§E15.43Evans–Krylov の定理

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一様楕円型の線形方程式A(x):D2u=fA(x):D^2u=fのC2C^2解の二階微分は、係数AAと右辺ffが Hölder 連続であれば、Schauder の内部評価により局所的に Hölder 連続である。完全非線形方程式F(D2u,x)=0F(D^2u,x)=0では、この方法をそのまま使うことはできない。方程式を線形化して得られる係数a(D2u(x),x)a(D^2u(x),x)はD2uD^2uを含むので、その Hölder 連続性は求める結論そのものを前提とするからである。一様楕円型の方程式F(D2u)=0F(D^2u)=0のC2C^2解の一階微分は、一様楕円性だけから内部 Hölder 評価を満たす(§E15.42 系 3.6)。しかし、一様楕円性だけからは、解の二階微分の連続性は従わない。実際、Nadirashvili–Vlăduţ は、凹性を課さない一様楕円型の方程式F(D2u)=0F(D^2u)=0について、次元1212でC1,1C^{1,1}に属するがC2C^2に属さない粘性解を構成した。これに対して、FFがSn\mathcal S^nとB1‾\overline{B_1}の近傍との直積の上のC2C^2関数であり、行列変数について凹で、λ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であれば、F(D2u,x)=0F(D^2u,x)=0を満たすu∈C4(B1)u\in C^4(B_1)の二階微分はB1/2B_{1/2}上で Hölder 評価を満たす。その指数と定数は、n,λ,Λn,\lambda,\Lambdaと、sup⁡B1∣D2u∣\sup_{B_1}|D^2u|の上界K0K_0と、∣M∣≤K0|M|\leq K_0を満たすM∈SnM\in\mathcal S^nとx∈B1‾x\in\overline{B_1}におけるFFの空間変数についての一階・二階の偏微分と行列変数・空間変数についての混合偏微分の上界によって定まる。凹で一様楕円型のFFには、λI≤aν≤ΛI\lambda I\leq a_\nu\leq\Lambda Iを満たす有限個の一次関数の最小値F(M)=min⁡ν(aν:M+bν)F(M)=\min_\nu(a_\nu:M+b_\nu)が含まれる。本記事では、凹な一様楕円型の方程式の解について、二階微分の内部 Hölder 評価とその帰結を扱う。

1 線形化と方向二階微分

定義 1.1.n≥1n\geq1を整数、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambdaとし、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合とする。

  1. C⊆Sn\mathcal C\subseteq\mathcal S^nを凸な開集合とする。関数F:C→RF:\mathcal C\to\RがC\mathcal C上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型 (uniformly elliptic on a convex open set) であるとは、M∈CM\in\mathcal C、M+N∈CM+N\in\mathcal C、N≥0N\geq0を満たすすべてのM,N∈SnM,N\in\mathcal S^nについて λtr⁡N≤F(M+N)−F(M)≤Λtr⁡N\lambda\operatorname{tr}N\leq F(M+N)-F(M)\leq\Lambda\operatorname{tr}N が成り立つことをいう。
  2. O⊆Sn×U\mathcal O\subseteq\mathcal S^n\times Uを開集合とし、各x∈Ux\in Uについて切り口Ox={M∈Sn∣(M,x)∈O}\mathcal O_x=\{M\in\mathcal S^n\mid(M,x)\in\mathcal O\}が凸であるとする。関数F:O→RF:\mathcal O\to\RがO\mathcal O上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であるとは、各x∈Ux\in UについてF(⋅,x)F(\cdot,x)がOx\mathcal O_x上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であることをいう。FFが行列変数について凹 (concave in the matrix variable) であるとは、各x∈Ux\in UについてF(⋅,x)F(\cdot,x)がOx\mathcal O_x上の凹関数であることをいう。

C=Sn\mathcal C=\mathcal S^nのとき、(1)の条件は§E15.42 定義 3.2の一様楕円性と一致する。

注意 1.2.定義 1.1 (2)の一様楕円性は、§E15.42 命題 3.4 (1)の不等式の条件と同じである。各切り口が凸である開集合O⊆Sn×U\mathcal O\subseteq\mathcal S^n\times U上のF∈C1(O)F\in C^1(\mathcal O)について、a(M,x)a(M,x)を同項の行列とする。このとき、FFがO\mathcal O上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であることは、すべての(M,x)∈O(M,x)\in\mathcal OについてλI≤a(M,x)≤ΛI\lambda I\leq a(M,x)\leq\Lambda Iが成り立つための必要十分条件である。

補題 1.3.n≥1n\geq1を整数、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambdaとする。ξ∈Rn\xi\in\R^nに対して成分ξiξj\xi^i\xi^jをもつ行列をξ⊗ξ\xi\otimes\xiと書き、M∈SnM\in\mathcal S^nに対して∣M∣=(M:M)1/2|M|=(M:M)^{1/2}とおく。このとき、n,λ,Λn,\lambda,\Lambdaだけに依存する整数m≥1m\geq1、単位ベクトルξ1,…,ξm∈Rn\xi_1,\dots,\xi_m\in\R^n、実数0<λ∗≤Λ∗0<\lambda_*\leq\Lambda_*が存在して、次が成り立つ。

  1. λI≤a≤ΛI\lambda I\leq a\leq\Lambda Iを満たす任意のa∈Sna\in\mathcal S^nは、λ∗≤βν≤Λ∗\lambda_*\leq\beta_\nu\leq\Lambda_*を満たすある実数β1,…,βm\beta_1,\dots,\beta_mによってa=∑ν=1mβν ξν⊗ξνa=\sum_{\nu=1}^m\beta_\nu\,\xi_\nu\otimes\xi_\nuと表される。
  2. 任意のM∈SnM\in\mathcal S^nについて∣M∣≤∑ν=1m∣ξν⊗ξν:M∣|M|\leq\sum_{\nu=1}^m|\xi_\nu\otimes\xi_\nu:M|である。

証明.e1,…,ene_1,\dots,e_nをRn\R^nの標準基底とし、eie_i(1≤i≤n1\leq i\leq n)と(ei+ej)/2(e_i+e_j)/\sqrt2、(ei−ej)/2(e_i-e_j)/\sqrt2(1≤i<j≤n1\leq i<j\leq n)のn2n^2個の単位ベクトルをη1,…,ηn2\eta_1,\dots,\eta_{n^2}と並べる。1≤i<j≤n1\leq i<j\leq nについて

12(ei+ej)⊗(ei+ej)+12(ei−ej)⊗(ei−ej)=ei⊗ei+ej⊗ej,12(ei+ej)⊗(ei+ej)−12(ei−ej)⊗(ei−ej)=ei⊗ej+ej⊗ei\tfrac12(e_i+e_j)\otimes(e_i+e_j)+\tfrac12(e_i-e_j)\otimes(e_i-e_j)=e_i\otimes e_i+e_j\otimes e_j, \qquad \tfrac12(e_i+e_j)\otimes(e_i+e_j)-\tfrac12(e_i-e_j)\otimes(e_i-e_j)=e_i\otimes e_j+e_j\otimes e_i

である。左の等式をi<ji<jについて加え、∑iei⊗ei=I\sum_ie_i\otimes e_i=Iを加えると∑kηk⊗ηk=I+(n−1)I=nI\sum_k\eta_k\otimes\eta_k=I+(n-1)I=nIを得る。ei⊗eie_i\otimes e_i(1≤i≤n1\leq i\leq n)と右の等式の右辺ei⊗ej+ej⊗eie_i\otimes e_j+e_j\otimes e_i(i<ji<j)はSn\mathcal S^nを張り、いずれもηk⊗ηk\eta_k\otimes\eta_kの一次結合であるから、線形写像T:Rn2→SnT:\R^{n^2}\to\mathcal S^n、T(c)=∑kck ηk⊗ηkT(c)=\sum_kc_k\,\eta_k\otimes\eta_kは全射である。T∘S=idT\circ S=\mathrm{id}を満たす線形写像S:Sn→Rn2S:\mathcal S^n\to\R^{n^2}を一つ固定し、max⁡k∣(Sb)k∣≤sn∣b∣\max_k|(Sb)_k|\leq s_n|b|がすべてのb∈Snb\in\mathcal S^nについて成り立つsn>0s_n>0をとり、δn=1/(2sn)\delta_n=1/(2s_n)とおく。∣b−nI∣<δn|b-nI|<\delta_nならばc=(1,…,1)+S(b−nI)c=(1,\dots,1)+S(b-nI)はT(c)=bT(c)=bとck∈(1/2,3/2)c_k\in(1/2,3/2)を満たす。

T={a∈Sn∣(λ/2)I≤a≤ΛI}\mathcal T=\{a\in\mathcal S^n\mid(\lambda/2)I\leq a\leq\Lambda I\}とおく。T\mathcal Tは閉集合であり、a∈Ta\in\mathcal Tならば∣a∣2|a|^2は固有値の平方和であってnΛ2n\Lambda^2以下であるから、T\mathcal Tはコンパクトである。r=λδn/(4n)r=\lambda\delta_n/(4n)とおく。各b∈Tb\in\mathcal Tについて正規直交な固有ベクトルq1(b),…,qn(b)q_1(b),\dots,q_n(b)と固有値σ1(b),…,σn(b)∈[λ/2,Λ]\sigma_1(b),\dots,\sigma_n(b)\in[\lambda/2,\Lambda]をとる。a∈Sna\in\mathcal S^nが∣a−b∣<r|a-b|<rを満たすならば、∣(4n/λ)(a−b)∣<δn|(4n/\lambda)(a-b)|<\delta_nであるから、あるck∈(1/2,3/2)c_k\in(1/2,3/2)によって

a=∑k=1n(σk(b)−λ4)qk(b)⊗qk(b)+λ4n(nI+4nλ(a−b))=∑k=1n(σk(b)−λ4)qk(b)⊗qk(b)+∑k=1n2λck4nηk⊗ηka=\sum_{k=1}^n\Bigl(\sigma_k(b)-\frac\lambda4\Bigr)q_k(b)\otimes q_k(b)+\frac{\lambda}{4n}\Bigl(nI+\frac{4n}{\lambda}(a-b)\Bigr) =\sum_{k=1}^n\Bigl(\sigma_k(b)-\frac\lambda4\Bigr)q_k(b)\otimes q_k(b)+\sum_{k=1}^{n^2}\frac{\lambda c_k}{4n}\eta_k\otimes\eta_k

と表される。ここでσk(b)−λ/4∈[λ/4,Λ]\sigma_k(b)-\lambda/4\in[\lambda/4,\Lambda]、λck/(4n)∈(0,Λ]\lambda c_k/(4n)\in(0,\Lambda]である。T\mathcal Tはコンパクトであるから、T⊆⋃l=1J{a∣∣a−bl∣<r}\mathcal T\subseteq\bigcup_{l=1}^J\{a\mid|a-b_l|<r\}を満たすb1,…,bJ∈Tb_1,\dots,b_J\in\mathcal Tが存在し、これらはn,λ,Λn,\lambda,\Lambdaだけによって選ばれる。η1,…,ηn2\eta_1,\dots,\eta_{n^2}に続けてqk(bl)q_k(b_l)(1≤l≤J1\leq l\leq J、1≤k≤n1\leq k\leq n)を並べたものをξ1,…,ξm\xi_1,\dots,\xi_mとする(m=n2+nJm=n^2+nJ)。以上により、任意のa′∈Ta'\in\mathcal Tは、0≤γν≤2Λ0\leq\gamma_\nu\leq2\Lambdaを満たすあるγν\gamma_\nuによってa′=∑νγν ξν⊗ξνa'=\sum_\nu\gamma_\nu\,\xi_\nu\otimes\xi_\nuと表される。

