1 差分商
定義 1.1 (差分商).V⊆Rnを開集合、ejを第j座標方向の単位ベクトルとする。h∈R∖{0}とv∈Lloc1(V)に対し、x,x+hej∈Vの範囲で
τh,jv(x)=v(x+hej),δh,jv(x)=hv(x+hej)−v(x)と定め、δh,jvをvの第j方向の刻みhの 差分商 (difference quotient) という。
補題 1.2.U,V⊆RnをU⋐Vを満たす開集合、1≤j≤nとする。このとき、次の二つが成り立つ。
- v∈H1(V)ならば、0<∣h∣<dist(U,Rn∖V)に対して
∥δh,jv∥L2(U)≤∥∂jv∥L2(V)
が成り立つ。
- v∈L2(V)とし、ある0<h0<dist(U,Rn∖V)とM<∞に対して0<∣h∣<h0ならば∥δh,jv∥L2(U)≤Mとする。このとき∂jv∈L2(U)であり、∥∂jv∥L2(U)≤Mが成り立つ。
証明.主張 (1)を示す。§E15.8 定理 2.1と§E13.29 定理 3.4により、ほとんどすべての座標直線上で
δh,jv(x)=∫01∂jv(x+thej)dtが成り立つ。線分{x+thej:0≤t≤1}はx∈UならばVに含まれる。Cauchy–Schwarz の不等式と変数変換により
∫U∣δh,jv∣2dx≤∫01∫U∣∂jv(x+thej)∣2dxdt≤∥∂jv∥L2(V)2となる。
主張 (2)を示す。hν→0を満たす非零実数列をとる。§E12.35 系 5.5により、部分列についてδhν,jv⇀gがL2(U)で成り立つ。任意のφ∈Cc∞(U;C)に対して、変数変換により
∫Uδhν,jvφdx=−∫Vvδ−hν,jφdx⟶−∫Uv∂jφdxとなる。ここではφを零拡張し、十分大きいνについて積分している。左辺の極限は∫Ugφdxであるから、g=∂jvである。さらに、弱収束と Cauchy–Schwarz の不等式から
∥g∥22=νlim∫Uδhν,jvgdx≤M∥g∥2となり、所要の評価を得る。▨
補題 1.3.h=0、1≤j≤n、v,w∈L2(Rn)とする。このとき
∫Rnvδ−h,jwdx=−∫Rnδh,jvwdxが成り立つ。また、V⊆Rnを開集合、a,vをV上の複素数値可測関数とすると、x,x+hej∈Vの範囲で
δh,j(av)=(τh,ja)δh,jv+(δh,ja)vが成り立つ。行列とベクトルの積にも、成分ごとに同じ公式が成り立つ。v∈Hloc1(V)ならば、平行移動した領域との共通部分で∂iδh,jv=δh,j∂ivが弱微分の意味で成り立つ。
証明. 最初の積分のw(x−hej)を含む項でy=x−hejと変数変換すると、右辺を得る。積則は
a(x+hej)v(x+hej)−a(x)v(x)=a(x+hej)(v(x+hej)−v(x))+(a(x+hej)−a(x))v(x)をhで割ることで従う。微分との交換は、平行移動した試験関数に弱微分の定義を適用して従う。▨
2 二階の内部正則性
定義 2.1 (内部の弱解).Ω⊆Rnを開集合、A=(aij)∈Lloc∞(Ω;Cn×n)、b∈Lloc∞(Ω;Cn)、c∈Lloc∞(Ω;C)、f∈Lloc2(Ω;C)とする。u∈Hloc1(Ω;C)が
∫Ω[A∇u⋅∇φ+(b⋅∇u+cu)φ]dx=∫Ωfφdx(φ∈Cc∞(Ω;C))を満たすとき、uをLu=fの 内部の弱解 (interior weak solution) という。ただしL=−∑i,j∂i(aij∂j)+∑jbj∂j+cである。Ωが有界 Lipschitz 開集合であり、A,b,cがΩ上で有界な場合を考える。§E15.16 定義 1.3の形式aにおいて発散項の係数dを零とし、その形式域をVとする。f∈L2(Ω;C)に対しF(v)=∫Ωfvdx(v∈V)とおき、u∈H1(Ω;C)は、あるG∈H1(Ω;C)についてu−G∈Vかつa(u,v)=F(v)(v∈V)を満たすとする。任意のφ∈Cc∞(Ω;C)はVに属し、φのトレースTφは零であるから、a(u,φ)=F(φ)の境界項は消える。したがってuは上の内部の弱解である。
定理 2.2.Ω⊆Rnを開集合とし、A∈Wloc1,∞(Ω;Cn×n)、b∈Lloc∞(Ω;Cn)、c∈Lloc∞(Ω;C)とする。任意のV⋐Ωに対してθV>0が存在し、ほとんどすべてのx∈Vとすべてのξ∈Cnに対して
