2, \cdot \cdot \cdot, 2n$;
(2) ${U^i}{U^j} + {U^j}{U^i} = 0$, $\forall i, j \in \left\{ {1, 2, \cdot \cdot \cdot, 2n} \right\}$, $i \ne j$.
在$2n+m$维欧氏空间$\mathbb{R}^{n}\times\mathbb{R}^{n}\times\mathbb{R}^{m}$定义如下群运算:
其中$i = 1, 2, \cdot \cdot \cdot, 2n$; $j = 1, 2, \cdot \cdot \cdot, m$, $z = \left({x, y} \right) \in \mathbb{R}^{2n}$, $t\in \mathbb{R}^{m}$, $\left\langle { \cdot, \cdot } \right\rangle $表示欧氏内积.满足这种群运算的$2n+m$维欧氏空间称为H型群, 李代数$g$的基底为
其中${\left({U_{l, j}^{\left(k \right)}} \right)_{2n \times 2n}} = {U^{\left(k \right)}}$.当$m=1$时, H型群即为Heisenberg群. H型群$G$上的次Laplace算子和梯度算子定义为
在定理1的证明过程中, 需要使用Levitin和Parnovski[16]获得的代数恒等式.
引理1 设$M$是一个给定内积$\langle\cdot, \cdot\rangle$的复Hilbert空间, $A:D \subset M \to M$是定义在有界稠密区域$D$上的一个自伴算子, 并且$A$有一组离散谱${\lambda _1} \le {\lambda _2} \le {\lambda _3} \le \cdot \cdot \cdot $.设$\left\{ {{B_l}:A\left(D \right) \to M} \right\}_{l = 1}^N$是由一组对称算子构成的集合, 且满足${B_l}\left(D \right) \subset D$.令$\left\{ {{u_i}} \right\}_{i = 1}^\infty $是算子$A$的正交特征向量构成的集合, $u_i$是第$i$个特征值$\lambda_i$对应的特征向量, 并且这组特征向量可构成$M$的一组正交基.那么, 对任意正整数$j$, 如下代数恒等式成立
其中$\left[{A, {B_l}} \right]: = A{B_l} - B{_l}A$是$A$和$B_l$的括号积.
本节给出定理1和定理2的证明.
定理1的证明 因为$u_i$为问题(1.1)的对应于第$i$个特征值$\lambda_i$的单位正交特征函数, 即$u_i$满足
设${y_1}, \cdots, {y_n}$是$\mathbb{R}^n$上的一组标准坐标函数, 定义如下$n\times n$阶矩阵$T$
根据QR -因式分解定理, 存在一个$n\times n$阶正交矩阵$Q = {\left({{q_{lr}}} \right)_{n \times n}}$使得$S = QT$, 其中$S$是一个上三角矩阵.因此有
令${x_l} = \sum\limits_{r = 1}^n {{q_{lr}}{y_r}} $, 可知$\mathbb{R}^n$上的一组标准坐标函数${x_1}, \cdots, {x_n}$满足如下等式
从而, 根据(3.2)式, 可以得到
在(2.1)式中取$A = - {\Delta _G} + \left\langle {{\nabla _G}\varphi, {\nabla _G}\left(\cdot \right)} \right\rangle $, ${B_l} = {x_l}$, $l = 1, 2, \cdot \cdot \cdot, n$, 有
通过直接计算, 可得
根据特征值的单调性, 知道
并且根据(3.2)式, 有
结合(3.5), (3.6)和(3.7)式, 有
由Parseval等式可知
将(3.4)和(3.9)式代入(3.8)式中, 整理并对$l$从$1$到$n$求和, 可得
同理, 在(2.1)式中取$A = - {\Delta _G} + \left\langle {{\nabla _G}\varphi, {\nabla _G}\left(\cdot \right)} \right\rangle $, ${B_l} = {y_l}$, $l = 1, 2, \cdot \cdot \cdot, n$, 可得与(3.10)式类似的关于$y_l$的不等式.进而有
直接计算可知
同理, 可得
因此有
又因为
同理可得
所以
最后将(3.12), (3.15)和(3.16)式代入(3.11)式中, 就可以得到(1.6)式.从而完成定理1的证明.
定理2的证明 因为
并且注意到
由(3.17)和(3.18)式, 可得
将(3.17)-(3.19)式代入(1.6)式中, 可获得(1.7)式.这就完成了定理2的证明.