主張 (1)を示す。λ∗=λ/(2m)\lambda_*=\lambda/(2m)、Λ∗=λ/(2m)+2Λ\Lambda_*=\lambda/(2m)+2\Lambdaとおく。λI≤a≤ΛI\lambda I\leq a\leq\Lambda Iとし、a′=a−λ∗∑νξν⊗ξνa'=a-\lambda_*\sum_\nu\xi_\nu\otimes\xi_\nuとおく。各ν\nuについて0≤ξν⊗ξν≤I0\leq\xi_\nu\otimes\xi_\nu\leq Iであるから0≤λ∗∑νξν⊗ξν≤(λ/2)I0\leq\lambda_*\sum_\nu\xi_\nu\otimes\xi_\nu\leq(\lambda/2)Iであり、a′∈Ta'\in\mathcal Tである。a′=∑νγν ξν⊗ξνa'=\sum_\nu\gamma_\nu\,\xi_\nu\otimes\xi_\nuと表すと、a=∑ν(λ∗+γν)ξν⊗ξνa=\sum_\nu(\lambda_*+\gamma_\nu)\xi_\nu\otimes\xi_\nuであり、λ∗≤λ∗+γν≤Λ∗\lambda_*\leq\lambda_*+\gamma_\nu\leq\Lambda_*である。

主張 (2)を示す。M∈SnM\in\mathcal S^nについてMii=ei⊗ei:MM_{ii}=e_i\otimes e_i:Mであり、i<ji<jについて右の等式から2Mij=12(ei+ej)⊗(ei+ej):M−12(ei−ej)⊗(ei−ej):M2M_{ij}=\frac12(e_i+e_j)\otimes(e_i+e_j):M-\frac12(e_i-e_j)\otimes(e_i-e_j):Mである。したがって

∣M∣≤∑i,j∣Mij∣=∑i∣Mii∣+2∑i<j∣Mij∣≤∑k=1n2∣ηk⊗ηk:M∣≤∑ν=1m∣ξν⊗ξν:M∣|M|\leq\sum_{i,j}|M_{ij}|=\sum_i|M_{ii}|+2\sum_{i<j}|M_{ij}|\leq\sum_{k=1}^{n^2}|\eta_k\otimes\eta_k:M|\leq\sum_{\nu=1}^m|\xi_\nu\otimes\xi_\nu:M|

が成り立つ。▨

命題 1.4.n≥1n\geq1を整数とし、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、O⊆Sn×U\mathcal O\subseteq\mathcal S^n\times Uを開集合、F∈C2(O)F\in C^2(\mathcal O)とする。(M,x)∈O(M,x)\in\mathcal Oとξ,η∈Rn\xi,\eta\in\R^n、N,N′∈SnN,N'\in\mathcal S^nに対して

∂ξF(M,x)=ddtF(M,x+tξ)∣t=0,DM2F(M,x)[N,N′]=∂2∂s ∂tF(M+sN+tN′,x)∣s=t=0\partial_\xi F(M,x)=\frac{d}{dt}F(M,x+t\xi)\Big|_{t=0},\qquad D_M^2F(M,x)[N,N']=\frac{\partial^2}{\partial s\,\partial t}F(M+sN+tN',x)\Big|_{s=t=0}

とおき、a(M,x)∈Sna(M,x)\in\mathcal S^nとBξ(M,x)∈SnB_\xi(M,x)\in\mathcal S^nを、すべてのN∈SnN\in\mathcal S^nについてddtF(M+tN,x)∣t=0=a(M,x):N\frac{d}{dt}F(M+tN,x)|_{t=0}=a(M,x):Nとddt∂ξF(M+tN,x)∣t=0=Bξ(M,x):N\frac{d}{dt}\partial_\xi F(M+tN,x)|_{t=0}=B_\xi(M,x):Nを満たす行列とする。Ω⊆U\Omega\subseteq Uを開集合とし、u∈C4(Ω)u\in C^4(\Omega)がすべてのx∈Ωx\in\Omegaについて(D2u(x),x)∈O(D^2u(x),x)\in\mathcal OとF(D2u(x),x)=0F(D^2u(x),x)=0を満たすとする。L=a(D2u(x),x):D2L=a(D^2u(x),x):D^2とおき、uξ=ξiDiuu_\xi=\xi^iD_iu、uξη=ξiηjDijuu_{\xi\eta}=\xi^i\eta^jD_{ij}u、D2uξ=D2(uξ)D^2u_\xi=D^2(u_\xi)と書く。このとき次が成り立つ。

  1. Ω\Omega上で、FFとその微分を(D2u(x),x)(D^2u(x),x)で評価して Luξη=−DM2F[D2uξ,D2uη]−Bξ:D2uη−Bη:D2uξ−∂ξ∂ηFLu_{\xi\eta}=-D_M^2F[D^2u_\xi,D^2u_\eta]-B_\xi:D^2u_\eta-B_\eta:D^2u_\xi-\partial_\xi\partial_\eta F である。
  2. O\mathcal Oの各切り口Ox\mathcal O_xが凸であり、FFが行列変数について凹であるならば、Ω\Omega上でLuξξ≥−2Bξ:D2uξ−∂ξ2FLu_{\xi\xi}\geq-2B_\xi:D^2u_\xi-\partial_\xi^2Fである。
  3. C⊆Sn\mathcal C\subseteq\mathcal S^nを凸な開集合、F0∈C2(C)F_0\in C^2(\mathcal C)を凹関数、f∈C2(U)f\in C^2(U)とし、O=C×U\mathcal O=\mathcal C\times U、F(M,x)=F0(M)−f(x)F(M,x)=F_0(M)-f(x)であるならば、Ω\Omega上で Luξξ=fξξ−D2F0(D2u)[D2uξ,D2uξ]≥fξξLu_{\xi\xi}=f_{\xi\xi}-D^2F_0(D^2u)[D^2u_\xi,D^2u_\xi]\geq f_{\xi\xi} である。

証明.aaとBξB_\xiは、内積(A,N)↦A:N(A,N)\mapsto A:NによるSn\mathcal S^n上の線形形式の表現として一意に定まる。F∈C2(O)F\in C^2(\mathcal O)であるから、混合偏微分の順序の交換によりddsa(M,x+sξ):N∣s=0=Bξ(M,x):N\frac{d}{ds}a(M,x+s\xi):N|_{s=0}=B_\xi(M,x):Nである。

主張 (1)を示す。Z(x)=(D2u(x),x)Z(x)=(D^2u(x),x)とおくと、u∈C4(Ω)u\in C^4(\Omega)であるからZZはC2C^2写像である。恒等式F(Z(x))=0F(Z(x))=0をη\eta方向に微分して

a(Z):D2uη+∂ηF(Z)=0a(Z):D^2u_\eta+\partial_\eta F(Z)=0

を得る。左辺の第一項のξ\xi方向の微分はDM2F(Z)[D2uξ,D2uη]+Bξ(Z):D2uη+a(Z):D2uξηD_M^2F(Z)[D^2u_\xi,D^2u_\eta]+B_\xi(Z):D^2u_\eta+a(Z):D^2u_{\xi\eta}であり、第二項のξ\xi方向の微分はBη(Z):D2uξ+∂ξ∂ηF(Z)B_\eta(Z):D^2u_\xi+\partial_\xi\partial_\eta F(Z)であって、それらの和は00である。a(Z):D2uξη=Luξηa(Z):D^2u_{\xi\eta}=Lu_{\xi\eta}であるから、主張 (1)の等式を得る。

主張 (2)を示す。x∈Ωx\in\Omegaとし、M=D2u(x)M=D^2u(x)、N=D2uξ(x)N=D^2u_\xi(x)とおく。Ox\mathcal O_xはMMを含む凸な開集合であり、t↦F(M+tN,x)t\mapsto F(M+tN,x)は00の近傍で定義されたC2C^2の凹関数であるから、その二階微分DM2F(M,x)[N,N]D_M^2F(M,x)[N,N]は00以下である。主張 (1)でη=ξ\eta=\xiとすれば不等式を得る。

主張 (3)を示す。F(M,x)=F0(M)−f(x)F(M,x)=F_0(M)-f(x)では∂ξF(M,x)=−fξ(x)\partial_\xi F(M,x)=-f_\xi(x)はMMによらないからBξ=0B_\xi=0であり、∂ξ2F=−fξξ\partial_\xi^2F=-f_{\xi\xi}、DM2F=D2F0D_M^2F=D^2F_0である。主張 (1)でη=ξ\eta=\xiとすれば等式を得る。F0F_0は凸な開集合C\mathcal C上のC2C^2の凹関数であるからD2F0(D2u)[D2uξ,D2uξ]≤0D^2F_0(D^2u)[D^2u_\xi,D^2u_\xi]\leq0であり、不等式を得る。▨

2 振動の減衰と反復

補題 2.1.n≥1n\geq1、m≥1m\geq1を整数、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambda、0<λ∗≤Λ∗0<\lambda_*\leq\Lambda_*とする。このとき、n,λ,Λ,m,λ∗,Λ∗n,\lambda,\Lambda,m,\lambda_*,\Lambda_*だけに依存する定数C∗≥1C_*\geq1が存在して、次が成り立つ。

x0∈Rnx_0\in\R^n、r>0r>0とし、Bρ=Bρ(x0)B_\rho=B_\rho(x_0)と書く。a=(aij)a=(a^{ij})をB2rB_{2r}上の実対称行列値可測関数でλI≤a≤ΛI\lambda I\leq a\leq\Lambda Iを満たすものとし、L=aijDijL=a^{ij}D_{ij}とおく。c0≥0c_0\geq0、E≥0E\geq0とし、w1,…,wm∈C2(B2r)w_1,\dots,w_m\in C^2(B_{2r})は有界で、各ν\nuについてB2rB_{2r}上でLwν≥−c0Lw_\nu\geq-c_0を満たすとする。さらに、任意のx∈Brx\in B_rとy∈B2ry\in B_{2r}に対して、λ∗≤βν≤Λ∗\lambda_*\leq\beta_\nu\leq\Lambda_*を満たすある実数β1,…,βm\beta_1,\dots,\beta_mが存在して

∑ν=1mβν(wν(y)−wν(x))≥−E\sum_{\nu=1}^m\beta_\nu\bigl(w_\nu(y)-w_\nu(x)\bigr)\geq-E

が成り立つとする。0<s≤2r0<s\leq2rに対してω(s)=∑ν=1m(sup⁡Bswν−inf⁡Bswν)\omega(s)=\sum_{\nu=1}^m\bigl(\sup_{B_s}w_\nu-\inf_{B_s}w_\nu\bigr)とおく。このとき

ω(2r)≤C∗(ω(2r)−ω(r))+C∗(E+r2c0)\omega(2r)\leq C_*\bigl(\omega(2r)-\omega(r)\bigr)+C_*\bigl(E+r^2c_0\bigr)

である。

証明.§E15.42 定理 2.1のn,λ,Λn,\lambda,\Lambdaに対する指数をp0p_0、β=γ=0\beta=\gamma=0に対する定数をC1C_1とし、p=min⁡{p0,1}p=\min\{p_0,1\}とおく。各ν\nuについてMν=sup⁡B2rwνM_\nu=\sup_{B_{2r}}w_\nu、mν=inf⁡B2rwνm_\nu=\inf_{B_{2r}}w_\nu、Mν′=sup⁡BrwνM'_\nu=\sup_{B_r}w_\nu、mν′=inf⁡Brwνm'_\nu=\inf_{B_r}w_\nuとおき、Pν=Mν−wνP_\nu=M_\nu-w_\nuとおく。Pν∈C2(B2r)P_\nu\in C^2(B_{2r})はB2rB_{2r}上でPν≥0P_\nu\geq0とLPν=−Lwν≤c0LP_\nu=-Lw_\nu\leq c_0を満たす。定数関数c0c_0のLn(B2r)L^n(B_{2r})ノルムは2∣B1∣1/nc0r2|B_1|^{1/n}c_0rであるから、§E15.42 定理 2.1をR=rR=r、b=0b=0、c=0c=0、右辺c0c_0に適用し、Hölder の不等式で指数をppへ下げると

(1∣Br∣∫BrPνp)1/p≤(1∣Br∣∫BrPνp0)1/p0≤C1(Mν−Mν′+2∣B1∣1/nr2c0)\Bigl(\frac1{|B_r|}\int_{B_r}P_\nu^{p}\Bigr)^{1/p}\leq\Bigl(\frac1{|B_r|}\int_{B_r}P_\nu^{p_0}\Bigr)^{1/p_0}\leq C_1\bigl(M_\nu-M'_\nu+2|B_1|^{1/n}r^2c_0\bigr)

