在欧氏空间中, Hardy不等式最初由Hardy在文[1]中建立; Landou在文[2]中给出了该不等式的最佳常数; Azorero和Alonso在文[3] 中获得了高维情形下的Hardy不等式; Skrzypczak在文[4]-[6]中, 通过研究Lipschitz函数的包含偏微分不等方程非负弱解的Caccioppoli估计, 得到了区域上的Hardy型不等式. 近几年欧氏空间上关于Hardy不等式的研究还可参见[7]和[8]. Hardy不等式通常被用于嵌入定理, Gadliardo-Nirenberg插值不等式和实插值理论等(见[9]-[15]).
本文将研究Heisenberg群$ \mathbb{H}^n $上由加权次椭圆$ p $-Laplace不等方程导出的Hardy型不等式及应用. 先介绍$ \mathbb{H}^n $上已有的一些结果. 2001年, Niu, Zhang和Wang在文[16]中建立了Picone恒等式, 并利用Picone恒等式得到Hardy不等式, 这个结果包括了Garofalo和Lanconelli对$ p=2 $时建立的Hardy不等式; 此外, Wang和Dou在Heisenberg型群上也利用广义Picone恒等式得到了Hardy不等式, 见[23]. Niu及其合作者在$ \mathbb{H}^n $上有关Hardy不等式的文章还有[17]-[21]; 2004年, D'Ambrosio在文[22]中证明了有界域$ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $上的Hardy不等式.
我们知道, $ \mathbb{H}^n $上现有工作通常需对区域加限制条件. 本文试图在不对区域加限制条件的情况下, 建立$ \mathbb{H}^n $中区域(包括$ \mathbb{H}^n $)的Hardy型不等式, 且该不等式与加权次椭圆$ p $-Laplace不等方程的非负弱解有关.
考虑Heisenberg群$ \mathbb{H}^n $上加权次椭圆$ p $-Laplace不等方程:
其中$ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $为任意开集, 算子$ {\Delta _{H,p,{\upsilon _1}}}u: = \hbox{div}_H\left( {{\upsilon _1}\left( \xi \right){{\left| {{\nabla _H}u} \right|}^{p - 2}}{\nabla _H}u} \right) $是带权$ {\upsilon _1}\left( \cdot \right):\Omega \to \left[ {0,\infty } \right) $的次椭圆$ p $-Laplace算子, $ 1 < p < \infty $; $ u:\Omega \to \left[ {0,\infty } \right) $; 式(1.1)右端的权函数$ {\upsilon _2}\left( \cdot \right) $为定义在$ \Omega $上的可测函数; $ f:\left[ {0,\infty } \right) \to \left[ {0,\infty } \right) $为给定的连续函数. 本文的方法受到[4]-[6]中方法的启发, 我们将那里的方法应用于Heisenberg群.
本文主要结果如下.
定理1.1 (Hardy型不等式) 若假设$ \left( {{H_0}} \right){\rm{ - }}\left( {{H_5}} \right) $(见第二节)成立, $ 1<p<\infty $, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $(见第二节)是(1.1)的非负弱解(见第二节), 则对任意在$ \Omega $中有紧支集的Lipschitz函数$ \zeta \in H{\cal L}_{{\upsilon _1}}^{1,p}\left( \Omega \right) $, 成立不等式
其中
本文组织如下: 在第二节我们介绍Heisenberg群及其上的带权Beppo Levi空间和Sobolev空间, 给出本文用到的假设条件和引理. 在第三节我们应用(1.1)导出了非负Lipschitz函数$ \varphi $的包含(1.1)非负弱解$ u $的Caccioppoli不等式. 在第四节利用Caccioppoli不等式, 证明定理1.1, 并利用它导出一个精确Hardy-Poincaré不等式.