ℜ(A(x)ξ⋅ξ)≥θV∣ξ∣2が成り立つとする。このとき、f∈Lloc2(Ω)に対する内部の弱解u∈Hloc1(Ω)はHloc2(Ω)に属する。さらに、任意の開集合U⋐V⋐Ωに対して
∥u∥H2(U)≤C(∥f∥L2(V)+∥u∥H1(V))が成り立つ。定数Cはn,U,V,θVとV上の係数ノルム∥A∥W1,∞、∥b∥∞、∥c∥∞だけに依存する。
証明.§E10.47 定理 2.1により、0≤η≤1、η=1がUの近傍で成り立つη∈Cc∞(V;R)をとる。g=f−b⋅∇u−cuとおくと
∥g∥L2(V)≤C(∥f∥L2(V)+∥u∥H1(V)).jを固定し、平行移動したsuppηがV内に収まるほど小さい∣h∣>0をとる。添字jを省略し、w=δhu、z=η2wとおく。補題 1.3と§E15.8 命題 3.1により、wはsuppηの近傍でH1に属する。したがって、zと−δ−hzはV内にコンパクトな台をもつH1関数である。§E15.8 命題 4.2により、これらをCc∞(V)の関数でH1近似することができる。弱形式の両辺はH1ノルムについて連続であるから、−δ−hzを試験関数とすることができる。
補題 1.3を弱形式に適用すると
∫V(τhA)∇w⋅∇zdx=−∫V(δhA)∇u⋅∇zdx−∫Vgδ−hzdx.すべての平行移動はV内で行い、台の外の試験関数は零と解釈している。Aの ACL 代表に一次元の積分公式を適用すると、suppη上で∣δhA∣≤Cn∥DA∥L∞(V)がほとんど至る所で成り立つ。
X=∥η∇w∥2、M=∥u∥H1(V)、G=∥g∥L2(V)とおく。補題 1.2 (1)により、∥w∥L2(suppη)≤Mである。また、zの零拡張はH1(Rn)に属し、同じ差分商評価から
∥δ−hz∥2≤∥∂jz∥2≤C(X+M),∥∇z∥2≤C(X+M)となる。左辺の実部は、∇z=η2∇w+2ηw∇ηと楕円性により
ℜ∫V(τhA)∇w⋅∇zdx≥θVX2−CXMと評価される。したがって
θVX2≤CXM+C(M+G)(X+M).Young の不等式rs≤εr2+s2/(4ε)を用いてX2の項を左辺へ吸収すると、
∥∇δh,ju∥L2(U)≤X≤C(M+G)を得る。定数Cはhに依存しない。
各iについてδh,j∂iu=∂iδh,juであるから、補題 1.2 (2)を∂iuに適用すると∂j∂iu∈L2(U)となる。i,jに関して足し合わせると、所要のH2評価を得る。▨
例 2.3.Ω=(−1,1)とし、
a(x)={12x<0,x>0,u(x)={xx/2x≤0,x>0とおき、a(0)=1とする。このとき、aは有界かつ一様楕円的であるが、Wloc1,∞に属さない。uは Lipschitz 連続であり、au′=1がほとんど至る所で成り立つ。したがって、すべてのφ∈Cc∞(−1,1)に対して
∫−11au′φ′dx=∫−11φ′dx=0であり、uは−(au′)′=0の弱解である。しかし、u′の原点における跳びは−1/2であるから、超関数としてu′′=−21δ0となる。δ0は原点の近傍でL2関数によって表されない。実際、φ∈Cc∞(−1,1)をφ(0)=1となるようにとり、φε(x)=φ(x/ε)とすると、∥φε∥2→0である一方、δ0(φε)=1である。したがってu∈/Hloc2(−1,1)である。
例 2.4.Ω=R、a(x)=1+x2、u(x)=arctanxとする。このとき、u′=1/(1+x2)であるからau′=1であり、−(au′)′=0が成り立つ。非発散形に展開すると
−au′′−a′u′=−(1+x2)(1+x2)2−2x−1+x22x=0となる。一方、−au′′=2x/(1+x2)は恒等的に零ではない。
3 高階の内部正則性
定理 3.1.Ω⊆Rnを開集合、k≥0を整数とする。A∈Wlock+1,∞(Ω;Cn×n)、b∈Wlock,∞(Ω;Cn)、c∈Wlock,∞(Ω;C)とし、任意のV⋐Ω上で、あるθV>0に対してℜ(A(x)ξ⋅ξ)≥θV∣ξ∣2がほとんどすべてのxとすべてのξ∈Cnについて成り立つとする。このとき、f∈Hlock(Ω)に対する内部の弱解u∈Hloc1(Ω)はHlock+2(Ω)に属する。任意の開集合U⋐V⋐Ωに対し