を得る。

1≤ℓ≤m1\leq\ell\leq mとx∈Brx\in B_rを固定する。y∈B2ry\in B_{2r}に対して仮定のβν\beta_\nuをとると、ν≠ℓ\nu\neq\ellについてwν(y)≤Mνw_\nu(y)\leq M_\nuであるから

βℓ(wℓ(x)−wℓ(y))≤E+∑ν≠ℓβν(wν(y)−wν(x))≤E+Λ∗∑ν≠ℓPν(x)\beta_\ell\bigl(w_\ell(x)-w_\ell(y)\bigr)\leq E+\sum_{\nu\neq\ell}\beta_\nu\bigl(w_\nu(y)-w_\nu(x)\bigr)\leq E+\Lambda_*\sum_{\nu\neq\ell}P_\nu(x)

である。右辺は00以上でありβℓ≥λ∗\beta_\ell\geq\lambda_*であるから、wℓ(x)−wℓ(y)≤λ∗−1(E+Λ∗∑ν≠ℓPν(x))w_\ell(x)-w_\ell(y)\leq\lambda_*^{-1}\bigl(E+\Lambda_*\sum_{\nu\neq\ell}P_\nu(x)\bigr)である。左辺のy∈B2ry\in B_{2r}についての上限をとり、Mℓ−wℓ(x)=Pℓ(x)M_\ell-w_\ell(x)=P_\ell(x)を加えると

Mℓ−mℓ≤Pℓ(x)+Λ∗λ∗∑ν≠ℓPν(x)+Eλ∗M_\ell-m_\ell\leq P_\ell(x)+\frac{\Lambda_*}{\lambda_*}\sum_{\nu\neq\ell}P_\nu(x)+\frac{E}{\lambda_*}

を得る。ℓ\ellについて加えると、C2=1+m(1+Λ∗)/λ∗C_2=1+m(1+\Lambda_*)/\lambda_*について、すべてのx∈Brx\in B_rでω(2r)≤C2(∑νPν(x)+E)\omega(2r)\leq C_2\bigl(\sum_\nu P_\nu(x)+E\bigr)が成り立つ。0<p≤10<p\leq1とs,t≥0s,t\geq0について(s+t)p≤sp+tp(s+t)^p\leq s^p+t^pであるから、両辺をpp乗してBrB_r上で平均すると

ω(2r)p≤C2p(∑ν1∣Br∣∫BrPνp+Ep)\omega(2r)^p\leq C_2^p\Bigl(\sum_\nu\frac1{|B_r|}\int_{B_r}P_\nu^p+E^p\Bigr)

であり、右辺の括弧内のm+1m+1個の項の最大値を考えると

ω(2r)≤C2(m+1)1/p(∑ν(1∣Br∣∫BrPνp)1/p+E)\omega(2r)\leq C_2(m+1)^{1/p}\Bigl(\sum_\nu\Bigl(\frac1{|B_r|}\int_{B_r}P_\nu^p\Bigr)^{1/p}+E\Bigr)

を得る。mν′≥mνm'_\nu\geq m_\nuであるからMν−Mν′≤(Mν−mν)−(Mν′−mν′)M_\nu-M'_\nu\leq(M_\nu-m_\nu)-(M'_\nu-m'_\nu)であり、∑ν(Mν−Mν′)≤ω(2r)−ω(r)\sum_\nu(M_\nu-M'_\nu)\leq\omega(2r)-\omega(r)である。第一段落の弱 Harnack 不等式によるPνP_\nuの積分の評価と、直前のω(2r)\omega(2r)の評価と、∑ν(Mν−Mν′)\sum_\nu(M_\nu-M'_\nu)の評価を合わせると、C∗=C2(m+1)1/pmax⁡{C1,2∣B1∣1/nmC1,1}C_*=C_2(m+1)^{1/p}\max\{C_1,2|B_1|^{1/n}mC_1,1\}について主張の不等式が成り立つ。▨

補題 2.2.0<θ<10<\theta<1、B≥0B\geq0、R0>0R_0>0とし、α=12min⁡{log⁡2(1/θ),1}\alpha=\frac12\min\{\log_2(1/\theta),1\}とおく。このとき、θ\thetaだけに依存する定数CCが存在して、次が成り立つ。ω:(0,R0]→[0,∞)\omega:(0,R_0]\to[0,\infty)を非減少関数とし、0<r≤R0/20<r\leq R_0/2を満たすすべてのrrについてω(r)≤θω(2r)+Br\omega(r)\leq\theta\omega(2r)+Brが成り立つならば、すべての0<ρ≤R00<\rho\leq R_0について

ω(ρ)≤C(ρR0)α(ω(R0)+BR0)\omega(\rho)\leq C\Bigl(\frac\rho{R_0}\Bigr)^\alpha\bigl(\omega(R_0)+BR_0\bigr)

である。

証明.a0=log⁡2(1/θ)a_0=\log_2(1/\theta)とおくと0<α≤a0/2<a00<\alpha\leq a_0/2<a_0かつα≤1/2\alpha\leq1/2であるから、α≤1\alpha\leq1と2αθ=2α−a0<12^\alpha\theta=2^{\alpha-a_0}<1が成り立つ。したがって、§E15.40 補題 3.3をε=ω\varepsilon=\omega、A=BA=B、γ=1\gamma=1、ρ0=R0\rho_0=R_0に適用すると、θ\thetaだけに依存する定数C=2αmax⁡{1,(1−2αθ)−1}C=2^\alpha\max\{1,(1-2^\alpha\theta)^{-1}\}について主張の評価を得る。▨

3 加法的な方程式の振動評価

定理 3.1.n≥1n\geq1を整数、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambdaとする。このとき、n,λ,Λn,\lambda,\Lambdaだけに依存するα∈(0,1)\alpha\in(0,1)と定数CCが存在して、次が成り立つ。

B1=B1(0)⊆RnB_1=B_1(0)\subseteq\R^nとし、M∈SnM\in\mathcal S^nに対して∣M∣=(M:M)1/2|M|=(M:M)^{1/2}とおく。次の条件を仮定する。

  1. C⊆Sn\mathcal C\subseteq\mathcal S^nは凸な開集合であり、F0∈C2(C)F_0\in C^2(\mathcal C)は凹関数で、C\mathcal C上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型である。
  2. f∈C2(B1)f\in C^2(B_1)、u∈C4(B1)u\in C^4(B_1)であり、すべてのx∈B1x\in B_1についてD2u(x)∈CD^2u(x)\in\mathcal CとF0(D2u(x))=f(x)F_0(D^2u(x))=f(x)が成り立つ。

このとき

sup⁡B1/2∣D2u∣+sup⁡x,y∈B1/2x≠y∣D2u(x)−D2u(y)∣∣x−y∣α≤C(sup⁡B1∣D2u∣+sup⁡B1∣Df∣+sup⁡B1∣D2f∣)\sup_{B_{1/2}}|D^2u|+\sup_{\substack{x,y\in B_{1/2}\\x\neq y}}\frac{|D^2u(x)-D^2u(y)|}{|x-y|^\alpha} \leq C\Bigl(\sup_{B_1}|D^2u|+\sup_{B_1}|Df|+\sup_{B_1}|D^2f|\Bigr)

である。右辺は+∞+\inftyであってもよい。

証明.K0=sup⁡B1∣D2u∣K_0=\sup_{B_1}|D^2u|、φ1=sup⁡B1∣Df∣\varphi_1=\sup_{B_1}|Df|、φ2=sup⁡B1∣D2f∣\varphi_2=\sup_{B_1}|D^2f|とおき、これらが有限である場合を考えればよい。ξ1,…,ξm\xi_1,\dots,\xi_m、λ∗,Λ∗\lambda_*,\Lambda_*を補題 1.3のn,λ,Λn,\lambda,\Lambdaに対するものとし、wν=uξνξν=ξν⊗ξν:D2uw_\nu=u_{\xi_\nu\xi_\nu}=\xi_\nu\otimes\xi_\nu:D^2uとおく。∣ξν⊗ξν∣=1|\xi_\nu\otimes\xi_\nu|=1であるから∣wν∣≤K0|w_\nu|\leq K_0である。F0F_0をC×B1\mathcal C\times B_1上の関数と見て§E15.42 命題 3.4 (1)を適用し、その行列をa(M)a(M)とし、A(x)=a(D2u(x))A(x)=a(D^2u(x))とおくと、AAは連続でありλI≤A(x)≤ΛI\lambda I\leq A(x)\leq\Lambda Iを満たす。L=Aij(x)DijL=A^{ij}(x)D_{ij}とおくと、命題 1.4 (3)によりB1B_1上でLwν≥fξνξν≥−φ2Lw_\nu\geq f_{\xi_\nu\xi_\nu}\geq-\varphi_2である。

x0∈B1/2x_0\in B_{1/2}を固定し、Bρ=Bρ(x0)B_\rho=B_\rho(x_0)と書き、0<s≤1/20<s\leq1/2に対してωx0(s)=∑ν(sup⁡Bswν−inf⁡Bswν)\omega_{x_0}(s)=\sum_\nu(\sup_{B_s}w_\nu-\inf_{B_s}w_\nu)とおく。0<r≤1/40<r\leq1/4とするとB2r⊆B1B_{2r}\subseteq B_1である。x∈Brx\in B_r、y∈B2ry\in B_{2r}とする。C\mathcal Cは凸でありF0F_0は凹であるから、F0(D2u(y))≤F0(D2u(x))+A(x):(D2u(y)−D2u(x))F_0(D^2u(y))\leq F_0(D^2u(x))+A(x):(D^2u(y)-D^2u(x))である。∣x−y∣<3r|x-y|<3rであるから、平均値の定理により

A(x):(D2u(y)−D2u(x))≥f(y)−f(x)≥−3rφ1A(x):\bigl(D^2u(y)-D^2u(x)\bigr)\geq f(y)-f(x)\geq-3r\varphi_1

である。補題 1.3 (1)によりA(x)=∑νβν ξν⊗ξνA(x)=\sum_\nu\beta_\nu\,\xi_\nu\otimes\xi_\nu、λ∗≤βν≤Λ∗\lambda_*\leq\beta_\nu\leq\Lambda_*と表すと、∑νβν(wν(y)−wν(x))≥−3rφ1\sum_\nu\beta_\nu(w_\nu(y)-w_\nu(x))\geq-3r\varphi_1を得る。補題 2.1をc0=φ2c_0=\varphi_2、E=3rφ1E=3r\varphi_1に適用し、その定数をC∗C_*とする。C∗C_*はn,λ,Λn,\lambda,\Lambdaだけに依存し、r≤1r\leq1であるから

ωx0(r)≤(1−1C∗)ωx0(2r)+3rφ1+r2φ2≤θ ωx0(2r)+(3φ1+φ2)r,θ=1−12C∗\omega_{x_0}(r)\leq\Bigl(1-\frac1{C_*}\Bigr)\omega_{x_0}(2r)+3r\varphi_1+r^2\varphi_2\leq\theta\,\omega_{x_0}(2r)+(3\varphi_1+\varphi_2)r, \qquad\theta=1-\frac1{2C_*}

が成り立つ。ωx0\omega_{x_0}は(0,1/2](0,1/2]上の非減少関数でありωx0(1/2)≤2mK0\omega_{x_0}(1/2)\leq2mK_0であるから、補題 2.2をR0=1/2R_0=1/2に適用すると、θ\thetaだけで定まるα∈(0,1)\alpha\in(0,1)とC3C_3について、0<ρ≤1/20<\rho\leq1/2のとき

ωx0(ρ)≤C3(2ρ)α(2mK0+(3φ1+φ2)/2)\omega_{x_0}(\rho)\leq C_3(2\rho)^\alpha\bigl(2mK_0+(3\varphi_1+\varphi_2)/2\bigr)