我们首先介绍Heisenberg群$ \mathbb{H}^n $, 更多的细节见专著[24]. $ \mathbb{H}^n $是对$ \mathbb{R}^{2n+1} $赋予群运算
所得的群, 其中
左不变向量场为
记水平梯度为
散度为
Heisenberg群上的齐次维数为$ Q = 2n + 2 $, Haar测度等价于$ \mathbb{R}^{2n+1} $中的Lebesgue测度.
定义2.1 设$ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $为开集, $ {\cal M}\left( \Omega \right) $为定义在$ \Omega $上的所有Borel可测实函数构成的集合. 记
若$ \upsilon \in {\cal W}\left( \Omega \right) $, 满足$ {\upsilon ^{ - \frac{1}{{p - 1}}}} \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) $, 其中$ p>1 $, 则称$ \upsilon $满足$ {B_p}\left( \Omega \right) $条件, 简记为$ \upsilon \in {B_p}\left( \Omega \right) $.
若对开集$ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $和函数$ u $有
则称$ u \in L_{\upsilon }^p\left( \Omega \right) $. 相应地, $ L_{\upsilon ,loc}^p\left( \Omega \right) $定义为
命题2.1[6] 设$ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $为开集, $ p > 1 $, $ \upsilon \in {B_p}\left( \Omega \right) $, 则
且当在$ L_{\upsilon ,loc}^p\left( \Omega \right) $中$ {u_n}\rightarrow u $时, 在$ {L_{loc}^1\left( \Omega \right)} $中有$ {u_n}\rightarrow u $.
假设$ \upsilon \in {B_p}\left( \Omega \right) $, $ D'\left( \Omega \right) $为广义函数组成的集合, 记$ \mathbb{H}^n $上带权Beppo Levi空间为
$ \mathbb{H}^n $上局部带权Beppo Levi空间为
设$ {\upsilon _1}\left( \cdot \right) \in {\cal W}\left( \Omega \right) $, $ {\upsilon _2}\left( \cdot \right) \in {B_p}\left( \Omega \right) $. 记$ \mathbb{H}^n $上带权Sobolev空间为
即
其上范数为
设$ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $为开集, $ {\upsilon _1}\left( \cdot \right) \in {\cal W}\left( \Omega \right) $, $ {\upsilon _2}\left( \cdot \right) \in {B_p}\left( \Omega \right) $, $ p > 1 $, 则$ HW_{\left( {{\upsilon _1},{\upsilon _2}} \right)}^{1,p}\left( \Omega \right) $为$ C^\infty \left( \Omega \right) $在范数$ {\left\| u \right\|_{HW_{\left( {{\upsilon _1},{\upsilon _2}} \right)}^{1,p}\left( \Omega \right)}} $下的完备化空间, $ HW_{\left( {{\upsilon _1},{\upsilon _2}} \right),0}^{1,p}\left( \Omega \right) $为$ C_0^\infty \left( \Omega \right) $在范数$ {\left\| u \right\|_{HW_{\left( {{\upsilon _1},{\upsilon _2}} \right)}^{1,p}\left( \Omega \right)}} $下的完备化空间. 当$ {\upsilon _1} = {\upsilon _2} $时, 记$ HW_{\left( {{\upsilon _1},{\upsilon _2}} \right)}^{1,p}\left( \Omega \right) $为$ HW_{{\upsilon _1}}^{1,p}\left( \Omega \right) $, $ HW_{\left( {{\upsilon _1},{\upsilon _2}} \right),0}^{1,p}\left( \Omega \right) $为$ HW_{{\upsilon _1},0}^{1,p}\left( \Omega \right) $. 若$ u \in H{\cal L}_{\upsilon ,loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $, $ p>1 $, $ \upsilon \left( \cdot \right) \in {B_p}\left( \Omega \right) \cap L_{loc}^1\left( \Omega \right) $, 则对任意$ \Omega ' \subset \subset \Omega $, 有$ \upsilon {\left| {{\nabla _H}u} \right|^{p - 1}} \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) $. 进一步有$ \upsilon {\left| {{\nabla _H}u} \right|^{p - 2}}{\nabla _H}u \in L_{loc}^1\left( \Omega ,\mathbb{R}^{2n}\right) $.
