Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I

We propose an $L^2$ -version of the Laplacian with respect to measure on an infinite-dimensional Riemannian manifold. The Dirichlet problem for equations with proposed Laplacian is solved in the region of a Rimannian manifold from a certain class.

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2016
Автори: Bogdanskii, Yu. V., Potapenko, A. Yu., Богданский, Ю. В., Потапенко, А. Ю.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2016
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1889
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860507773015425024
author Bogdanskii, Yu. V.
Potapenko, A. Yu.
Богданский, Ю. В.
Потапенко, А. Ю.
Богданский, Ю. В.
Потапенко, А. Ю.
author_facet Bogdanskii, Yu. V.
Potapenko, A. Yu.
Богданский, Ю. В.
Потапенко, А. Ю.
Богданский, Ю. В.
Потапенко, А. Ю.
author_sort Bogdanskii, Yu. V.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T09:30:55Z
description We propose an $L^2$ -version of the Laplacian with respect to measure on an infinite-dimensional Riemannian manifold. The Dirichlet problem for equations with proposed Laplacian is solved in the region of a Rimannian manifold from a certain class.
first_indexed 2026-03-24T02:14:38Z
format Article
fulltext УДК 517.98+517.954 Ю. В. Богданский, А. Ю. Потапенко (Ин-т прикл. систем. анализа Нац. техн. ун-та Украины „КПИ”, Киев) ЛАПЛАСИАН ПО МЕРЕ НА РИМАНОВОМ МНОГООБРАЗИИ И ЗАДАЧА ДИРИХЛЕ. I We propose an L2 -version of the Laplacian with respect to measure on an infinite-dimensional Riemannian manifold. The Dirichlet problem for equations with proposed Laplacian is solved in the region of a Rimannian manifold from a certain class. Запропоновано L2 -версiю лапласiана за мiрою на (нескiнченновимiрному) рiмановому многовидi. Розв’язано задачу Дiрiхле для рiвнянь з уведеним лапласiаном в областi рiманового многовиду певного класу. Различным вариантам оператора Лапласа для функций бесконечномерного аргумента посвяще- но много публикаций (см., например, работы [1 – 8]). В настоящей работе продолжено исследо- вание иной конструкции — L2-версии лапласиана по мере. Эта версия лапласиана для функций на гильбертовом пространстве была предложена и изучалась в работах [9 – 12]. В данной статье исследуется соответствующая конструкция лапласиана на сепарабельном римановом многообразии (вообще говоря, бесконечномерном) с заданной на нем борелевской мерой. Опубликовано достаточно много работ, посвященных изучению оператора Лапласа и связанных с ним уравнений на конечномерных римановых многообразиях (см., например, [13, 14]). Но в этих исследованиях лапласиан строился на базе риманова объема — меры, по- рожденной римановой метрикой. Принципиальное отличие бесконечномерного случая состоит в отсутствии канонической меры, ассоциированной с римановой метрикой. Цель данной статьи — введение L2-версии лапласиана по мере на (бесконечномерном) римановом многообразии, рассмотрение и решение (при дополнительных условиях) задачи Дирихле для уравнения с предложенным лапласианом в области риманова многообразия, а также приведение модельного примера многообразия с мерой, на котором реализуются все условия, используемые при решении задачи. 1. Лапласиан по мере в \bfitL 2-версии на римановом многообразии. Пусть \scrM — сепара- бельное риманово многообразие класса C2, модельное пространство которого представляет собой (сепарабельное) вещественное гильбертово пространство H (\mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{m}H \leq \infty ). Риманов тензор R в каждом касательном пространстве Tp(\scrM ) индуцирует структуру гильбертова про- странства (изоморфного H ) и порождает на \scrM внутреннюю метрику. По отношению к этой метрике \scrM предполагается сепарабельным пространством. Будем также предполагать полноту метрического пространства \scrM . Обозначим через Cb(\scrM ) пространство всех ограниченных непрерывных вещественных функций на \scrM , через Cb;v(\scrM ) пространство всех непрерывных ограниченных векторных по- лей на \scrM , через C1 b (\scrM ) (соответственно C1 b;v(\scrM )) пространство всех функций f \in Cb(\scrM ) (соответственно всех векторных полей \bfX \in Cb;v(\scrM )), дифференцируемых в каждой точке x \in \in \scrM с непрерывной и ограниченной на всем \scrM производной f \prime (\cdot ) (соответственно \bfX \prime (\cdot )). Здесь f \prime (p) \in T \ast p (\scrM ) определен формулой f \prime (p) : Tp(\scrM ) \ni \bfY p \mapsto - \rightarrow \bfY pf \in \BbbR , \bfX \prime (p) — линей- ный оператор в Tp(\scrM ), определенный формулой \bfX \prime (p) : \bfY p \mapsto - \rightarrow \nabla Yp\bfX , где \nabla — связность Леви – Чивиты на \scrM (бесконечномерный вариант см., например, в [15, с. 83]). c\bigcirc Ю. В. БОГДАНСКИЙ, А. Ю. ПОТАПЕНКО, 2016 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 