である。

x,y∈B1/2x,y\in B_{1/2}、x≠yx\neq yとする。∣x−y∣<1/2|x-y|<1/2ならば、∣x−y∣<ρ≤1/2|x-y|<\rho\leq1/2を満たすρ\rhoについてy∈Bρ(x)y\in B_\rho(x)であるから、補題 1.3 (2)により

∣D2u(x)−D2u(y)∣≤∑ν∣wν(x)−wν(y)∣≤ωx(ρ)|D^2u(x)-D^2u(y)|\leq\sum_\nu|w_\nu(x)-w_\nu(y)|\leq\omega_x(\rho)

であり、ρ→∣x−y∣\rho\to|x-y|として∣D2u(x)−D2u(y)∣≤2αC3(2mK0+3φ1+φ2)∣x−y∣α|D^2u(x)-D^2u(y)|\leq2^\alpha C_3(2mK_0+3\varphi_1+\varphi_2)|x-y|^\alphaを得る。∣x−y∣≥1/2|x-y|\geq1/2ならば∣D2u(x)−D2u(y)∣≤2K0≤21+αK0∣x−y∣α|D^2u(x)-D^2u(y)|\leq2K_0\leq2^{1+\alpha}K_0|x-y|^\alphaである。sup⁡B1/2∣D2u∣≤K0\sup_{B_{1/2}}|D^2u|\leq K_0と合わせると、n,λ,Λn,\lambda,\Lambdaだけに依存するCCについて主張の評価が成り立つ。▨

4 空間依存の誤差

補題 4.1.n≥1n\geq1を整数、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambdaとし、U⊆RnU\subseteq\R^nを開集合、O⊆Sn×U\mathcal O\subseteq\mathcal S^n\times Uを各切り口Ox\mathcal O_xが凸である開集合とする。F∈C2(O)F\in C^2(\mathcal O)は行列変数について凹で、O\mathcal O上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であるとし、aa、BξB_\xi、∂ξF\partial_\xi Fを命題 1.4のとおりとし、Dx2F=(∂ei∂ejF)i,jD_x^2F=(\partial_{e_i}\partial_{e_j}F)_{i,j}、∣M∣=(M:M)1/2|M|=(M:M)^{1/2}とおく。Ω⊆U\Omega\subseteq Uを開集合とし、u∈C4(Ω)u\in C^4(\Omega)がすべてのx∈Ωx\in\Omegaについて(D2u(x),x)∈O(D^2u(x),x)\in\mathcal OとF(D2u(x),x)=0F(D^2u(x),x)=0を満たすとし、L=a(D2u(x),x):D2L=a(D^2u(x),x):D^2とおく。K0,μ2≥0K_0,\mu_2\geq0とし、すべてのx∈Ωx\in\Omegaについて∣D2u(x)∣≤K0|D^2u(x)|\leq K_0であり、(D2u(x),x)(D^2u(x),x)において∣Dx2F∣≤μ2|D_x^2F|\leq\mu_2が成り立ち、∣ξ∣=1|\xi|=1を満たすすべてのξ∈Rn\xi\in\R^nについて∣Bξ∣≤μ2|B_\xi|\leq\mu_2が成り立つとする。K≥K0K\geq K_0、ε>0\varepsilon>0とし、K1=K0+nKK_1=K_0+\sqrt nK、

Cε=μ22(1+2εnK1)22ελ+μ2(1+2εK1)C_\varepsilon=\frac{\mu_2^2(1+2\varepsilon\sqrt nK_1)^2}{2\varepsilon\lambda}+\mu_2(1+2\varepsilon K_1)

とおく。このとき、∣ξ∣=1|\xi|=1を満たす任意のξ∈Rn\xi\in\R^nについて、w=uξξ+ε∣D2u+KI∣2w=u_{\xi\xi}+\varepsilon|D^2u+KI|^2はΩ\Omega上でLw≥−CεLw\geq-C_\varepsilonを満たす。

証明.uijk=DiDjDkuu_{ijk}=D_iD_jD_ku、∣D3u∣2=∑i,j,kuijk2|D^3u|^2=\sum_{i,j,k}u_{ijk}^2、ui=Diuu_i=D_iuとおく。FFとその微分はすべて(D2u(x),x)(D^2u(x),x)で評価する。

∣D2uξ∣2=∑i,j(∑kξkuijk)2≤∣D3u∣2|D^2u_\xi|^2=\sum_{i,j}(\sum_k\xi^ku_{ijk})^2\leq|D^3u|^2であり、∣∂ξ2F∣=∣ξ⊗ξ:Dx2F∣≤μ2|\partial_\xi^2F|=|\xi\otimes\xi:D_x^2F|\leq\mu_2である。命題 1.4 (2)により

Luξξ≥−2∣Bξ∣∣D2uξ∣−∣∂ξ2F∣≥−2μ2∣D3u∣−μ2Lu_{\xi\xi}\geq-2|B_\xi||D^2u_\xi|-|\partial_\xi^2F|\geq-2\mu_2|D^3u|-\mu_2

である。

A=D2u+KIA=D^2u+KI、h=∣A∣2h=|A|^2とおく。Dkh=2A:D2ukD_kh=2A:D^2u_k、DkDlh=2D2uk:D2ul+2A:D2(DkDlu)D_kD_lh=2D^2u_k:D^2u_l+2A:D^2(D_kD_lu)であり、u∈C4(Ω)u\in C^4(\Omega)であるから微分の順序を交換して

Lh=2∑k,lakl D2uk:D2ul+2∑i,jAij LueiejLh=2\sum_{k,l}a^{kl}\,D^2u_k:D^2u_l+2\sum_{i,j}A_{ij}\,Lu_{e_ie_j}

を得る。各i,ji,jについて∑k,lakluijkuijl≥λ∑kuijk2\sum_{k,l}a^{kl}u_{ijk}u_{ijl}\geq\lambda\sum_ku_{ijk}^2であるから、第一項は2λ∣D3u∣22\lambda|D^3u|^2以上である。Aij=AjiA_{ij}=A_{ji}と命題 1.4 (1)により

∑i,jAijLueiej=−∑i,jAijDM2F[D2ui,D2uj]−2∑i,jAijBei:D2uj−A:Dx2F\sum_{i,j}A_{ij}Lu_{e_ie_j}=-\sum_{i,j}A_{ij}D_M^2F[D^2u_i,D^2u_j]-2\sum_{i,j}A_{ij}B_{e_i}:D^2u_j-A:D_x^2F

である。K≥K0K\geq K_0でありD2uD^2uの固有値は−K0-K_0以上であるからA≥0A\geq0である。AAの正規直交な固有ベクトルq1,…,qnq_1,\dots,q_nと固有値σ1,…,σn≥0\sigma_1,\dots,\sigma_n\geq0をとり、Nk=∑iqkiD2uiN_k=\sum_iq_k^iD^2u_iとおくと、DM2FD_M^2Fの双線形性により∑i,jAijDM2F[D2ui,D2uj]=∑kσkDM2F[Nk,Nk]\sum_{i,j}A_{ij}D_M^2F[D^2u_i,D^2u_j]=\sum_k\sigma_kD_M^2F[N_k,N_k]であり、F(⋅,x)F(\cdot,x)は凸な開集合Ox\mathcal O_x上のC2C^2の凹関数であるから各DM2F[Nk,Nk]D_M^2F[N_k,N_k]は00以下である。したがって右辺の第一項は00以上である。∣A∣≤∣D2u∣+K∣I∣≤K1|A|\leq|D^2u|+K|I|\leq K_1と Cauchy–Schwarz の不等式により

∣∑i,jAijBei:D2uj∣≤μ2∑i,j∣Aij∣∣D2uj∣≤μ2∣A∣(n∑j∣D2uj∣2)1/2≤nμ2K1∣D3u∣\Bigl|\sum_{i,j}A_{ij}B_{e_i}:D^2u_j\Bigr|\leq\mu_2\sum_{i,j}|A_{ij}||D^2u_j|\leq\mu_2|A|\Bigl(n\sum_j|D^2u_j|^2\Bigr)^{1/2}\leq\sqrt n\mu_2K_1|D^3u|

であり、∣A:Dx2F∣≤μ2K1|A:D_x^2F|\leq\mu_2K_1である。以上により

Lh≥2λ∣D3u∣2−4nμ2K1∣D3u∣−2μ2K1Lh\geq2\lambda|D^3u|^2-4\sqrt n\mu_2K_1|D^3u|-2\mu_2K_1

を得る。

t=∣D3u∣t=|D^3u|、β=2μ2(1+2εnK1)\beta=2\mu_2(1+2\varepsilon\sqrt nK_1)とおくと、二つの評価から

Lw=Luξξ+εLh≥2ελt2−βt−μ2(1+2εK1)Lw=Lu_{\xi\xi}+\varepsilon Lh\geq2\varepsilon\lambda t^2-\beta t-\mu_2(1+2\varepsilon K_1)

である。2ελt2−βt≥−β2/(8ελ)2\varepsilon\lambda t^2-\beta t\geq-\beta^2/(8\varepsilon\lambda)であり、β2/(8ελ)=μ22(1+2εnK1)2/(2ελ)\beta^2/(8\varepsilon\lambda)=\mu_2^2(1+2\varepsilon\sqrt nK_1)^2/(2\varepsilon\lambda)であるから、Lw≥−CεLw\geq-C_\varepsilonである。▨

5 一般形の評価

定理 5.1 (Evans–Krylov の定理).n≥1n\geq1を整数、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambda、K0≥0K_0\geq0、δ>0\delta>0、μ1,μ2≥0\mu_1,\mu_2\geq0とする。このとき、n,λ,Λ,K0,δ,μ1,μ2n,\lambda,\Lambda,K_0,\delta,\mu_1,\mu_2だけに依存するα∈(0,1)\alpha\in(0,1)と定数CCが存在して、次が成り立つ。

B1=B1(0)⊆RnB_1=B_1(0)\subseteq\R^nとし、M∈SnM\in\mathcal S^nに対して∣M∣=(M:M)1/2|M|=(M:M)^{1/2}とおく。U⊆RnU\subseteq\R^nをB1⊆UB_1\subseteq Uを満たす開集合、O⊆Sn×U\mathcal O\subseteq\mathcal S^n\times Uを各切り口Ox\mathcal O_xが凸である開集合とし、F∈C2(O)F\in C^2(\mathcal O)とする。aa、BξB_\xi、∂ξF\partial_\xi Fを命題 1.4のとおりとし、DxF=(∂e1F,…,∂enF)D_xF=(\partial_{e_1}F,\dots,\partial_{e_n}F)、Dx2F=(∂ei∂ejF)i,jD_x^2F=(\partial_{e_i}\partial_{e_j}F)_{i,j}とおく。次の条件を仮定する。

  1. FFは行列変数について凹であり、O\mathcal O上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型である。
  2. u∈C4(B1)u\in C^4(B_1)であり、すべてのx∈B1x\in B_1について∣D2u(x)∣≤K0|D^2u(x)|\leq K_0とF(D2u(x),x)=0F(D^2u(x),x)=0が成り立つ。
  3. ∣x−y∣<δ|x-y|<\deltaを満たすすべてのx,y∈B1x,y\in B_1について(D2u(x),y)∈O(D^2u(x),y)\in\mathcal Oである。
  4. 集合K={(D2u(x),y)∣x,y∈B1, ∣x−y∣<δ}\mathcal K=\{(D^2u(x),y)\mid x,y\in B_1,\ |x-y|<\delta\}のすべての点で、∣DxF∣≤μ1|D_xF|\leq\mu_1と∣Dx2F∣≤μ2|D_x^2F|\leq\mu_2が成り立ち、∣ξ∣=1|\xi|=1を満たすすべてのξ∈Rn\xi\in\R^nについて∣Bξ∣≤μ2|B_\xi|\leq\mu_2が成り立つ。

このとき

sup⁡B1/2∣D2u∣+sup⁡x,y∈B1/2x≠y∣D2u(x)−D2u(y)∣∣x−y∣α≤C\sup_{B_{1/2}}|D^2u|+\sup_{\substack{x,y\in B_{1/2}\\x\neq y}}\frac{|D^2u(x)-D^2u(y)|}{|x-y|^\alpha}\leq C