定义2.2 给定权$ {\upsilon _1}\left( \cdot \right) \in {B_p}\left( \Omega \right) \cap L_{loc}^1\left( \Omega \right) $, $ {\upsilon _2}\left( \cdot \right) $可测, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $非负, 且不恒为0, $ f:\left[ {0,\infty } \right) \to \left[ {0,\infty } \right) $为连续函数, $ f(u){\upsilon _2} \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) $. 若对每一个非负有紧支集, 满足
的函数$ h \in H{\cal L}_{{\upsilon _1}}^{1,p}\left( \Omega \right) $, 有
则说$ u $是(1.1)的弱解.
现在我们给出假设:
$ \left( {{H_0}} \right) $ $ {\upsilon _1} \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) \cap {B_p}\left( \Omega \right) $, $ {\upsilon _2}\left( \cdot \right) $可测;
$ \left( {{H_1}} \right) $设$ \Xi $在$ \left( {0,\infty } \right) $中的任意闭区间上为Lipschitz函数, 且连续函数对$ \left( {\Xi ,\omega } \right):\left( {0,\infty } \right) \times \left( {0,\infty } \right) \to \left( {0,\infty } \right) \times \left( {0,\infty } \right) $满足如下相容性条件:
1) 不等式
在$ \left( {0,\infty } \right) $中几乎处处成立, 其中$ c \in \mathbb{R} $, 且$ c $与$ t $无关, $ \Xi $是单调的(不必严格单调).
2) 函数
均在0的某邻域内非增或有界.
$ \left( {{H_2}} \right) $设$ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $非负, $ \Omega \subseteq {\mathbb{H}^n} $为开集, $ \left( {{H_0}} \right) $成立, $ f:\left[ {0,\infty } \right) \to \left[ {0,\infty } \right) $连续, 对每一个非负有紧支集的函数$ h \in H{\cal L}_{{\upsilon _1}}^{1,p}\left( \Omega \right) $, 有
更进一步地, 我们考虑集合$ \mathfrak{A} $, $ \mathfrak{A} $由满足如下不等式的$ \delta \in \mathbb{R} $构成:
记
因为$ \inf \emptyset = + \infty $, 所以$ \mathfrak{A} $既不能是空集, 也不能无下界.
$ \left( {{H_3}} \right) $在假设$ \left( {{H_1}} \right) $和$ \left( {{H_2}} \right) $下, 参数$ \delta $满足$ {\delta _0} \le \delta < c $, 其中$ {\delta _0} $和$ c $分别由式(2.6)和(2.3)给出.
$ \left( {{H_4}} \right) $在假设$ \left( {{H_1}} \right) $和$ \left( {{H_2}} \right) $下, 对任意的$ R > 0 $有
$ \left( {{H_5}} \right) $在假设$ \left( {{H_1}} \right) $和$ \left( {{H_2}} \right) $下, 对任意子集$ \Omega ' \subset \subset \Omega $, 有
注2.1 对$ \Xi \left( t \right) = {t^{1 - p}} $, $ \omega \left( t \right) = t $, $ f\left( u \right) = {u^{p - 1}},\;1 < p < \infty $, 上述假设$ \left( {{H_0}} \right) $-$ \left( {{H_5}} \right) $满足.
引理2.1[6] 若假设$ \left( {{H_0}} \right){\rm{ - }}\left( {{H_2}} \right) $成立, $ 1 < p < \infty $, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $是(1.1)的非负弱解, $ {\upsilon _2} $在$ \Omega $中a.e.大于0, 则由式(2.6)给定的$ {\delta _0} $存在且有限的充要条件为$ u $ a.e.在$ \Omega $中不为常数.
本节主要目的是证明非负Lipschitz函数$ \varphi $的包含(1.1)非负弱解$ u $的Caccioppoli不等式.