897 898 Ю. В. БОГДАНСКИЙ, А. Ю. ПОТАПЕНКО Пусть G — ограниченная область в \scrM с границей S = \partial G. Через C1(G) обозначим семейство всех функций на G, допускающих продолжение на все \scrM до функций класса C1 b (\scrM ); через C1 0 (\scrM ) — семейство функций из C1(G), носители которых не пересекаются с некоторой \varepsilon -окрестностью S. Аналогично определяем C(G) = \Bigl\{ f \bigm| \bigm| G \bigm| \bigm| \bigm| f \in Cb(\scrM ) \Bigr\} и C1 v (G) = \Bigl\{ \bfX \bigm| \bigm| G \bigm| \bigm| \bigm| \bfX \in C1 b,v(\scrM ) \Bigr\} . Пусть \sigma — конечная неотрицательная борелевская мера на \scrM . Через L2(G) = = L2(G, \sigma ) обозначим пространство интегрируемых с квадратом функций на G по отношению к мере \sigma \bigm| \bigm| G . Векторное поле \bfX на \scrM назовем измеримым, если существует последовательность векторных полей \bfX m \in Cb;v(\scrM ), сходящаяся к \bfX почти всюду (\| \bfX m(\cdot ) - \bfX (\cdot )\| \rightarrow 0 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \sigma )). Назовем векторное поле интегрируемым, если \bfX измеримо и функция \| \bfX (\cdot )\| принадлежит L1(\scrM , \sigma ), и интегрируемым с квадратом, если \bfX измеримо и функция \| \bfX (\cdot )\| принадлежит L2(\scrM , \sigma ). Замечание 1. В случае, когда многообразие \scrM не является поверхностью в линейном пространстве, говорить о значении интеграла интегрируемого на \scrM поля не представляется возможным. Пространства интегрируемых и интегрируемых с квадратом векторных полей обозначим соответственно L1 v(\scrM ) = L1 v(\scrM , \sigma ) и L2 v(\scrM ) = L2 v(\scrM , \sigma ). Скалярное произведение в L2 v(\scrM ) задаем формулой (\bfX ,\bfY ) = \int \scrM (\bfX (\cdot ),\bfY (\cdot ))d\sigma = \int \scrM R(\bfX ,\bfY )d\sigma , а соответствующую норму \bfX обозначим символом | | | \bfX | | | . Аналогично вводятся в рассмотрение пространства L2 v(G) = L2 v(G;\sigma );L\infty v (\scrM );L\infty v (G). Для функций u \in C1 b (\scrM ) на римановом многообразии определено векторное поле \bfg \bfr \bfa \bfd u \in \in Cb;v(\scrM ) (оно определено соотношением R(\bfg \bfr \bfa \bfd u,\bfY ) = \bfY u, которое выполнено для лю- бого \bfY \in C1 b;v(\scrM )). В случае, когда для любого непустого открытого множества U \subset \scrM выполнено неравенство \sigma (U) > 0 (полнота носителя меры \sigma ), равенство u = v (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \sigma ) (здесь u, v \in C1 b (\scrM )) влечет равенство \bfg \bfr \bfa \bfd u = \bfg \bfr \bfa \bfd v (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \sigma ). Тем самым корректно определен оператор \bfg \bfr \bfa \bfd = \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM : L2(\scrM ) \supset C1 b (\scrM ) \ni u \mapsto - \rightarrow \bfg \bfr \bfa \bfd u \in L2 v(\scrM ). Поскольку C1 b (\scrM ) плотно в L2(\scrM ), корректно определен оператор \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v} = - (\bfg \bfr \bfa \bfd )\ast : L2 v(\scrM ) - \rightarrow L2(\scrM ). В случае, когда оператор \bfg \bfr \bfa \bfd замыкаем, лапласиан (по мере \sigma ) на \scrM определен формулой \Delta = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v} \circ \bfg \bfr \bfa \bfd , где \Delta — самосопряженный оператор в L2(\scrM ) (см., например, [16, с. 106]). Поскольку \scrM предполагается полным пространством относительно внутренней метрики, поле \bfX \in C1 b (\scrM ) является полным. Пусть \Phi t = \Phi X t — поток поля \bfX . Дифференцируемость меры \sigma вдоль поля \bfX понимается всюду в дальнейшем в сильном смысле: для каждого боре- левского множества A \in \frakB (\scrM ) существует предел \nu (A) = \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m}t\rightarrow 0 1 t (\sigma (\Phi tA) - \sigma (A)). Отсюда ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 ЛАПЛАСИАН ПО МЕРЕ НА РИМАНОВОМ МНОГООБРАЗИИ И ЗАДАЧА ДИРИХЛЕ. I 899 следует, что \nu = dX\sigma является борелевской мерой (знакопеременной), абсолютно непрерывной относительно \sigma . Логарифмическую производную меры \sigma вдоль поля \bfX (т. е. дивергенцию поля \bfX относительно меры \sigma ) обозначим символом \rho \sigma = \rho X\sigma = d\nu d\sigma = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\sigma \bfX . Пусть граница S ограниченной области G \subset \scrM является гладким вложенным в \scrM под- многообразием коразмерности 1, а поле внешней единичной нормали границы S продолжимо до векторного поля \bfn \in C1 b;v(\scrM ). В случае, когда мера \sigma дифференцируема вдоль поля \bfn , говорим о „согласовании S с мерой \sigma ”. При согласовании меры \sigma с поверхностью S = \partial G на S индуцируется поверхностная борелевская мера \tau [9, 11, 17]. Мера \tau на S корректно определена формулой\int S fd\tau = d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \int \Phi n t G fd\sigma , справедливой для каждой f \in Cb(\scrM ). Другой подход к (эквивалентному) определению меры \tau состоит в следующем: для множеств A \subset \scrM , B \subset \BbbR вводим обозначение \Phi BA := \{ \Phi n t x | x \in A; t \in B\} . Тогда для A \in \frakB (S) мера \tau определена равенством \tau (A) = d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \sigma \Bigl( \Phi n ( - \infty ,t)A \Bigr) = d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \sigma \Bigl( \Phi n ( - \infty ,t]A \Bigr) (1) (здесь использован тот факт, что \sigma (\Phi n t S) = 0 для t \in \BbbR ) (см. [17]). Для функций u \in C1 b (G) имеет место равенство\int S u d\tau = \int G (\bfg \bfr \bfa \bfd u,\bfn ) d\sigma + \int G u \cdot \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}G \bfn d\sigma (2) (см. [9, 17]). В случае, когда \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\sigma \bfn \in L\infty (\scrM ) (или, по крайней мере, \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\sigma \bfn \bigm| \bigm| G \in L\infty (G)), из (2) следует существование константы C, для которой при всех u \in C1(G) выполняется неравенство\bigm\| \bigm\| u\bigm| \bigm| S \bigm\| \bigm\| L2(S,\tau ) \leq C \Bigl( \bigm\| \bigm\| u\bigm\| \bigm\| L2(G) + | | | \bfg \bfr \bfa \bfd u | | | L2 v(G) \Bigr) (3) (в работе [9] формула доказана для гильбертова пространства, в случае риманова многообразия доказательство идентично). В работе [9] установлена плотность множества C1 0 (G) в пространстве L2(G) в случае, когда \scrM = H — сепарабельное гильбертово пространство. В случае сепарабельного многообразия доказательство аналогично. Поэтому оператор \bfg \bfr \bfa \bfd G : L2(G) \supset C1(G) \ni u \mapsto - \rightarrow \bfg \bfr \bfa \bfd u \in L2 v(G) плотно определен. В случае, когда оператор \bfg \bfr \bfa \bfd G допускает замыкание, а \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\sigma \bfn \in \in L\infty (\scrM ), из неравенства (3) следует корректность построения оператора следа \gamma : L2(G) - \rightarrow L2(S) = L2(S, \tau ) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 900 Ю. В. БОГДАНСКИЙ, А. Ю. ПОТАПЕНКО с областью определения D(\bfg \bfr \bfa \bfd G), который для функции u \in C1(G) совпадает с оператором ограничения : u \mapsto - \rightarrow u \bigm| \bigm| S . Оператор \gamma является ограниченным оператором из банахова в норме графика пространства D(\bfg \bfr \bfa \bfd G) в L2(S) (в работе [9] построение оператора \gamma обосновано для случая гильбертова пространства; случай риманова многообразия полностью аналогичен). Оператор \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}G : L2 v(G) - \rightarrow L2(G) введем формулой \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}G = - \Biggl( \bfg \bfr \bfa \bfd G \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| Ker \gamma \Biggr) \ast . (4) Целесообразность этого определения следует из формулы (4) работы [11]: d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \int \Phi n t G u d\sigma = \int S (\bfZ ,\bfn )u d\tau = \int G (\bfg \bfr \bfa \bfd u,\bfZ ) d\sigma + \int G u \cdot \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\sigma \bfZ d\sigma , (5) в которой \bfZ \in C1 b;v(\scrM ), u \in C1 b (\scrM ) и \sigma дифференцируема вдоль поля \bfZ . В случае u \bigm| \bigm| S = 0 формула (5) превращается в равенство\int G (\bfg \bfr \bfa \bfd u,\bfZ ) d\sigma + \int G u \cdot \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\sigma \bfZ d\sigma ,= 0, которое и является аргументом для введения оператора \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}G формулой (4). Лапласиан \Delta G : L2(G) - \rightarrow L2(G) определим формулой \Delta G = \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}G \circ \bfg \bfr \bfa \bfd G; \Delta G плотно определен, так как является расширением самосопряженного оператора - \bigl( \bfg \bfr \bfa \bfd G \bigr) \ast \bfg \bfr \bfa \bfd G. Замечание 2. По аналогии с результатом работы [11] можно доказать следующее утвер- ждение: C0(G) плотно в \mathrm{K}\mathrm{e}\mathrm{r} \gamma в норме графика оператора \bfg \bfr \bfa \bfd G. 2. Модельный пример. Пусть H — сепарабельное вещественное гильбертово простран- ство, D — ограниченная область в H, \scrM = \partial D — граница области D — представляет собой гладкое класса C2 вложенное в H подмногообразие коразмерности 1. Вложение \scrM в H инду- цирует на \scrM структуру риманова многообразия. Поле внешней нормали к \scrM предполагается продолжимым до векторного поля \bfN \in C1 b;v(H). Пусть \mu — конечная борелевская (неотрица- тельная) мера в H, для которой существует в H полная система векторов h, вдоль которых мера \mu L2-дифференцируема \Bigl( т. е. \mu дифференцируема вдоль h и \rho h\mu = d(dh\mu ) d\mu \in L2(H) \Bigr) . Меру \mu подчиним также условию квазиинвариантности: множество квазиинвариантных сдвигов h \bigl( \mu h(A) := \mu (A + h); \mu h \sim \mu \bigr) содержит плотное в H линейное подмногообразие. Для такой меры выполнено условие: \mu (U) > 0 для любого открытого множества в H (полнота носителя меры). Если мера \mu удовлетворяет приведенным выше условиям, то соответствующий оператор \bfg \bfr \bfa \bfd : L2(H) \supset C1 b (H) - \rightarrow L2 v(H) корректно определен [9] (предложение 4). Примером ме- ры \mu , удовлетворяющей обоим приведенным условиям, является гауссова мера, корреляцион- ный ядерный оператор которой имеет плотный образ в H. К мере \mu применим процедуру сглаживания вдоль поля \bfN (см. [10]). При этом мера \mu \varphi строится по правилу \mu \varphi (A) = \int \BbbR \varphi (t)\mu \bigl( \Phi N t A \bigr) dt. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 ЛАПЛАСИАН ПО МЕРЕ НА РИМАНОВОМ МНОГООБРАЗИИ И ЗАДАЧА ДИРИХЛЕ. I 901 Здесь A — произвольное борелевское множество в H, \varphi \in C\infty (\BbbR ), \varphi \geq 0, \int \BbbR \varphi (t) dt < \infty . Полученная мера \mu \varphi дифференцируема вдоль поля \bfN . Если существует константа C > 0, для которой при всех s \in \BbbR выполняется неравенство | \varphi \prime (s)| \leq C\varphi (s) \Bigl( например, \varphi (s) = 1 1 + s2 \Bigr) , то \rho N\mu \varphi \in L\infty (H;\mu \varphi ). В работе [10] доказано, что при переходе от меры \mu к мере \mu \varphi сохраняется условие пол- ноты носителя меры, а также условие замыкаемости оператора \bfg \bfr \bfa \bfd (но теперь уже \bfg \bfr \bfa \bfd : L2(H;\mu \varphi ) - \rightarrow L2 v(H;\mu \varphi )). Мера \mu \varphi согласована с \scrM = \partial D, что позволяет индуцировать на \scrM поверхностную ме- ру \sigma . Замечание 3. Согласование меры \mu с поверхностью \scrM предполагает существование по крайней мере одного векторного поля \bfN \in C1 b;v(H), ограничение которого на \scrM совпадает с полем единичной нормали к \scrM и вдоль которого мера \mu дифференцируема. В этой связи возникает проблема описания класса поверхностей в H, согласованных с заданной мерой \mu . Данный вопрос представляется весьма непростым и исследован не был. Процедура сглажива- ния меры вдоль векторного поля позволяет решать двойственную задачу: построение класса мер, согласованных с фиксированной поверхностью. Далее будет доказано (теорема 1), что в случае, когда \rho N\mu \varphi принадлежит L\infty (H;\mu \varphi ) (а это условие осуществимо), индуцированная на \scrM мера \sigma наследует два свойства меры \mu \varphi : полноту носителя меры и замыкаемость (индуцированного) оператора \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM : L2(\scrM , \sigma ) \supset C1 b (\scrM ) \ni u \mapsto - \rightarrow \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u \in L2 v(\scrM ;\sigma ) (напомним построение индуцированного оператора \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM : (\bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u)(x) = Px((\bfg \bfr \bfa \bfd \^u)(x)), где \^u \in C1 b (H), \^u \bigm| \bigm| \scrM = u, Px — ортопроектор в H, \mathrm{I}\mathrm{m}Px = Tx(\scrM )). Непрерывность поля \bfN на \scrM = \partial D обеспечивает совпадение на \scrM двух топологий: индуцированной вложением в H и порожденной внутренней метрикой. Поэтому \scrM являет- ся полным метрическим пространством относительно внутренней метрики, что гарантирует полноту на \scrM векторных полей класса C1 b (\scrM ). Теорема 1. Пусть D — ограниченная область в гильбертовом пространстве H, \bfN \in C1 b;v(H) — векторное поле в H, представляющее собой продолжение поля внешней единичной нормали к границе \scrM = \partial D области D, \mu — борелевская конечная (неотри- цательная) мера в H, дифференцируемая вдоль поля \bfN , мера \mu имеет полный носитель, \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu \bfN \in L\infty (H), \sigma — мера на \scrM , индуцированная мерой \mu . Пусть, далее, оператор \bfg \bfr \bfa \bfd : L2(H) \supset C1 b (H) - \rightarrow L2 v(H) замыкаем. Тогда индуцированный на \scrM оператор \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM : L2(\scrM , \sigma ) \supset C1 b (\scrM ) \ni u \mapsto - \rightarrow \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u \in L2 v(\scrM , \sigma ) корректно определен и замыкаем. Доказательство. Положим C = \| \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu \bfN \| L\infty (H). В работе [11] (лемма 2) было доказано следующее утверждение: если \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu \bfN \in L\infty (H), то \mu t \prec \mu для каждого t \in R (здесь \mu t = = \mu \circ \Phi t, \Phi t — поток поля \bfN ), d\mu t d\mu \in L\infty (H) и при этом d\mu t d\mu \leq eC| t| (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \mu ). (6) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 902 Ю. В. БОГДАНСКИЙ, А. Ю. ПОТАПЕНКО Для каждого борелевского множества A \in \frakB (H) справедливы равенства dN\mu t(A) = d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \mu t+s(A) = \int \Phi tA \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu \bfN d\mu . Отсюда | dN \mu t(A)| \leq C\mu (\Phi tA) = C\mu t(A), поэтому | \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu t\bfN | \leq C(\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \mu t), \mu \sim \mu t, \| \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu t\bfN \| L\infty (H) = \| \mathrm{d}\mathrm{i}\mathrm{v}\mu \bfN \| L\infty (H). Далее, отсюда следует неравенство d\mu d\mu t \leq eC| t| (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \mu ), и, следовательно, d\mu t d\mu \geq e - C| t| (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d} \mu ). (7) Шаг 1. Докажем полноту носителя меры \sigma . Пусть V — непустое открытое множество в \scrM . Тогда \Phi ( - \infty ,t)V = \{ \Phi sx | s < t; x \in V \} — непустое открытое множество в H. По аналогии с формулой (1) имеет место формула \sigma (V ) = d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \mu \bigl( \Phi ( - \infty ,t)V \bigr) . (8) Далее d dt \mu \bigl( \Phi ( - \infty ,t)V \bigr) = d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \mu \bigl( \Phi ( - \infty ,t+s)V \bigr) = d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \mu t \bigl( \Phi ( - \infty ,t)V \bigr) . (9) В силу неравенства (6) при фиксированном t функция h(s) = \mu \bigl( \Phi ( - \infty ,s)V ) eC| t| - \mu t \bigl( \Phi ( - \infty ,s)V ) является монотонно неубывающей. Поэтому выполняется неравенство d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \mu t (\Phi ( - \infty ,s)V ) \leq eC| t| d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \mu (\Phi ( - \infty ,s)V ), или, с учетом (8) и (9), неравенство d dt \mu (\Phi ( - \infty ,t)V ) \leq eC| t| \sigma (V ). Отсюда (в силу полноты носителя меры \mu ) 0 < \mu (\Phi (0,1)V ) = 1\int 0 dt \biggl( d dt \mu (\Phi ( - \infty ,t)V ) \biggr) \leq \sigma (V ) 1\int 0 eC| t| dt. Тем самым \sigma (V ) > 0 для непустого открытого множества V \subset S. Шаг 2. Пусть u \in C1 b (\scrM ). Функцию \^u : H - \rightarrow \BbbR строим по следующему правилу. Пусть \varphi \in C\infty (R), 0 \leq \varphi \leq 1, существуют \delta > 0 и \varepsilon \in (0, \delta ) такие, что \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p}\mathrm{p}\varphi \subset ( - \delta , \delta ), \varphi (t) = 1 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 ЛАПЛАСИАН ПО МЕРЕ НА РИМАНОВОМ МНОГООБРАЗИИ И ЗАДАЧА ДИРИХЛЕ. I 903 для t \in ( - \varepsilon , \varepsilon ). Если x = \Phi ty, y \in \scrM , | t| < \delta , то полагаем \^u(x) = \varphi (t)u(y). Для остальных значений x \in H полагаем \^u(x) = 0. Очевидно, \^u \in C1 b (H) и отображение C1 b (\scrM ) \ni u \mapsto - \rightarrow \^u \in C1 b (H) линейно. Докажем, что отображение L2(\scrM ;\sigma ) \supset C1 b (\scrM ) \ni u \mapsto - \rightarrow \^u \in L2(H;\mu ) является непрерыв- ным. Имеем \| u\| 2L2(H) = \int \Phi \delta D\setminus \Phi - \delta D \^u2d\mu = \delta \int - \delta dt \left( d dt \int \Phi tD \^u2d\mu \right) , (10) \int \Phi tD1 \^u2 d\mu = \int D1 (\^u \circ \Phi t) 2d\mu t = \int D1 (\^u \circ \Phi t) 2d\mu t d\mu d\mu . (11) Далее воспользуемся следующим фактом: если функция w неотрицательна, существует d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \int \Phi tD1 wd\mu и при достаточно малых t > 0 имеет место вложение \Phi tD1 \supset D1, то d dt \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| t=0 \int \Phi tD1 wd\mu = \mathrm{l}\mathrm{i}\mathrm{m} t\rightarrow 0 1 t \left( \int \Phi tD1 wd\mu - \int D1 wd\mu \right) \geq 0. На основании (11), полагая D1 = \Phi sD (при достаточно малых s и t > 0 имеет место вложение \Phi sD \subset \Phi t+sD) и используя (6), получаем d dt \int \Phi tD \^u2 d\mu = d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \int \Phi t(\Phi sD) \^u2 d\mu = d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \int \Phi sD (\^u \circ \Phi t) 2d\mu t d\mu d\mu \leq \leq eC| t| \int S (\^u \circ \Phi t) 2d\sigma = eC| t| \varphi 2(t) \int S u2d\sigma . (12) Теперь из (10) и (12) следует неравенство \| \^u\| 2L2(H) \leq \delta \int - \delta eC| t| \varphi 2(t)t \int S u2d\sigma , что доказывает L2-непрерывность отображения u \mapsto - \rightarrow \^u. Шаг 3. Докажем существование таких констант K1, K2 \in \BbbR , что для любой функции u \in C1 b (\scrM ) выполняется неравенство | | | \bfg \bfr \bfa \bfd \^u | | | 2 \leq K1| | | \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u | | | 2 +K2\| u\| 2L2(\scrM ). (13) Для точек x, лежащих в достаточно малой окрестности \scrM (представимых в виде x = \Phi ty = \Phi (t, y), где t \in \BbbR , y \in \scrM ), обозначим через t(x) значение t, при котором x = \Phi (t(x), y), y \in \scrM . Следовательно, \Phi ( - t(x), x) \in \scrM . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 904 Ю. В. БОГДАНСКИЙ, А. Ю. ПОТАПЕНКО d dx \Phi ( - t(x), x) — линейный оператор в H, образ которого — касательное пространство к \scrM в соответствующей точке y = \Phi ( - t(x), x). Поэтому d dx \Phi ( - t(x), x)h\bot \bfn (\Phi ( - t(x), x)) для каждого h \in H, откуда получаем\biggl( d dx \Phi ( - t(x), x) \biggr) \ast \bfn (\Phi ( - t(x), x)) = 0. (14) Далее используем непрерывную дифференцируемость функции t(\cdot ) (следует из теоремы о неявной функции): d dx \Phi ( - t(x), x) = - \partial \Phi \partial t ( - t(x), x) \cdot t\prime (x) + \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) = = - \bfn (\Phi ( - t(x), x)) \cdot t\prime (x) + \partial \Phi \partial x ( - t(x), x), откуда следует равенство\biggl( d dx \Phi ( - t(x), x) \biggr) \ast = - \bfg \bfr \bfa \bfd t(x) \cdot \bfn \ast (\Phi ( - t(x), x)) + \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) \biggr) \ast . (15) Здесь вектор h интерпретируем как оператор \BbbR \ni s \mapsto - \rightarrow sh \in H. Поэтому h1h \ast 2 : H \ni x \mapsto - \rightarrow (x, h2)h1 \in H, h\ast 1h2 : \BbbR \ni s \mapsto - \rightarrow (h1, h2)s \in \BbbR . Теперь из (14) и (15) следует - \bfg \bfr \bfa \bfd t(x) \cdot \bfn \ast (\Phi ( - t(x), x)) \cdot \bfn (\Phi ( - t(x), x)) + \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) \biggr) \ast \cdot \cdot \bfn (\Phi ( - t(x), x)) = 0. (16) Поскольку \bfn \ast (y)\bfn (y) = \| n(y)\| 2 = 1 (здесь y \in \scrM ), из (16) получаем \bfg \bfr \bfa \bfd t(x) = \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) \biggr) \ast \bfn (\Phi ( - t(x), x)). (17) Для точек x вида x = \Phi (t, y) (y \in \scrM ) имеем \^u(x) = \varphi (t(x))u (\Phi ( - t(x), x)), \^u\prime (x) = \varphi \prime (t(x)) t\prime (x)u (\Phi ( - t(x), x)) + \varphi (t(x))u\prime (\Phi ( - t(x), x)) d dx \Phi ( - t(x), x). Поэтому, учитывая (15), (17) и равенство \partial \Phi \partial t (t, x) = \bfn (\Phi (t, x)), находим \bfg \bfr \bfa \bfd \^u(x) = \varphi \prime (t(x))u (\Phi ( - t(x), x)) \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) \biggr) \ast \bfn (\Phi ( - t(x), x))+ + \varphi (t(x)) \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) \biggr) \ast - \bfg \bfr \bfa \bfd t(x) \cdot \bfn \ast (\Phi ( - t(x), x)) \cdot \bfg \bfr \bfa \bfd u (\Phi ( - t(x), x)), ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 ЛАПЛАСИАН ПО МЕРЕ НА РИМАНОВОМ МНОГООБРАЗИИ И ЗАДАЧА ДИРИХЛЕ. I 905 откуда, учитывая равенство, справедливое для y \in \scrM , \bfn \ast (y)\bfg \bfr \bfa \bfd u(y) = (\bfg \bfr \bfa \bfd u(y),\bfn (y)) = 0, получаем \bfg \bfr \bfa \bfd \^u(x) = \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t(x), x) \biggr) \ast (\varphi (t(x))\bfg \bfr \bfa \bfd u (\Phi ( - t(x), x))) + + \varphi \prime (t(x))u (\Phi ( - t(x), x))\bfn (\Phi ( - t(x), x)). (18) Заметим, что при достаточно малых t для всех x \in H имеет место оценка \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \partial \partial x \Phi tx \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq 2. Доказательство этого факта содержится в шаге 5. Поэтому при достаточно малом \delta > 0 из (18) при | t| < \delta и y \in \scrM следует неравенство \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u (\Phi ty)\| \leq 2 \bigl( \varphi (t) \| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u(y)\| + | \varphi \prime (t)| | u(y)| \bigr) . (19) Теперь по аналогии с шагом 2 (см. (12)) из (19) получаем \int H \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u\| 2 d\mu = \delta \int - \delta dt \left( d dt \int \Phi tD \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u\| 2 d\mu \right) \leq \leq \delta \int - \delta dt \int \scrM eC| t| 8 \bigl( \varphi 2(t)\| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u\| 2 + (\varphi \prime (t))2u2 \bigr) d\sigma = = 8 \delta \int - \delta eC| t| \varphi 2(t) dt \int \scrM \| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u\| 2d\sigma + 8 \delta \int - \delta eC| t| (\varphi \prime (t))2 dt \int \scrM u2d\sigma , откуда и следует оценка (13). Шаг 4. Пусть последовательность функций um \in C1 b (\scrM ) сходится к 0 в L2(\scrM ), \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM um \rightarrow \bfZ в L2 v(\scrM ). Для проверки замыкаемости оператора \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM следует показать, что \bfZ = 0 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\sigma ). В силу доказанного выше для последовательности функций \^um имеют место сходимости \^um \rightarrow 0 в L2(H),\bfg \bfr \bfa \bfd \^um \rightarrow W в L2 v(H). Из замыкаемости оператора \bfg \bfr \bfa \bfd следует равенство W = 0 (\mathrm{m}\mathrm{o}\mathrm{d}\mu ). \varphi (t) = 1 при | t| < \varepsilon , поэтому для y \in \scrM при | t| < \varepsilon из (18) получаем равенство \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u(y) = \biggl( \partial \Phi \partial x ( - t,\Phi ty) \biggr) \ast \bfg \bfr \bfa \bfd \^u(\Phi ty), откуда следует неравенство \| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u(y)\| \leq \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \partial \Phi \partial x ( - t,\Phi ty) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u(\Phi ty)\| . (20) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 906 Ю. В. БОГДАНСКИЙ, А. Ю. ПОТАПЕНКО Далее (см. шаг 5) будет доказано, что при достаточно малых t при всех x \in H выполнено неравенство \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \partial \Phi \partial x (t, x) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq 2. Поэтому при достаточно малом \delta > 0 (и, соответственно, \varepsilon > 0) при всех t \in ( - \varepsilon , \varepsilon ) и x \in \scrM из (20) следует неравенство \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u (\Phi tx)\| \geq 1 2 \| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u(x)\| . (21) Отсюда \int H \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u\| 2 d\mu \geq \varepsilon \int - \varepsilon dt \left( d dt \int \Phi tD \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u\| 2 d\mu \right) = = \varepsilon \int - \varepsilon \left( d ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| s=0 \int \Phi sD \bigl( \| \bfg \bfr \bfa \bfd \^u\| 2 \circ \Phi t \bigr) d\mu t d\mu d\mu \right) dt \geq [в силу (7) и (21)] \geq \geq \varepsilon \int - \varepsilon dt \int \scrM 1 4 e - C| t| \| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u\| 2d\sigma = \varepsilon \int - \varepsilon 1 4 e - C| t| dt \int \scrM \| \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u\| 2d\sigma . Поэтому существует константа K > 0 такая, что для всех u \in C1 b (\scrM ) имеет место оценка | | | \bfg \bfr \bfa \bfd \^u | | | \geq K| | | \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM u | | | , откуда и следует необходимый результат. Шаг 5. Для каждого фиксированного x \in H однопараметрическое операторное семейство\biggl\{ \partial \partial x \Phi tx \biggr\} удовлетворяет уравнению d dt \biggl( \partial \partial x \Phi tx \biggr) = \bfN \prime (\Phi tx) \partial \partial x \Phi tx и начальному условию \partial \partial x \Phi tx \bigm| \bigm| \bigm| t=0 = \mathrm{I}. Тем самым X(t) = \partial \partial x \Phi tx является решением задачи Коши d dt X(t) = A(t)X(t), X(0) = \mathrm{I}, где A(t) = \bfN \prime (\Phi tx). Согласно условию, наложенному на поле \bfN , \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} H \| \bfN \prime (\cdot )\| < \infty , поэтому, в силу оценки \| X(t)\| \leq \mathrm{e}\mathrm{x}\mathrm{p} \biggl( \int t 0 \| A(\tau )\| d\tau \biggr) (см. [18]), делаем вывод о существовании \delta > 0, для которого при всех t \in ( - \delta , \delta ) и x \in H справедлива оценка\bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \partial \partial x \Phi tx \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq 2. Tеорема 1 доказана. Во второй части работы в области риманова многообразия \scrM класса C2 с конечной бо- релевской мерой \sigma , имеющей свойство полноты носителя, будет рассмотрен пример задачи Дирихле. При этом будет доказано, что условие замыкаемости оператора \bfg \bfr \bfa \bfd = \bfg \bfr \bfa \bfd \scrM позволяет реализовать при исследовании поставленной задачи классическую технику. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7 ЛАПЛАСИАН ПО МЕРЕ НА РИМАНОВОМ МНОГООБРАЗИИ И ЗАДАЧА ДИРИХЛЕ. I 907 Литература 1. Gross L. Potential theory on Hilbert space // J. Funct. Anal. – 1967. – 1. – P. 123 – 181. 2. Далецкий Ю. Л. Бесконечномерные эллиптические операторы и связанные с ними параболические уравнения // Успехи мат. наук. – 1967. – 22, № 4. – C. 3 – 54. 3. Леви П. Конкретные проблемы функционального анализа. – М.: Наука, 1967. – 512 c. 4. Немировский А. С., Шилов Г. Е. Об аксиоматическом описании оператора Лапласа для функций на гильбер- товом пространстве // Функцион. анализ и его прил. – 1969. – 3, № 3. – C. 79 – 85. 5. Богданский Ю. В. Задача Коши для параболических уравнений с существенно бесконечномерными эллипти- ческими операторами // Укр. мат. журн. – 1977. – 29, № 6. – C. 781 – 784. 6. Accardi L., Smolianov O.G. On Laplacians and traces // Conf. Semin. Univ. Bari. – 1993. – 250. – P. 1 – 25. 7. Accardi L., Barhoumi A., Ouerdiane H. A quantum approach to Laplace operators // Infinite Dimens. Anal. Quant. Probab. Relat. Top. – 2006. – 9. – P. 215 – 248. 