On the Symmetry Breaking
of the Non-critical Caffarelli-Kohn-Nirenberg type inequalities by a linearization method
堀内 利郎
;
茨城大学理学部( [email protected])
本講演では非臨界な
CKN
型不等式の最良定数を決定する変分問題の極値関数の「対称性の崩れ」に関す る報告をする。先ず参考文献[2]
に従い非臨界及び臨界CKN
型不等式の比較的詳しい紹介から始める。1 CKN 型不等式の導入
ここでは
CKN
不等式の記述するのに3つのパラメーターp, q
とγ
を用いる。1 ≤ p ≤ q < ∞ , γ ∈ R \ { 0 } . (1.1)
γ > 0
とγ < 0
の場合をそれぞれ優臨界と劣臨界と呼び、合わせて非臨界と呼ぶ。一方、γ = 0
は臨界と言われる。
Definition 1.1. α ∈ R, R ≥ 1
としてI
α(x) = I
α( | x | ) = 1
| x |
n−αfor x ∈ R
n\{ 0 } , (1.2) A
1,R(x) = A
1,R( | x | ) = log R
| x | for x ∈ B
1\{ 0 } , (1.3)
と定める。0< α < n
のとき,I
α はα
次Riesz kernel
と言われる.このとき、
CKN
型不等式は最良定数をS
p,q;γ とC
p,q;R とし,
次のようになる。γ 6 = 0
のとき∫
Rn
|∇ u(x) |
pI
p(1+γ)(x)dx ≥ S
p,q;γ(∫
Rn
| u(x) |
qI
qγ(x)dx )
p/q, (1.4)
γ = 0
のとき∫
B1
|∇ u(x) |
pI
p(x)dx ≥ C
p,q;R(∫
B1
| u(x) |
qI
0(x) A
1,R(x)
1+q/p0dx
)
p/q. (1.5)
ただし、
S
p,q;γ= inf
u∈C0∞(Rn)\{0}
∫
Rn
|∇ u(x) |
pI
p(1+γ)(x)dx (∫
Rn
| u(x) |
qI
qγ(x)dx
)
p/q(1.6)
C
p,q;R= inf
u∈C0∞(Rn)\{0}
∫
Rn
|∇ u(x) |
pI
p(x)dx (∫
B1
| u(x) |
qI
0(x) A
1,R(x)
1+q/p0dx
)
p/q.
(1.7)
S
radp,q;γ とC
radp,q;Rで 球対称な関数空間C
0∞(R
n)
radにおける最良定数を表す事にする。2 非臨界 CKN- 型不等式について
Definition 2.1. 1 < p ≤ q < ∞ , p
0= p/(p − 1), τ
p,q= 1 p − 1
q , B( · , · )
を ベータ関数としてγ
p,q= n − 1
1 + q/p
0, S
p,q= (p
0)
p−2+p/qq
p/q( ω
nτ
p,qB ( 1
p τ
p,q, 1 p
0τ
p,q))
1−p/qif p < q. (2.1)
1
この
S
p,qの定義で連続性からS
p,p= 1
であることを注意する。基本的性質をまとめておく。Theorem 2.1. 1 < p ≤ q ≤ q < ∞ , τ
p,q≤ 1
n
のとき、1.
(対称性1)Sp,q;γ= S
p,q;−γ, S
radp,q;γ= S
radp,q;−γfor γ 6 = 0.
2. S
radp,q;γ= S
p,q| γ |
p(1−τp,q)for γ 6 = 0.
3.
(対称性2)S
p,q;γ= S
radp,q;γ= S
p,q| γ |
p(1−τp,q)for 0 < | γ | ≤ γ
p,q.
4. γ
γ
p(1−τp,q)
S
p,q;γ≤ S
p,q;γ≤ γ γ
pτp,q
S
p,q;γfor 0 < | γ | ≤ | γ | .
5. 1
(2 − γ
p,p∗/γ)
pS
p,p∗;γp,p∗≤ S
p,p∗;γ≤ S
p,p∗;γp,p∗= S
radp,p∗;γp,p∗for | γ | ≥ γ
p,p∗= n − p
p if p < n.
6. S
2,2∗;γ= S
2,2∗;γ2,2∗= S
rad2,2∗;γ2,2∗for | γ | ≥ γ
2,2∗= n − 2
2 if p = 2 < n.
7. S
p,q;γ≥ ( | γ |
pτq,q(S
p,q;γ)
τp,q)
1/τp,qfor γ 6 = 0.
特に,
S
p,q;γ≥ | γ |
p(1−nτp,q)(S
p,p∗;γ)
nτp,qfor γ 6 = 0 if p < n.
Remark 2.1. 1. S
p,p;γ= S
radp,p;γ= | γ |
pfor γ 6 = 0.
2. For 1 < p < n, S
p,p∗;γp,p∗= S
radp,p∗;γp,p∗= n ( n − p
p − 1 )
p−1(
ω
np
0B
( n p , n
p
0))
p/n(ソボレフ最良定数)
Theorem 2.2. For 1 < p < ∞ ,
写像([ p, p
∗] \{∞} ) × (R \{ 0 } ) 3 (q ; γ) 7→ S
p,q;γ, S
radp,q;γ∈ R (2.2)
は連続で、特にS
p,q;γ→ S
p,p;γ= | γ |
pas q → p.