である。

証明.ξ1,…,ξm\xi_1,\dots,\xi_m、λ∗,Λ∗\lambda_*,\Lambda_*を補題 1.3のn,λ,Λn,\lambda,\Lambdaに対するものとし、C∗C_*を補題 2.1のn,λ,Λ,m,λ∗,Λ∗n,\lambda,\Lambda,m,\lambda_*,\Lambda_*に対する定数とする。K=K0K=K_0、K1=(1+n)K0K_1=(1+\sqrt n)K_0、ε=1/(8m(1+C∗Λ∗)(1+K1))\varepsilon=1/\bigl(8m(1+C_*\Lambda_*)(1+K_1)\bigr)とおき、CεC_\varepsilonを補題 4.1の定数とする。h=∣D2u+KI∣2h=|D^2u+KI|^2、wν=uξνξν+εhw_\nu=u_{\xi_\nu\xi_\nu}+\varepsilon hとおく。K\mathcal Kは(D2u(x),x)(D^2u(x),x)(x∈B1x\in B_1)を含むから、補題 4.1をΩ=B1\Omega=B_1に適用すると、L=a(D2u(x),x):D2L=a(D^2u(x),x):D^2についてB1B_1上でLwν≥−CεLw_\nu\geq-C_\varepsilonである。LLの係数は連続であり、§E15.42 命題 3.4 (1)によりλI≤a(D2u(x),x)≤ΛI\lambda I\leq a(D^2u(x),x)\leq\Lambda Iを満たす。

x,y∈B1x,y\in B_1とする。∣A(y)∣,∣A(x)∣≤K1|A(y)|,|A(x)|\leq K_1(A=D2u+KIA=D^2u+KI)であるから∣h(y)−h(x)∣≤2K1∣D2u(y)−D2u(x)∣|h(y)-h(x)|\leq2K_1|D^2u(y)-D^2u(x)|である。補題 1.3 (2)により

∣D2u(y)−D2u(x)∣≤∑ν∣uξνξν(y)−uξνξν(x)∣≤∑ν∣wν(y)−wν(x)∣+2mεK1∣D2u(y)−D2u(x)∣|D^2u(y)-D^2u(x)|\leq\sum_\nu|u_{\xi_\nu\xi_\nu}(y)-u_{\xi_\nu\xi_\nu}(x)|\leq\sum_\nu|w_\nu(y)-w_\nu(x)|+2m\varepsilon K_1|D^2u(y)-D^2u(x)|

であり、2mεK1≤1/42m\varepsilon K_1\leq1/4であるから

∣D2u(y)−D2u(x)∣≤43∑ν∣wν(y)−wν(x)∣,∣h(y)−h(x)∣≤3K1∑ν∣wν(y)−wν(x)∣|D^2u(y)-D^2u(x)|\leq\frac43\sum_\nu|w_\nu(y)-w_\nu(x)|,\qquad|h(y)-h(x)|\leq3K_1\sum_\nu|w_\nu(y)-w_\nu(x)|

を得る。

r0=min⁡{1/4,δ/4}r_0=\min\{1/4,\delta/4\}とおく。x0∈B1/2x_0\in B_{1/2}を固定し、Bρ=Bρ(x0)B_\rho=B_\rho(x_0)と書き、0<s≤2r00<s\leq2r_0に対してωx0(s)=∑ν(sup⁡Bswν−inf⁡Bswν)\omega_{x_0}(s)=\sum_\nu(\sup_{B_s}w_\nu-\inf_{B_s}w_\nu)とおく。0<r≤r00<r\leq r_0とするとB2r⊆B1B_{2r}\subseteq B_1である。x∈Brx\in B_r、y∈B2ry\in B_{2r}とすると∣x−y∣<3r<δ|x-y|<3r<\deltaである。条件 (c)により(D2u(x),y)(D^2u(x),y)と(D2u(y),y)(D^2u(y),y)はO\mathcal Oに属し、Oy\mathcal O_yは凸でF(⋅,y)F(\cdot,y)は凹であるから

F(D2u(y),y)≤F(D2u(x),y)+a(D2u(x),y):(D2u(y)−D2u(x))F(D^2u(y),y)\leq F(D^2u(x),y)+a(D^2u(x),y):\bigl(D^2u(y)-D^2u(x)\bigr)

である。線分[x,y][x,y]上の点zzはz∈B1z\in B_1、∣z−x∣<δ|z-x|<\deltaを満たすから(D2u(x),z)∈K(D^2u(x),z)\in\mathcal Kであり、平均値の定理によりF(D2u(x),y)−F(D2u(x),x)≤μ1∣x−y∣F(D^2u(x),y)-F(D^2u(x),x)\leq\mu_1|x-y|である。F(D2u(y),y)=F(D2u(x),x)=0F(D^2u(y),y)=F(D^2u(x),x)=0と合わせると

a(D2u(x),y):(D2u(y)−D2u(x))≥−3rμ1a(D^2u(x),y):\bigl(D^2u(y)-D^2u(x)\bigr)\geq-3r\mu_1

である。λI≤a(D2u(x),y)≤ΛI\lambda I\leq a(D^2u(x),y)\leq\Lambda Iであるから、補題 1.3 (1)によりa(D2u(x),y)=∑νβν ξν⊗ξνa(D^2u(x),y)=\sum_\nu\beta_\nu\,\xi_\nu\otimes\xi_\nu、λ∗≤βν≤Λ∗\lambda_*\leq\beta_\nu\leq\Lambda_*と表される。∑ν∣wν(y)−wν(x)∣≤ωx0(2r)\sum_\nu|w_\nu(y)-w_\nu(x)|\leq\omega_{x_0}(2r)であるから

∑νβν(wν(y)−wν(x))=∑νβν(uξνξν(y)−uξνξν(x))+ε∑νβν(h(y)−h(x))≥−3rμ1−3εmΛ∗K1 ωx0(2r)\sum_\nu\beta_\nu\bigl(w_\nu(y)-w_\nu(x)\bigr) =\sum_\nu\beta_\nu\bigl(u_{\xi_\nu\xi_\nu}(y)-u_{\xi_\nu\xi_\nu}(x)\bigr)+\varepsilon\sum_\nu\beta_\nu\bigl(h(y)-h(x)\bigr) \geq-3r\mu_1-3\varepsilon m\Lambda_*K_1\,\omega_{x_0}(2r)

を得る。補題 2.1をc0=Cεc_0=C_\varepsilon、E=3rμ1+3εmΛ∗K1ωx0(2r)E=3r\mu_1+3\varepsilon m\Lambda_*K_1\omega_{x_0}(2r)に適用すると

ωx0(2r)≤C∗(ωx0(2r)−ωx0(r))+C∗(3rμ1+r2Cε)+3C∗εmΛ∗K1 ωx0(2r)\omega_{x_0}(2r)\leq C_*\bigl(\omega_{x_0}(2r)-\omega_{x_0}(r)\bigr)+C_*\bigl(3r\mu_1+r^2C_\varepsilon\bigr)+3C_*\varepsilon m\Lambda_*K_1\,\omega_{x_0}(2r)

である。3C∗εmΛ∗K1≤1/23C_*\varepsilon m\Lambda_*K_1\leq1/2でありr≤1r\leq1であるから、θ=1−1/(2C∗)\theta=1-1/(2C_*)について

ωx0(r)≤θ ωx0(2r)+(3μ1+Cε)r\omega_{x_0}(r)\leq\theta\,\omega_{x_0}(2r)+(3\mu_1+C_\varepsilon)r

が成り立つ。ωx0\omega_{x_0}は(0,2r0](0,2r_0]上の非減少関数であり、∣wν∣≤K0+εK12≤K0+K1|w_\nu|\leq K_0+\varepsilon K_1^2\leq K_0+K_1であるからωx0(2r0)≤2m(K0+K1)\omega_{x_0}(2r_0)\leq2m(K_0+K_1)である。補題 2.2をR0=2r0R_0=2r_0、B=3μ1+CεB=3\mu_1+C_\varepsilonに適用すると、θ\thetaだけで定まるα∈(0,1)\alpha\in(0,1)とC3C_3について、0<ρ≤2r00<\rho\leq2r_0のとき

ωx0(ρ)≤C3(ρ2r0)α(2m(K0+K1)+2r0(3μ1+Cε))\omega_{x_0}(\rho)\leq C_3\Bigl(\frac\rho{2r_0}\Bigr)^\alpha\bigl(2m(K_0+K_1)+2r_0(3\mu_1+C_\varepsilon)\bigr)

である。

x,y∈B1/2x,y\in B_{1/2}、x≠yx\neq yとする。∣x−y∣<2r0|x-y|<2r_0ならば、∣x−y∣<ρ≤2r0|x-y|<\rho\leq2r_0を満たすρ\rhoについてy∈Bρ(x)y\in B_\rho(x)であるから∣D2u(x)−D2u(y)∣≤43ωx(ρ)|D^2u(x)-D^2u(y)|\leq\frac43\omega_x(\rho)であり、ρ→∣x−y∣\rho\to|x-y|として∣D2u(x)−D2u(y)∣|D^2u(x)-D^2u(y)|は∣x−y∣α|x-y|^\alphaの定数倍で抑えられる。∣x−y∣≥2r0|x-y|\geq2r_0ならば∣D2u(x)−D2u(y)∣≤2K0≤2K0(2r0)−α∣x−y∣α|D^2u(x)-D^2u(y)|\leq2K_0\leq2K_0(2r_0)^{-\alpha}|x-y|^\alphaである。sup⁡B1/2∣D2u∣≤K0\sup_{B_{1/2}}|D^2u|\leq K_0と合わせると、現れた定数はすべてn,λ,Λ,K0,δ,μ1,μ2n,\lambda,\Lambda,K_0,\delta,\mu_1,\mu_2だけで定まるから、主張の評価が成り立つ。▨

注意 5.2.U⊆RnU\subseteq\R^nをB1‾⊆U\overline{B_1}\subseteq Uを満たす開集合とし、F∈C2(Sn×U)F\in C^2(\mathcal S^n\times U)が行列変数について凹で、各x∈Ux\in UについてF(⋅,x)F(\cdot,x)がλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であるとする。O=Sn×U\mathcal O=\mathcal S^n\times U、δ=2\delta=2とすると定理 5.1 条件 (c)は自動的に成り立ち、K\mathcal Kはコンパクト集合{M∣∣M∣≤K0}×B1‾\{M\mid|M|\leq K_0\}\times\overline{B_1}に含まれる。したがって、F(D2u,x)=0F(D^2u,x)=0を満たし∣D2u∣≤K0|D^2u|\leq K_0であるu∈C4(B1)u\in C^4(B_1)について定理 5.1の評価が成り立ち、α\alphaとCCはn,λ,Λ,K0n,\lambda,\Lambda,K_0と、このコンパクト集合上のFFのxxについての一階・二階の偏微分とM,xM,xについての混合偏微分の上界によって定まる。DM2FD_M^2Fの上界はα\alphaとCCに現れない。

注意 5.3. 凹性を仮定しない一様楕円型の方程式F(D2u)=0F(D^2u)=0について、Nadirashvili–Vlăduţ は次元1212においてC1,1C^{1,1}に属するがC2C^2に属さない粘性解を構成した。一方、二次元では、凹性を仮定しなくても、一様楕円型の方程式F(D2u)=0F(D^2u)=0の解の二階微分に内部 Hölder 評価が成り立つ(Nirenberg)。