∥u∥Hk+2(U)≤C(∥f∥Hk(V)+∥u∥H1(V))が成り立つ。Cはn,k,U,V,θVとV上の上記係数ノルムだけに依存する。
証明.k=0の主張は定理 2.2である。k≥1とし、次数k−1までの主張が成立すると仮定する。U⋐V1⋐V2⋐Vととると、帰納法の仮定により
∥u∥Hk+1(V2)≤C(∥f∥Hk−1(V)+∥u∥H1(V))となる。∣α∣=kに対してv=Dαuとおく。§E15.8 命題 3.1の一次の積則を繰り返すと、超関数として
Lv=Dαf+0<β≤α∑(βα)div((DβA)∇Dα−βu)−0<β≤α∑(βα)[(Dβb)⋅∇Dα−βu+(Dβc)Dα−βu].主要部の和を発散まで展開すると、各項は
(∂iDβaij)∂jDα−βu+(Dβaij)∂ijDα−βuの形である。係数の微分次数は高々k+1、解の微分次数は高々k+1である。低階項の和における解の微分次数は高々kである。したがって、右辺はL2(V2)の関数Fαであり、
∥Fα∥L2(V2)≤C(∥f∥Hk(V2)+∥u∥Hk+1(V2))となる。v∈H1(V2)であるから、定理 2.2をLv=Fαに適用すると
∥Dαu∥H2(V1)≤C(∥f∥Hk(V2)+∥u∥Hk+1(V2))を得る。∣α∣=kについて足し合わせ、帰納法の評価を代入すると所要の評価が従う。▨
系 3.2.Ω⊆Rnを開集合とし、A,b,c,fはΩ上で滑らかであるとする。Aは各相対コンパクトな開集合上で一様楕円的であるとする。このときLu=fの内部の弱解u∈Hloc1(Ω)は滑らかな代表をもつ。特に、滑らかな係数をもつ同じ楕円型作用素について、Lu=λuを満たすHloc1関数は内部で滑らかである。
証明.定理 3.1により、すべての整数r≥1に対してu∈Hlocr(Ω)である。任意の球B⋐Ωと整数m≥0に対し、r>m+n/2と選ぶ。§E15.10 系 4.2をB上でp=2として適用すると、uはB上でCmの代表をもつ。連続な代表は重なりの上でほとんど至る所一致するため、各点で一致する。mは任意であるから、代表は滑らかである。固有関数の場合は、零階係数をc−λに置き換え、外力を零として同じ結論を適用する。▨
4 第一 Dirichlet 固有関数
定理 4.1.Ω⊆Rnを空でない有界連結 Lipschitz 開集合とし、λ1Dを Dirichlet Laplace 作用素の第一固有値とする。このとき、第一固有空間は複素一次元であり、その生成元を実数値で、すべてのx∈Ωに対してu(x)>0となるように選ぶことができる。
証明. 零でない非負の実数値の第一固有関数q∈H01(Ω)を任意にとる。系 3.2によりqは内部で滑らかな代表をもつ。連続性により、非負性はすべての内点で成り立つ。§E15.19 定理 2.1によりλ1D>0であり、
−Δ(−q)=−λ1Dq≤0となる。もしq(x∗)=0を満たすx∗∈Ωがあれば、−qは内点x∗で大域最大値零をとる。§E15.18 定理 2.2を主要部I、低階係数零として適用すると、qは定数である。方程式−Δq=λ1Dqとλ1D>0により、その定数は零となり、q=0に反する。したがって、零でない非負の実数値の第一固有関数は、その滑らかな代表が内部で厳密に正である。
§E15.19 命題 2.2により、零でない非負の実数値の第一固有関数uが存在する。上の結果によりu(x)>0がすべてのx∈Ωで成り立つ。
任意の実数値の第一固有関数vと内点x0∈Ωに対して
w=v−u(x0)v(x0)uとおく。wは実数値で第一固有空間に属し、w(x0)=0である。w=0と仮定する。§E15.19 命題 2.2により∣w∣は零でない非負の実数値の第一固有関数であり、上の結果により、∣w∣の滑らかな代表はすべての内点で正である。一方、wの滑らかな代表を同じ記号で表すと、連続関数∣w∣は∣w∣の滑らかな代表とほとんど至る所一致するため、すべての内点で一致し、∣w∣(x0)=∣w(x0)∣=0である。これは∣w∣(x0)>0に反する。よってw=0となる。
したがって、すべての実数値の第一固有関数はuの実数倍である。任意の複素第一固有関数の実部と虚部は、零であるか実数値の第一固有関数であるから、複素第一固有空間はCuである。▨