定理3.1(Caccioppoli不等式) 若假设$ \left( {{H_0}} \right){\rm{ - }}\left( {{H_5}} \right) $成立, $ 1 < p < \infty $, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $是(1.1)的非负弱解, 则对任意在$ \Omega $中有紧支集且使得
成立的非负Lipschitz函数$ \varphi $, 有
其中$ M: = \frac{1}{{{p^p}}}{\left( {\frac{{p - 1}}{{c - \delta }}} \right)^{p - 1}} $.
为了证明定理3.1, 我们需要四个引理.
引理3.1 设$ u,\;\varphi $如定理3.1中假设所示, 固定$ 0 < r < R $, 记
则
证 证明分如下两步进行.
1). 先证$ {u_{r,R}} \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $. 事实上, 由式(3.2)得, $ r \le {u_{r,R}} \le R $. 又因为$ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $, 即对任意的$ \Omega ' \subset \subset \Omega $有
所以
因此
2). 再证$ \Psi \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},0}^{1,p}\left( \Omega \right) $. 实际上, 因为$ r \le {u_{r,R}} \le R $, $ {u_{r,R}} \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $, $ \Xi $属于$ C\left( {\left( {0,\infty } \right)} \right) $, 且在任意闭区间上为Lipschitz函数, 所以对a.e. $ \xi $有
又因为在$ \Omega $中$ \varphi $是非负的有紧支集的Lipschitz函数, 所以(3.3)中右端两项均属于$ L_{{\upsilon _1}}^p\left( \Omega \right) $, 因此
引理3.2[21] 设$ u \in HW_{loc}^{1,1}\left( \Omega \right) $, 其中$ u $在每一点$ \xi \in \Omega $的值定义为
给定$ t \in \mathbb{R} $, 则有
其中$ N $的Haar测度为零.
引理3.3(局部估计) 若假设$ \left( {{H_0}} \right){\rm{ - }}\left( {{H_3}} \right) $成立, $ 1 < p < \infty $, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $是(1.1)的非负弱解, 则对任意在$ \Omega $中有紧支集, 且使得
成立的非负Lipschitz函数$ \varphi $和$ 0 < r < R $, 成立不等式
证 由引理3.1知, $ \Psi \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},0}^{1,p}\left( \Omega \right), $取$ h = \Psi $为不等式(2.2)中的试验函数, 则有
另一方面, 从不等式(2.2)推出
对$ 0 \le u \le R-r $, 以上所有积分有限. 由假设$ \left( {{{\rm H}_1}} \right) $得
注意到
对任意的$ \varepsilon > 0 $, $ p > 1 $, 由Young不等式得
将(3.8)和(3.9)代入(3.7)得
进而由$ {C_1}\left( {r,R} \right) $, $ {a_1}\left( {r,R} \right) $和$ d\left( {r,R} \right) $有限, 再将(3.6)和(3.10)结合推出
取$ \varepsilon {\rm{ = }}\left( {c - \delta } \right)\frac{p}{{p - 1}} $, 则有式(3.5)成立.
利用引理3.2和引理3.3可证得
引理3.4 若假设$ \left( {{H_0}} \right){\rm{ - }}\left( {{H_4}} \right) $成立, $ 1 < p < \infty $, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $是(1.1)的非负弱解, 则对任意在$ \Omega $中有紧支集, 且使得
成立的非负Lipschitz函数$ \varphi $和$ R > 0 $, 有不等式
证 在(3.5)两边令$ r \to {0^ + } $便可证得(3.11), 但其中有一些细节需仔细处理, 这里给出证明过程. 我们分为以下四步:
i) 先证如下不等式成立:
事实上, 由假设$ \left( {{{\rm H}_1}} \right) $知, $ \Xi $与$ \omega $只能有四种情形: a) $ \Xi $非增, $ \frac{\Xi }{\omega } $非增; b) $ \Xi $增, $ \frac{\Xi }{\omega } $非增; c) $ \Xi $非增, $ \frac{\Xi }{\omega } $在0的邻域内有界; d) $ \Xi $增, $ \frac{\Xi }{\omega } $在0的邻域内有界.