6 高階正則性

定理 6.1.n≥1n\geq1を整数、0<α<10<\alpha<1、0<λ≤Λ0<\lambda\leq\Lambdaとし、Ω⊆Rn\Omega\subseteq\R^nを開集合、O⊆Sn×Ω\mathcal O\subseteq\mathcal S^n\times\Omegaを各切り口Ox\mathcal O_xが凸である開集合とする。F∈C∞(O)F\in C^\infty(\mathcal O)がO\mathcal O上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型であるとする。u∈C2(Ω)u\in C^2(\Omega)がすべてのx∈Ωx\in\Omegaについて(D2u(x),x)∈O(D^2u(x),x)\in\mathcal OとF(D2u(x),x)=0F(D^2u(x),x)=0を満たし、B‾⊆Ω\overline B\subseteq\Omegaを満たす任意の開球BBについてu∈C2,α(B‾)u\in C^{2,\alpha}(\overline B)であるとする。このときu∈C∞(Ω)u\in C^\infty(\Omega)である。

証明.Sn×Rn\mathcal S^n\times\R^nにノルム∣(M,x)∣=(∣M∣2+∣x∣2)1/2|(M,x)|=(|M|^2+|x|^2)^{1/2}を入れる。ここで∣M∣=(M:M)1/2|M|=(M:M)^{1/2}である。a(M,x)a(M,x)を§E15.42 命題 3.4 (1)の行列とすると、aii=ddtF(M+t ei⊗ei,x)∣t=0a^{ii}=\frac{d}{dt}F(M+t\,e_i\otimes e_i,x)|_{t=0}、i≠ji\neq jについて2aij=ddtF(M+t(ei⊗ej+ej⊗ei),x)∣t=02a^{ij}=\frac{d}{dt}F(M+t(e_i\otimes e_j+e_j\otimes e_i),x)|_{t=0}であるから、aaの各成分はC∞(O)C^\infty(\mathcal O)に属し、§E15.42 命題 3.4 (1)によりO\mathcal O上でλI≤a≤ΛI\lambda I\leq a\leq\Lambda Iである。O\mathcal Oの点(M,x)(M,x)におけるFFのxlx_lについての偏微分を∂lF(M,x)\partial_lF(M,x)と書く。

主張 6.1.1.W⊆Sn×RnW\subseteq\mathcal S^n\times\R^nを開集合、Γ⊆W\Gamma\subseteq Wをコンパクト集合とし、ρ≥0\rho\geq0に対してΓρ={P∣dist⁡(P,Γ)≤ρ}\Gamma_\rho=\{P\mid\operatorname{dist}(P,\Gamma)\leq\rho\}とおく。このときΓ2ρ⊆W\Gamma_{2\rho}\subseteq Wを満たすρ>0\rho>0が存在し、任意のG∈C1(W)G\in C^1(W)はΓρ\Gamma_\rho上で有界かつ Lipschitz 連続である。

証明.Γ\GammaはコンパクトでWWは開集合であるから、Γ\GammaとWWの補集合の距離は正であり、Γ2ρ⊆W\Gamma_{2\rho}\subseteq Wを満たすρ>0\rho>0が存在する。Γρ\Gamma_\rhoとΓ2ρ\Gamma_{2\rho}はコンパクトであるから、S=max⁡Γρ∣G∣S=\max_{\Gamma_\rho}|G|とL=max⁡Γ2ρ∣DG∣L=\max_{\Gamma_{2\rho}}|DG|は有限である。P,Q∈ΓρP,Q\in\Gamma_\rhoとする。∣P−Q∣≤ρ|P-Q|\leq\rhoならば、線分[P,Q][P,Q]の各点はPPからの距離がρ\rho以下であるからΓ2ρ\Gamma_{2\rho}に属し、平均値の定理により∣G(P)−G(Q)∣≤L∣P−Q∣|G(P)-G(Q)|\leq L|P-Q|である。∣P−Q∣>ρ|P-Q|>\rhoならば∣G(P)−G(Q)∣≤2S<(2S/ρ)∣P−Q∣|G(P)-G(Q)|\leq2S<(2S/\rho)|P-Q|である。▨

主張 6.1.2.BBを開球、k≥0k\geq0を整数とし、V:B‾→OV:\overline B\to\mathcal Oの成分(Sn×Rn\mathcal S^n\times\R^nの座標による成分)がすべてCk,α(B‾)C^{k,\alpha}(\overline B)に属するとする。このとき任意のG∈C∞(O)G\in C^\infty(\mathcal O)についてG∘V∈Ck,α(B‾)G\circ V\in C^{k,\alpha}(\overline B)である。

証明.k=0k=0のとき、VVはB‾\overline B上で連続であるからΓ=V(B‾)\Gamma=V(\overline B)はコンパクトであり、主張 6.1.1によりGGはΓ\Gamma上で有界かつ Lipschitz 連続である。VVの成分はα\alpha次 Hölder 連続であるから、G∘VG\circ VはB‾\overline B上で有界かつα\alpha次 Hölder 連続である。k≥1k\geq1とし、k−1k-1について主張が成り立つとする。§E15.35 定理 2.2によりCk,α(B‾)⊆Ck−1,α(B‾)C^{k,\alpha}(\overline B)\subseteq C^{k-1,\alpha}(\overline B)である。連鎖律によりG∘V∈C1(B)G\circ V\in C^1(B)であり、Di(G∘V)D_i(G\circ V)は(∂pG)∘V(\partial_pG)\circ VとVVの成分のDiD_i微分との積の和である。帰納法の仮定により(∂pG)∘V∈Ck−1,α(B‾)(\partial_pG)\circ V\in C^{k-1,\alpha}(\overline B)であり、VVの成分の一階微分はCk−1,α(B‾)C^{k-1,\alpha}(\overline B)に属するから、§E15.35 命題 1.6 (1)によりDi(G∘V)∈Ck−1,α(B‾)D_i(G\circ V)\in C^{k-1,\alpha}(\overline B)である。G∘VG\circ VはB‾\overline B上で連続であるから、G∘V∈Ck,α(B‾)G\circ V\in C^{k,\alpha}(\overline B)である。▨

整数m≥0m\geq0に対し、条件(Sm)(\mathrm S_m)を「任意のz∈Ωz\in\Omegaに対して、Br(z)‾⊆Ω\overline{B_r(z)}\subseteq\Omegaとu∈Cm+2,α(Br(z)‾)u\in C^{m+2,\alpha}(\overline{B_r(z)})を満たすr>0r>0が存在する」と定める。

主張 6.1.3.(S0)(\mathrm S_0)が成り立つならば、(S1)(\mathrm S_1)が成り立つ。

証明.z∈Ωz\in\Omegaとし、(S0)(\mathrm S_0)によりr>0r>0をBr(z)‾⊆Ω\overline{B_r(z)}\subseteq\Omegaとu∈C2,α(Br(z)‾)u\in C^{2,\alpha}(\overline{B_r(z)})を満たすようにとる。B′=Br(z)B'=B_r(z)、B=Br/2(z)B=B_{r/2}(z)、B′′=Br/4(z)B''=B_{r/4}(z)とおき、H=sup⁡{∣D2u(x)−D2u(y)∣/∣x−y∣α∣x,y∈B′‾, x≠y}H=\sup\{|D^2u(x)-D^2u(y)|/|x-y|^\alpha\mid x,y\in\overline{B'},\ x\neq y\}とおく。Γ={(D2u(x),x)∣x∈B′‾}\Gamma=\{(D^2u(x),x)\mid x\in\overline{B'}\}はO\mathcal Oのコンパクト部分集合である。主張 6.1.1をW=OW=\mathcal Oに適用してρ>0\rho>0をとり、aaの各成分と∂lF\partial_lF(1≤l≤n1\leq l\leq n)のΓρ\Gamma_\rho上の上界の最大値をS′S'、Lipschitz 定数の最大値をL′L'とする。D2uD^2uはB′‾\overline{B'}上で一様連続であるから、x,x′∈B′‾x,x'\in\overline{B'}、∣x−x′∣≤h0|x-x'|\leq h_0ならば∣D2u(x′)−D2u(x)∣+∣x′−x∣≤ρ|D^2u(x')-D^2u(x)|+|x'-x|\leq\rhoが成り立つh0∈(0,r/2]h_0\in(0,r/2]が存在する。

1≤l≤n1\leq l\leq nと0<∣h∣≤h00<|h|\leq h_0を固定する。x∈B‾x\in\overline Bについてx+hel∈B′‾x+he_l\in\overline{B'}であるから、t∈[0,1]t\in[0,1]について

Zt(x)=((1−t)D2u(x)+tD2u(x+hel), x+thel)Z_t(x)=\bigl((1-t)D^2u(x)+tD^2u(x+he_l),\ x+the_l\bigr)

は∣Zt(x)−(D2u(x),x)∣≤∣D2u(x+hel)−D2u(x)∣+∣h∣≤ρ|Z_t(x)-(D^2u(x),x)|\leq|D^2u(x+he_l)-D^2u(x)|+|h|\leq\rhoを満たし、Γρ⊆O\Gamma_\rho\subseteq\mathcal Oに属する。F(Z1(x))=F(Z0(x))=0F(Z_1(x))=F(Z_0(x))=0であり、t↦F(Zt(x))t\mapsto F(Z_t(x))の微分はa(Zt(x)):(D2u(x+hel)−D2u(x))+h ∂lF(Zt(x))a(Z_t(x)):(D^2u(x+he_l)-D^2u(x))+h\,\partial_lF(Z_t(x))である。この微分を[0,1][0,1]で積分してhhで割ると、vh(x)=(u(x+hel)−u(x))/hv_h(x)=(u(x+he_l)-u(x))/h、

ah(x)=∫01a(Zt(x)) dt,fh(x)=∫01∂lF(Zt(x)) dta_h(x)=\int_0^1a(Z_t(x))\,dt,\qquad f_h(x)=\int_0^1\partial_lF(Z_t(x))\,dt

について、B‾\overline B上でah:D2vh+fh=0a_h:D^2v_h+f_h=0が成り立つ。aha_hは対称でλI≤ah≤ΛI\lambda I\leq a_h\leq\Lambda Iを満たす。x,y∈B‾x,y\in\overline Bについて∣x−y∣≤r|x-y|\leq rであるから

∣Zt(x)−Zt(y)∣≤∣D2u(x)−D2u(y)∣+∣D2u(x+hel)−D2u(y+hel)∣+∣x−y∣≤(2H+r1−α)∣x−y∣α|Z_t(x)-Z_t(y)|\leq|D^2u(x)-D^2u(y)|+|D^2u(x+he_l)-D^2u(y+he_l)|+|x-y|\leq(2H+r^{1-\alpha})|x-y|^\alpha

である。したがってaha_hの各成分とfhf_hはB‾\overline B上で絶対値がS′S'以下であり、α\alpha次の Hölder 商がL′(2H+r1−α)L'(2H+r^{1-\alpha})以下である。K∗=S′+L′(2H+r1−α)K_*=S'+L'(2H+r^{1-\alpha})とおくと、aha_hの各成分とfhf_hはC0,α(B)C^{0,\alpha}(B)に属してそのC0,α(B)C^{0,\alpha}(B)ノルムはK∗K_*以下であり、K∗K_*はhhによらない。vh∈C2(B)v_h\in C^2(B)であり、§E15.36 定理 3.1を整数k=0k=0、開集合BBとB′′⋐BB''\Subset B、係数A=ahA=a_h、b=0b=0、c=0c=0、係数のノルムの上界K∗K_*、右辺−fh-f_hに適用すると、n,α,λ,Λ,B′′,B,K∗n,\alpha,\lambda,\Lambda,B'',B,K_*だけに依存しhhによらない定数CCによって

∥vh∥C2,α(B′′)≤C(∥vh∥C0(B)+∥fh∥C0,α(B))\|v_h\|_{C^{2,\alpha}(B'')}\leq C\bigl(\|v_h\|_{C^0(B)}+\|f_h\|_{C^{0,\alpha}(B)}\bigr)