8. Accardi L., Ji U. C., Saito K. Exotic Laplacians and associated stohastic processes // Infinite Dimens. Anal. Quant. Probab. Relat. Top. – 2009. – 12. – P. 1 – 19. 9. Богданский Ю. В. Лапласиан по мере на гильбертовом пространстве и задача Дирихле для уравнения Пуассона в L2 -версии // Укр. мат. журн. – 2011. – 63, № 9. – C. 1169 – 1178. 10. Богданский Ю. В., Санжаревский Я. Ю. Задача Дирихле с лапласианом по мере на гильбертовом простран- стве // Укр. мат. журн. – 2014. – 66, № 6. – C. 733 – 739. 11. Богданский Ю. В. Граничный оператор следа в области гильбертова пространства и характеристическое свойство его ядра // Укр. мат. журн. – 2015. – 67, № 11. – C. 1450 – 1460. 12. Богданский Ю. В., Санжаревский Я. Ю. Лапласиан по мере и эргодическая теорема // Укр. мат. журн. – 2015. – 67, № 9. – C. 1172 – 1180. 13. Aubin T. Nonlinear analisys on manifolds. Monge – Ampère equations. – New York: Springer-Verlag, 1982. – 204 p. 14. Strichartz R. S. Analysis of the Laplacian on the complete Riemannian manifold // J. Funct. Anal. – 1983. – 52. – P. 48 – 79. 15. Далецкий Ю. Л., Белопольская Я. И. Стохастические уравнения и и дифференциальная геометрия. – Киев: Вища шк., 1989. – 296 c. 16. Бирман М. Ш., Соломяк М. З. Спектральная теория самосопряженных операторов в гильбертовом простран- стве. – Л.: Изд-во Ленингр. гос. ун-та, 1980. – 264 c. 17. Богданский Ю. В. Банаховы многообразия с ограниченной структурой и формула Гаусса – Остроградского // Укр. мат. журн. – 2012. – 64, № 10. – C. 1299 – 1313. 18. Далецкий Ю. Л., Крейн М. Г. Устойчивость решений дифференциальных уравнений в банаховом простран- стве. – М.: Наука, 1970. – 534 c. Получено 15.12.15 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2016, т. 68, № 7
id umjimathkievua-article-1889
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
last_indexed 2026-03-24T02:14:38Z
publishDate 2016
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/b0/03ea9541577534f46a7099877959f5b0.pdf
spelling umjimathkievua-article-18892019-12-05T09:30:55Z Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I Лапласиан по мере на римановом многообразии и задача Дирихле. I Bogdanskii, Yu. V. Potapenko, A. Yu. Богданский, Ю. В. Потапенко, А. Ю. Богданский, Ю. В. Потапенко, А. Ю. We propose an $L^2$ -version of the Laplacian with respect to measure on an infinite-dimensional Riemannian manifold. The Dirichlet problem for equations with proposed Laplacian is solved in the region of a Rimannian manifold from a certain class. Запропоновано $L^2$ -версiю лапласiана за мiрою на (нескiнченновимiрному) рiмановому многовидi. Розв’язано задачу Дiрiхле для рiвнянь з уведеним лапласiаном в областi рiманового многовиду певного класу. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2016-07-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1889 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 68 No. 7 (2016); 897-907 Український математичний журнал; Том 68 № 7 (2016); 897-907 1027-3190 rus https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1889/871 Copyright (c) 2016 Bogdanskii Yu. V.; Potapenko A. Yu.
spellingShingle Bogdanskii, Yu. V.
Potapenko, A. Yu.
Богданский, Ю. В.
Потапенко, А. Ю.
Богданский, Ю. В.
Потапенко, А. Ю.
Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I
title Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I
title_alt Лапласиан по мере на римановом многообразии и задача Дирихле. I
title_full Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I
title_fullStr Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I
title_full_unstemmed Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I
title_short Laplacian with respect to measure on a Riemannian manifold and Dirichlet problem. I
title_sort laplacian with respect to measure on a riemannian manifold and dirichlet problem. i
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/1889
work_keys_str_mv AT bogdanskiiyuv laplacianwithrespecttomeasureonariemannianmanifoldanddirichletproblemi
AT potapenkoayu laplacianwithrespecttomeasureonariemannianmanifoldanddirichletproblemi
AT bogdanskijûv laplacianwithrespecttomeasureonariemannianmanifoldanddirichletproblemi
AT potapenkoaû laplacianwithrespecttomeasureonariemannianmanifoldanddirichletproblemi
AT bogdanskijûv laplacianwithrespecttomeasureonariemannianmanifoldanddirichletproblemi
AT potapenkoaû laplacianwithrespecttomeasureonariemannianmanifoldanddirichletproblemi
AT bogdanskiiyuv laplasianpomerenarimanovommnogoobraziiizadačadirihlei
AT potapenkoayu laplasianpomerenarimanovommnogoobraziiizadačadirihlei
AT bogdanskijûv laplasianpomerenarimanovommnogoobraziiizadačadirihlei
AT potapenkoaû laplasianpomerenarimanovommnogoobraziiizadačadirihlei
AT bogdanskijûv laplasianpomerenarimanovommnogoobraziiizadačadirihlei
AT potapenkoaû laplasianpomerenarimanovommnogoobraziiizadačadirihlei