以下对$ \delta $分$ \delta \ge 0 $和$ \delta < 0 $讨论, 证明(3.12):
1. 当$ \delta \ge 0 $时, 因为
所以$ \Xi $非增. 因此情形a)和c)可能出现.
(1) 先考虑情形a). 有
则$ {\tilde g_r} \ge 0 $, 且有
而由Levi定理得
因此, 不等式(3.12)成立.
(2) 再考虑情形c). 因为
由Levi定理得
因为$ \frac{\Xi }{\omega } $在0的邻域内有界, 所以它在整个积分区域有界, 从而由Lebesgue控制收敛定理得
2. 当$ \delta < 0 $时, 此时a), b), c)和d) 均可能出现.
(1) 先考虑情形a). 当$ r > 0 $, $ u > 0 $时, 有
因为
再由假设$ \left( {{{\rm H}_4}} \right) $得
所以, 利用Lebesgue控制收敛定理得
(2) 再考虑情形b). 当$ u > 0 $时, 有
从而
所以, 由Lebesgue控制收敛定理和假设$ \left( {{{\rm H}_2}} \right) $得
(3) 其次考虑情形c). 因为
又因为$ f\left( u \right){\upsilon ^ + }_2\left( \xi \right)\Xi \left( {u + r} \right) \ge 0 $, 所以由Levi定理得
所以由Lebesgue控制收敛定理得
(4) 最后考虑情形d). 当$ u > 0 $时, 有
因为$ {\upsilon ^ - }_2\left( \xi \right)\Xi \left( {u + r} \right) \le {\upsilon ^ - }_2\left( \xi \right)\Xi \left( u \right) $, $ \frac{{\Xi \left( {u + r} \right)}}{{\omega \left( {u + r} \right)}} \le \sup \left\{ {\frac{{\Xi \left( t \right)}}{{\omega \left( t \right)}}:t \in \left( {0,R} \right)} \right\} $, 所以由Lebesgue控制收敛定理得
ii) 其次证如下极限成立: 当$ r \to {0^ + } $时, 有
由条件$ \left( {{H_1}} \right) $中ii)知$ {\cal H}\left( t \right) = \Xi \left( t \right){\omega ^{p - 1}}\left( t \right) $在0的邻域内a) 非增或b)有界.
a) 先考虑$ {\cal H} $在0的邻域内非增的情形, 即$ \exists \tau > 0 $, s.t. 对$ \forall t < \tau $, 函数$ {\cal H}\left( t \right) $非增. 不失一般性, 假设$ 2r \le \tau \le R $,
则有
先考虑$ {E_\tau } $上的积分, 此时有$ u + r < \tau $. 因为$ {\cal H}\left( t \right) $在$ t \in \left( {0,\tau } \right) $时非增, 所以$ {{\cal H}_r}\left( \xi \right): = {\cal H}\left( {u\left( \xi \right) + r} \right) $在$ {E_\tau } $上非增.
又因为$ {\cal H}\left( {u\left( \xi \right) + r} \right) \to {\cal H}\left( {u\left( \xi \right)} \right) $, 所以由Levi定理得
接下来考虑$ {F_\tau } $上的积分. 因为
所以, 由Lebesgue控制收敛定理得
结合(3.14)-(3.16)知(3.13)成立.
b) 再考虑$ {\cal H}\left( t \right) $在0的邻域内有界的情形. 事实上, 注意到$ {\cal H}\left( t \right) $在$ \left[ {0,R} \right] $有界, 从而与前面a)在$ {F_\tau } $上的讨论类似, 只需取$ \tau {\rm{ = }}0 $即可. 由引理3.2知
因此, (3.13)成立.
iii) 最后对$ r \le \frac{R}{2} $, 显然有$ C\left( {r,R} \right) \le C\left( R \right) $.
iv) 因此, 结合以上三步和引理2.1可知(3.11)成立.