が成り立つ。平均値の定理により∥vh∥C0(B)≤sup⁡B′‾∣Dlu∣\|v_h\|_{C^0(B)}\leq\sup_{\overline{B'}}|D_lu|であるから、{vh}0<∣h∣≤h0\{v_h\}_{0<|h|\leq h_0}はC2,α(B′′‾)C^{2,\alpha}(\overline{B''})の有界集合である。hj→0h_j\to0とすると、§E15.35 定理 2.2により、ある部分列vhj′v_{h_{j'}}はC2(B′′‾)C^2(\overline{B''})で関数vvへ収束する。u∈C1(Ω)u\in C^1(\Omega)であるから各点でvh→Dluv_h\to D_luであり、v=Dluv=D_luである。したがってDlu∈C2(B′′)D_lu\in C^2(B'')であり、D2vhj′→D2DluD^2v_{h_{j'}}\to D^2D_luがB′′B''上で一様に成り立つ。x,y∈B′′x,y\in B''について∣D2vhj′(x)−D2vhj′(y)∣|D^2v_{h_{j'}}(x)-D^2v_{h_{j'}}(y)|はsup⁡h∥vh∥C2,α(B′′)∣x−y∣α\sup_h\|v_h\|_{C^{2,\alpha}(B'')}|x-y|^\alpha以下であるから、極限をとってDlu∈C2,α(B′′‾)D_lu\in C^{2,\alpha}(\overline{B''})を得る。llは任意であるからu∈C3,α(Br/4(z)‾)u\in C^{3,\alpha}(\overline{B_{r/4}(z)})であり、(S1)(\mathrm S_1)が成り立つ。▨

主張 6.1.4.m≥1m\geq1を整数とする。(Sm)(\mathrm S_m)が成り立つならば、(Sm+1)(\mathrm S_{m+1})が成り立つ。

証明.z∈Ωz\in\Omegaとし、(Sm)(\mathrm S_m)によりr>0r>0をBr(z)‾⊆Ω\overline{B_r(z)}\subseteq\Omegaとu∈Cm+2,α(Br(z)‾)u\in C^{m+2,\alpha}(\overline{B_r(z)})を満たすようにとり、B=Br(z)B=B_r(z)とおく。m+2≥3m+2\geq3であるからx↦F(D2u(x),x)x\mapsto F(D^2u(x),x)はBB上でC1C^1であり、恒等式F(D2u(x),x)=0F(D^2u(x),x)=0をxlx_lについて微分すると、BB上で

a(D2u(x),x):D2(Dlu)(x)+∂lF(D2u(x),x)=0a(D^2u(x),x):D^2(D_lu)(x)+\partial_lF(D^2u(x),x)=0

が成り立つ。V(x)=(D2u(x),x)V(x)=(D^2u(x),x)の成分はCm,α(B‾)C^{m,\alpha}(\overline B)に属し、V(B‾)⊆OV(\overline B)\subseteq\mathcal Oであるから、主張 6.1.2によりA(x)=a(D2u(x),x)A(x)=a(D^2u(x),x)の各成分と∂lF(D2u(x),x)\partial_lF(D^2u(x),x)はCm,α(B‾)C^{m,\alpha}(\overline B)に属する。Dlu∈C2(B)D_lu\in C^2(B)であり、AAは対称でλI≤A≤ΛI\lambda I\leq A\leq\Lambda Iを満たすから、§E15.36 定理 3.1を整数k=mk=m、開集合BB、b=0b=0、c=0c=0に適用すると、∥Dlu∥Cm+2,α(Br/2(z))\|D_lu\|_{C^{m+2,\alpha}(B_{r/2}(z))}は有限である。llは任意であるからu∈Cm+3,α(Br/2(z)‾)u\in C^{m+3,\alpha}(\overline{B_{r/2}(z)})であり、(Sm+1)(\mathrm S_{m+1})が成り立つ。▨

仮定により(S0)(\mathrm S_0)が成り立つから、主張 6.1.3と主張 6.1.4により、すべての整数m≥0m\geq0について(Sm)(\mathrm S_m)が成り立つ。したがって、任意の整数j≥0j\geq0についてu∈Cj(Ω)u\in C^j(\Omega)であり、u∈C∞(Ω)u\in C^\infty(\Omega)である。▨

注意 6.2.定理 5.1の評価はu∈C4(B1)u\in C^4(B_1)を仮定するが、その指数α\alphaと定数CCはn,λ,Λ,K0,δ,μ1,μ2n,\lambda,\Lambda,K_0,\delta,\mu_1,\mu_2だけに依存し、uuの三階以上の微分によらない。UU、O\mathcal O、FFが定理 5.1の設定と定理 5.1 条件 (a)を満たし、さらにF∈C∞(O)F\in C^\infty(\mathcal O)であるとする。0<β<10<\beta<1とし、u∈C2(B1)u\in C^2(B_1)がすべてのx∈B1x\in B_1について(D2u(x),x)∈O(D^2u(x),x)\in\mathcal OとF(D2u(x),x)=0F(D^2u(x),x)=0を満たし、B‾⊆B1\overline B\subseteq B_1を満たす任意の開球BBについてu∈C2,β(B‾)u\in C^{2,\beta}(\overline B)であるとする。このとき、FFのO∩(Sn×B1)\mathcal O\cap(\mathcal S^n\times B_1)への制限に定理 6.1をΩ=B1\Omega=B_1として適用すると、u∈C∞(B1)u\in C^\infty(B_1)であり、とくにu∈C4(B1)u\in C^4(B_1)である。したがって、uuがB1B_1上で∣D2u∣≤K0|D^2u|\leq K_0を満たし、定理 5.1 条件 (c)と定理 5.1 条件 (d)を満たすならば、uuについて定理 5.1の評価が成り立つ。とくに、これらの条件を共通のK0,δ,μ1,μ2K_0,\delta,\mu_1,\mu_2について満たす解の族では、B1/2B_{1/2}上のD2uD^2uの上限とα\alpha次の Hölder 商の和は族の上で一様に有界であり、その上界は各解のC2,βC^{2,\beta}ノルムによらない。

7 凹な作用素の例

補題 7.1.n≥1n\geq1を整数とし、GGをnn次の正定値 Hermite 行列、HHをnn次の Hermite 行列とする。このとき、G+tHG+tHが正定値である実数ttの全体は00を含む開区間JJであり、φ(t)=log⁡det⁡(G+tH)\varphi(t)=\log\det(G+tH)はJJ上でC∞C^\inftyであって

φ′(0)=tr⁡(G−1H),φ′′(0)=−tr⁡(G−1HG−1H)≤0\varphi'(0)=\operatorname{tr}(G^{-1}H),\qquad\varphi''(0)=-\operatorname{tr}(G^{-1}HG^{-1}H)\leq0

を満たす。さらに、0<κ≤K0<\kappa\leq K、κI≤G≤KI\kappa I\leq G\leq KI、H≥0H\geq0ならばK−1tr⁡H≤tr⁡(G−1H)≤κ−1tr⁡HK^{-1}\operatorname{tr}H\leq\operatorname{tr}(G^{-1}H)\leq\kappa^{-1}\operatorname{tr}Hである。

証明.G1/2G^{1/2}をGGの正定値 Hermite な平方根とし、X=G−1/2HG−1/2X=G^{-1/2}HG^{-1/2}とおく。XXは Hermite であり、実固有値μ1,…,μn\mu_1,\dots,\mu_nをもつ。G+tH=G1/2(I+tX)G1/2G+tH=G^{1/2}(I+tX)G^{1/2}であるから、G+tHG+tHが正定値であることはすべてのiiについて1+tμi>01+t\mu_i>0であることと同値であり、JJは00を含む開区間である。t∈Jt\in Jについてdet⁡(G+tH)=det⁡G∏i(1+tμi)\det(G+tH)=\det G\prod_i(1+t\mu_i)であるからφ(t)=log⁡det⁡G+∑ilog⁡(1+tμi)\varphi(t)=\log\det G+\sum_i\log(1+t\mu_i)であり、φ\varphiはC∞C^\inftyである。φ′(0)=∑iμi=tr⁡X=tr⁡(G−1H)\varphi'(0)=\sum_i\mu_i=\operatorname{tr}X=\operatorname{tr}(G^{-1}H)、φ′′(0)=−∑iμi2=−tr⁡(X2)=−tr⁡(G−1HG−1H)\varphi''(0)=-\sum_i\mu_i^2=-\operatorname{tr}(X^2)=-\operatorname{tr}(G^{-1}HG^{-1}H)である。

κI≤G≤KI\kappa I\leq G\leq KIならばK−1I≤G−1≤κ−1IK^{-1}I\leq G^{-1}\leq\kappa^{-1}Iである。H≥0H\geq0ならばtr⁡(G−1H)=tr⁡(H1/2G−1H1/2)\operatorname{tr}(G^{-1}H)=\operatorname{tr}(H^{1/2}G^{-1}H^{1/2})であり、K−1H≤H1/2G−1H1/2≤κ−1HK^{-1}H\leq H^{1/2}G^{-1}H^{1/2}\leq\kappa^{-1}Hの各辺の跡をとれば最後の不等式を得る。▨

例 7.2.U⊆RnU\subseteq\R^nをB1‾⊆U\overline{B_1}\subseteq Uを満たす開集合、A∈C2(U;Sn)A\in C^2(U;\mathcal S^n)はUU上でλI≤A≤ΛI\lambda I\leq A\leq\Lambda Iを満たし、f∈C2(U)f\in C^2(U)とする。このとき、F(M,x)=A(x):M−f(x)F(M,x)=A(x):M-f(x)はMMについて一次式であるから、行列変数について凹かつ凸である。a(M,x)=A(x)a(M,x)=A(x)であるから、§E15.42 命題 3.4 (1)によりFFはSn×U\mathcal S^n\times U上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型である。∂ξF(M,x)=∂ξA(x):M−fξ(x)\partial_\xi F(M,x)=\partial_\xi A(x):M-f_\xi(x)であるからBξ=∂ξAB_\xi=\partial_\xi A、∂ξ∂ηF=∂ξ∂ηA:M−fξη\partial_\xi\partial_\eta F=\partial_\xi\partial_\eta A:M-f_{\xi\eta}であり、注意 5.2の上界はK0K_0とA,fA,fのB1‾\overline{B_1}上の二階までの微分の上界で定まる。したがってA:D2u=fA:D^2u=fのC4(B1)C^4(B_1)解で∣D2u∣≤K0|D^2u|\leq K_0を満たすものについて定理 5.1の評価が成り立つ。

この線形の場合には、AAとffはB1‾\overline{B_1}の近傍でC1C^1であるから、任意のα∈(0,1)\alpha\in(0,1)についてC0,α(B1)C^{0,\alpha}(B_1)に属する。したがって、§E15.36 定理 3.1をk=0k=0で適用すると、A:D2u=fA:D^2u=fのC2(B1)C^2(B_1)解について∥u∥C2,α(B1/2)\|u\|_{C^{2,\alpha}(B_{1/2})}は∥u∥C0(B1)+∥f∥C0,α(B1)\|u\|_{C^0(B_1)}+\|f\|_{C^{0,\alpha}(B_1)}の定数倍で抑えられる。この評価の証明では、係数AAの Hölder 連続性を用いる。非線形の方程式を線形化した係数a(D2u(x),x)a(D^2u(x),x)はD2uD^2uを含むから、その Hölder 連続性は求める二階 Hölder 評価を前提とする。そのため、この係数に Schauder の評価をそのまま適用することはできない。定理 5.1の証明では、線形化した係数a(D2u(x),x)a(D^2u(x),x)の Hölder 連続性を用いず、凹性と§E15.42 定理 2.1から二階 Hölder 評価を導く。