Theorem 2.3. 1 < p ≤ q < ∞ , τ
p,q≤ 1/n, p
∗= np/(n − p)
とγ 6 = 0
として、1.
もしp < q
ならば,S
radp,q;γ はW
γ,01,p(R
n)
rad\{ 0 } .
で達成される。2.
もしp < q < p
∗ならば,S
p,q;γ はW
γ,01,p(R
n) \{ 0 } .
で達成される。3.
もしp < n, q = p
∗ かつ| γ | ≤ (n − p)/p = γ
p,p∗ ならば,S
p,p∗;γ= S
radp,p∗;γ はW
γ,01,p(R
n)
rad\{ 0 }
で達成される。4.
もしp = 2 < n, q = 2
∗= 2n/(n − 2) and | γ | > (n − 2)/2 = γ
2,2∗ ならば, S
2,2∗;γ= S
rad2,2∗;γ2,2∗が成り立ち、
S
2,2∗;γ はW
γ,01,2(R
n) \{ 0 } .
で達成されない。Theorem 2.4. (球対称な極値関数 ) 1 < p < q < + ∞
かつγ > 0
としてS
radp,q;γ は次の球対称関数u(x) = u(r), (r = | x | )
で達成される。u(r) = λ
q−p1[1 + r
p−1ph]
−q−pp,
ただし, h = qγτ
p,q> 0, λ = ( p
p − 1 )
p−1γ
pq. (2.3)
さらに
u
は次のEuler-Lagrange
方程式を満たす:
L
p,γ(u) ≡ − div (I
p(1+γ)(x) |∇ u |
p−2∇ u) = I
qγ(x) | u |
q−2u. (2.4)
3 臨界 CKN- 型不等式
Theorem 3.1. 1 < p ≤ q < ∞ , τ
p,q≤ 1/n
とする.もし
R > 1
ならば、C
radp,q;R≥ C
p,q;R> 0.
もし
R = 1
ならば,次が成立する:1.
もしn = 1
ならば,C
radp,q;1≥ C
p,q;1> 0
が成立する.2.
もしn ≥ 2
ならば, C
radp,q;1> 0
が成立する.
さらにC
p,q;1= 0
が成立する. Definition 3.1. 1 < p ≤ q < ∞
として次の様に定める。R
p,q= exp 1 + q/p
0(n − 1)p
0if n ≥ 2, C
p,q= S
p,q(p
0)
p(1−τp,q). (3.1) Theorem 3.2. 1 < p ≤ q < ∞
かつτ
p,q≤ 1/n
とする. そのとき、次が成立する:1. C
radp,q;R= C
p,qfor R ≥ 1.
2. C
p,q;R= C
radp,q;R= C
p,qfor R ≥
{ 1 if n = 1, R
p,qif p ≥ n ≥ 2.
3. C
p,q;R≤ C
p,q;R≤ ( log R
log R )
pC
p,q;Rfor 1 < R ≤ R.
Theorem 3.3. 1. 1 < p < ∞
のとき,下の写像は連続である:([ p, p
∗] \{∞} ) × (1, ∞ ) 3 (q ; R) 7→ C
p,q;R, C
radp,q;R∈ R (3.2) 2. n = 1
かつ1 < p < ∞
のとき,下の写像は連続である:[ p, ∞ ) × [1, ∞ ) 3 (q ;R ) 7→ C
p,q;R= C
radp,q;R∈ R (3.3) Theorem 3.4. 1 < p < q < ∞ , τ
p,q≤ 1/n
かつR ≥ 1
と仮定する. そのとき、次が成立する.1. R = 1
とするとき, C
radp,q;1 はW
0,01,p(B
1)
rad\{ 0 }
で達成される.
2. n = 1, R = 1
とするとき,C
p,q;1= C
radp,q;1 はW
0,01,p(( − 1,1))
rad\{ 0 }
で達成される.3. R > 1
とするとき,C
radp,q;R はW
0,01,p(B
1)
rad\{ 0 }
で達成されない.Proposition 3.1. 1 < p = q < ∞
かつτ
p,q≤ 1/n
とする. もしR > 1
が十分大きければ,C
p,p;R, C
radp,p;R は、それぞれW
0,01,p(B
1) \{ 0 } , W
0,01,p(B
1)
rad\{ 0 }
において達成されない.4 線形化 CKN-type 作用素
Definition 4.1.
∀ϕ ∈ C
0∞(R
n)
に対してL
0p,γ(u)ϕ = − div
(
I
p(γ+1)(x) |∇ u |
p−2(
∇ ϕ + (p − 2) ( ∇ u, ∇ ϕ)
|∇ u |
2∇ u ))
(4.1)
5 主要な結果
Theorem 5.1. ( The symmetry breaking ) n > 1
とする. q
をp < q < p
∗を満たすように固定す る. そのとき、十分大きいすべての| γ |
で,最良定数S
p,q;γ は球対称関数空間W
γ,01,p(R
n)
radにおいては 達成されない.証明は球対称関数
u
を摂動し最小値が球対称関数で達成されない事を見る。具体的には線形化作用 素の固有関数w
0and w
1を摂動とする次の汎関数を考え陰関数定理よりu
を横断する曲線を構成し用 いる。この方法では、そのようなγ
の上からの評価も得られる。G(η, s) =
∫
Rn