定理3.1的证明 在(3.11)中令$ R \to \infty $可证得(3.1)成立. 事实上, 不失一般性, 假设
否则不等式(3.1)是平凡的. 因为
所以由假设$ \left( {H_5} \right) $知$ \mathop {\lim }\limits_{R \to \infty } C\left( R \right) = 0 $. 因此, (3.1)直接从(3.11)推出, 其中应用了Levi定理.
定理1.1的证明 若$ \zeta $是$ \Omega $中有紧支集的非负Lipschitz函数, 则$ \varphi = {\zeta ^p} $是Lipschitz的, 且有$ {\nabla _H}\varphi = p{\zeta ^{p - 1}}{\nabla _H}\zeta $, 所以$ \left| {{\nabla _H}\varphi } \right|{\rm{ = }}p{\zeta ^{p - 1}}\left| {{\nabla _H}\zeta } \right| $, 从而
所以定理3.1的条件满足, 因此, 由式(3.1)可证得式(1.2).
又因为Lipschitz函数的绝对值也为Lipschitz函数, 所以式(1.2)中的$ \zeta $可用$ \left| \zeta \right| $代替, 即可令$ \varphi = {\left| \zeta \right|^p} $, 重复前述过程, 便得定理1.1.
接下来, 我们应用定理1.1推导出一个精确Hardy-Poincaré不等式.
推论4.1(精确Hardy-Poincaré不等式) 设$ 1 < p < \infty $, $ {\upsilon _1},{\upsilon _2} \in {\cal W}\left( \Omega \right) $, $ {\upsilon _1} \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) \cap {B_p}\left( \Omega \right), $ $ {\upsilon _2}{u^{p - 1}} \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) $, $ u \in H{\cal L}_{{\upsilon _1},loc}^{1,p}\left( \Omega \right) $是(1.1)的非负非平凡弱解, 则对任意在$ \Omega $中有紧支集的Lipschitz函数$ \zeta \in H{\cal L}_{{\upsilon _1}}^{1,p}\left( \Omega \right) $, 成立不等式
更进一步, 若$ - {\Delta _{H,p,{\upsilon _1}}}{u_0} = {u_0}^{p - 1}{\upsilon _2}\left( \xi \right) \in L_{loc}^1\left( \Omega \right) $存在非平凡、非负的弱解, 则(4.1)是精确的, 即$ \int_\Omega {{{\left| \zeta \right|}^p}{\upsilon _2}\left( \xi \right)d\xi } \le C\int_\Omega {{{\left| {{\nabla _H}\zeta } \right|}^p}{\upsilon _1}\left( \xi \right)d\xi } $中的常数$ C = 1 $是最佳的.
证 取$ \Xi \left( t \right) = {t^{1 - p}} $, $ \omega \left( t \right) = t $, 则有$ \omega \left( t \right)\Xi '\left( t \right){\rm{ = }} - \left( {p - 1} \right)\Xi \left( t \right) $, 所以$ c = p - 1 $. 再取$ f\left( t \right) = {t^{p - 1}} $, $ \delta = 0 $, 则定理1.1的假设满足. 所以应用定理1.1得式(4.1)成立.
接下来证明精确性: 考虑有紧支集的光滑函数序列$ {\left\{ {{\zeta _k}} \right\}_{k \in N}} $, 假设存在满足定理所有假设的$ {u_0} $, 使得在$ HW_{\left( {{\upsilon _2},{\upsilon _1}} \right)}^{1,p}\left( \Omega \right) $中$ {\zeta _k} \to {u_0} $. 因为每个$ {\zeta _k} $有紧支集且属于$ H{\cal L}_{{\upsilon _1}}^{1,p}\left( \Omega \right) $, 所以我们有
令$ k \to \infty $得
这就证明了精确性.
注 若取(1.1)中的$ {\upsilon _1} \equiv 1 $, 则[4]中的一些结果在Heisenberg群上也可建立.