例 7.3.J≥1J\geq1とし、a1,…,aJ∈Sna_1,\dots,a_J\in\mathcal S^nはλI≤aν≤ΛI\lambda I\leq a_\nu\leq\Lambda Iを満たし、b1,…,bJ∈Rb_1,\dots,b_J\in\Rとする。ℓν(M)=aν:M+bν\ell_\nu(M)=a_\nu:M+b_\nuとおき、F(M)=min⁡νℓν(M)F(M)=\min_\nu\ell_\nu(M)とおく。このとき、FFは一次関数の最小値であるから凹である。M∈SnM\in\mathcal S^n、N≥0N\geq0とし、F(M)=ℓν(M)F(M)=\ell_\nu(M)、F(M+N)=ℓμ(M+N)F(M+N)=\ell_\mu(M+N)となるν,μ\nu,\muをとると、F(M+N)≤ℓν(M+N)=F(M)+aν:N≤F(M)+Λtr⁡NF(M+N)\leq\ell_\nu(M+N)=F(M)+a_\nu:N\leq F(M)+\Lambda\operatorname{tr}NとF(M)≤ℓμ(M)=F(M+N)−aμ:N≤F(M+N)−λtr⁡NF(M)\leq\ell_\mu(M)=F(M+N)-a_\mu:N\leq F(M+N)-\lambda\operatorname{tr}Nが成り立つから、FFはλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型である。n=1n=1、J=2J=2、λ<Λ\lambda<\Lambda、a1=λa_1=\lambda、a2=Λa_2=\Lambda、b1=b2=0b_1=b_2=0のとき、F(M)F(M)はM≥0M\geq0でλM\lambda M、M≤0M\leq0でΛM\Lambda Mであり、M=0M=0で微分可能でない。

ε>0\varepsilon>0に対してFε(M)=−εlog⁡∑νexp⁡(−ℓν(M)/ε)F_\varepsilon(M)=-\varepsilon\log\sum_\nu\exp(-\ell_\nu(M)/\varepsilon)とおく。exp⁡(−F(M)/ε)≤∑νexp⁡(−ℓν(M)/ε)≤Jexp⁡(−F(M)/ε)\exp(-F(M)/\varepsilon)\leq\sum_\nu\exp(-\ell_\nu(M)/\varepsilon)\leq J\exp(-F(M)/\varepsilon)であるからF−εlog⁡J≤Fε≤FF-\varepsilon\log J\leq F_\varepsilon\leq Fである。pν(M)=exp⁡(−ℓν(M)/ε)/∑μexp⁡(−ℓμ(M)/ε)p_\nu(M)=\exp(-\ell_\nu(M)/\varepsilon)/\sum_\mu\exp(-\ell_\mu(M)/\varepsilon)とおくと、pν>0p_\nu>0、∑νpν=1\sum_\nu p_\nu=1であり、

ddtFε(M+tN)∣t=0=∑νpν(M) aν:N,d2dt2Fε(M+tN)∣t=0=−1ε(∑νpν(aν:N)2−(∑νpν aν:N)2)\frac{d}{dt}F_\varepsilon(M+tN)\Big|_{t=0}=\sum_\nu p_\nu(M)\,a_\nu:N,\qquad \frac{d^2}{dt^2}F_\varepsilon(M+tN)\Big|_{t=0}=-\frac1\varepsilon\Bigl(\sum_\nu p_\nu(a_\nu:N)^2-\Bigl(\sum_\nu p_\nu\,a_\nu:N\Bigr)^2\Bigr)

である。第二式の括弧内は確率pνp_\nuに関するaν:Na_\nu:Nの分散であり00以上であるから、FεF_\varepsilonは凹である。第一式によりDFε(M)[N]=a(M):NDF_\varepsilon(M)[N]=a(M):N、a(M)=∑νpν(M)aνa(M)=\sum_\nu p_\nu(M)a_\nuであり、λI≤a(M)≤ΛI\lambda I\leq a(M)\leq\Lambda Iであるから、§E15.42 命題 3.4 (2)によりFεF_\varepsilonはλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型である。定理 3.1のα\alphaとCCはn,λ,Λn,\lambda,\Lambdaだけに依存するから、Fε(D2u)=fF_\varepsilon(D^2u)=fのC4(B1)C^4(B_1)解に対する二階 Hölder 評価はε\varepsilonによらない定数で成り立つ。

例 7.4.0<κ<K0<\kappa<Kとし、C={M∈Sn∣κI<M<KI}\mathcal C=\{M\in\mathcal S^n\mid\kappa I<M<KI\}とおく。このとき、C\mathcal Cは凸な開集合である。実対称な正定値行列は正定値 Hermite 行列であるから、補題 7.1により、F(M)=log⁡det⁡MF(M)=\log\det MはC\mathcal C上でC∞C^\inftyであり、C\mathcal Cと交わる各直線上で二階微分が00以下であるから凹である。同じ補題によりDF(M)[N]=tr⁡(M−1N)DF(M)[N]=\operatorname{tr}(M^{-1}N)、a(M)=M−1a(M)=M^{-1}であり、K−1I≤a(M)≤κ−1IK^{-1}I\leq a(M)\leq\kappa^{-1}Iである。§E15.42 命題 3.4 (1)によりFFはC\mathcal C上でK−1,κ−1K^{-1},\kappa^{-1}について一様楕円型である。したがって、f∈C2(B1)f\in C^2(B_1)と、すべてのx∈B1x\in B_1についてκI<D2u(x)<KI\kappa I<D^2u(x)<KIとdet⁡D2u=ef\det D^2u=e^fを満たすu∈C4(B1)u\in C^4(B_1)について、定理 3.1の評価が成り立つ。

実対称な正定値行列全体P\mathcal Pは凸な開集合であるが、FFはどのような0<λ≤Λ0<\lambda\leq\LambdaについてもP\mathcal P上で一様楕円型でない。t>0t>0についてa(tI)=t−1Ia(tI)=t^{-1}Iであり、t>1/λt>1/\lambdaのときa(tI)≥λIa(tI)\geq\lambda Iが成り立たないから、§E15.42 命題 3.4 (1)によりFFはP\mathcal P上でλ,Λ\lambda,\Lambdaについて一様楕円型でない。

8 複素 Monge–Ampère 方程式への局所適用

命題 8.1.n≥1n\geq1を整数とし、R2n\R^{2n}の座標を(x1,…,xn,y1,…,yn)(x_1,\dots,x_n,y_1,\dots,y_n)、zj=xj+iyjz_j=x_j+iy_jとする。M∈S2nM\in\mathcal S^{2n}に対してnn次複素行列P(M)P(M)を

P(M)ijˉ=14(Mxixj+Myiyj+i(Mxiyj−Myixj))P(M)_{i\bar j}=\tfrac14\bigl(M_{x_ix_j}+M_{y_iy_j}+i(M_{x_iy_j}-M_{y_ix_j})\bigr)

で定める。nn次 Hermite 行列GGが正定値であることをG>0G>0と書き、tr⁡R\operatorname{tr}_{\R}、tr⁡C\operatorname{tr}_{\C}をそれぞれS2n\mathcal S^{2n}とnn次複素行列の跡とする。このとき次が成り立つ。

  1. PPは実線形であり、P(M)P(M)は Hermite 行列である。ζ=α+iβ∈Cn\zeta=\alpha+i\beta\in\C^n(α,β∈Rn\alpha,\beta\in\R^n)に対してv=(α,β)v=(\alpha,\beta)、w=(β,−α)∈R2nw=(\beta,-\alpha)\in\R^{2n}とおくと∑i,jP(M)ijˉζiζˉj=14(v⋅Mv+w⋅Mw)\sum_{i,j}P(M)_{i\bar j}\zeta_i\bar\zeta_j=\frac14(v\cdot Mv+w\cdot Mw)である。とくにN≥0N\geq0ならばP(N)≥0P(N)\geq0であり、tr⁡CP(N)=14tr⁡RN\operatorname{tr}_{\C}P(N)=\frac14\operatorname{tr}_{\R}Nである。
  2. ggをnn次 Hermite 行列とし、G={M∈S2n∣g+P(M)>0}\mathcal G=\{M\in\mathcal S^{2n}\mid g+P(M)>0\}とおく。G\mathcal Gは凸な開集合であり、Φ(M)=log⁡det⁡(g+P(M))\Phi(M)=\log\det(g+P(M))はG\mathcal G上でC∞C^\inftyの凹関数で、DΦ(M)[N]=tr⁡C((g+P(M))−1P(N))D\Phi(M)[N]=\operatorname{tr}_{\C}\bigl((g+P(M))^{-1}P(N)\bigr)を満たす。さらに0<κ≤K0<\kappa\leq Kとし、M∈GM\in\mathcal GがκI≤g+P(M)≤KI\kappa I\leq g+P(M)\leq KIを満たすならば、N≥0N\geq0を満たす任意のN∈S2nN\in\mathcal S^{2n}について 14Ktr⁡RN≤DΦ(M)[N]≤14κtr⁡RN\frac1{4K}\operatorname{tr}_{\R}N\leq D\Phi(M)[N]\leq\frac1{4\kappa}\operatorname{tr}_{\R}N である。

証明.主張 (1)を示す。PPの実線形性は定義から従う。MMの対称性によりMyjxi=MxiyjM_{y_jx_i}=M_{x_iy_j}、Mxjyi=MyixjM_{x_jy_i}=M_{y_ix_j}であるから、P(M)jiˉ‾=14(Mxixj+Myiyj−i(Mxjyi−Myjxi))=P(M)ijˉ\overline{P(M)_{j\bar i}}=\frac14(M_{x_ix_j}+M_{y_iy_j}-i(M_{x_jy_i}-M_{y_jx_i}))=P(M)_{i\bar j}であり、P(M)P(M)は Hermite である。Xij=MxixjX_{ij}=M_{x_ix_j}、Yij=MyiyjY_{ij}=M_{y_iy_j}、Zij=MxiyjZ_{ij}=M_{x_iy_j}とおくとMyixj=ZjiM_{y_ix_j}=Z_{ji}である。ζiζˉj=(αiαj+βiβj)+i(βiαj−αiβj)\zeta_i\bar\zeta_j=(\alpha_i\alpha_j+\beta_i\beta_j)+i(\beta_i\alpha_j-\alpha_i\beta_j)であり、P(M)P(M)は Hermite であるから∑i,jP(M)ijˉζiζˉj\sum_{i,j}P(M)_{i\bar j}\zeta_i\bar\zeta_jは実数であって、その値は

14∑i,j((Xij+Yij)(αiαj+βiβj)−(Zij−Zji)(βiαj−αiβj))=14(α⋅Xα+β⋅Xβ+α⋅Yα+β⋅Yβ+2α⋅Zβ−2β⋅Zα)\frac14\sum_{i,j}\Bigl((X_{ij}+Y_{ij})(\alpha_i\alpha_j+\beta_i\beta_j)-(Z_{ij}-Z_{ji})(\beta_i\alpha_j-\alpha_i\beta_j)\Bigr) =\frac14\bigl(\alpha\cdot X\alpha+\beta\cdot X\beta+\alpha\cdot Y\alpha+\beta\cdot Y\beta+2\alpha\cdot Z\beta-2\beta\cdot Z\alpha\bigr)

である。一方v⋅Mv=α⋅Xα+2α⋅Zβ+β⋅Yβv\cdot Mv=\alpha\cdot X\alpha+2\alpha\cdot Z\beta+\beta\cdot Y\beta、w⋅Mw=β⋅Xβ−2β⋅Zα+α⋅Yαw\cdot Mw=\beta\cdot X\beta-2\beta\cdot Z\alpha+\alpha\cdot Y\alphaであるから、等式が成り立つ。η=ζˉ\eta=\bar\zetaとおくと左辺はη∗P(M)η\eta^*P(M)\etaである。N≥0N\geq0ならばM=NM=Nのときの右辺は00以上であり、ζ\zetaは任意であるからP(N)≥0P(N)\geq0である。tr⁡CP(N)=14∑i(Nxixi+Nyiyi)=14tr⁡RN\operatorname{tr}_{\C}P(N)=\frac14\sum_i(N_{x_ix_i}+N_{y_iy_i})=\frac14\operatorname{tr}_{\R}Nである。

主張 (2)を示す。正定値 Hermite 行列の全体は凸な開集合であり、PPは実線形であるから、G\mathcal Gは凸な開集合である。det⁡\detは成分の多項式で正定値 Hermite 行列の上で正の値をとるから、Φ\PhiはC∞C^\inftyである。M∈GM\in\mathcal G、N∈S2nN\in\mathcal S^{2n}とし、G=g+P(M)G=g+P(M)、H=P(N)H=P(N)とおくと、Φ(M+tN)=log⁡det⁡(G+tH)\Phi(M+tN)=\log\det(G+tH)である。補題 7.1により、t=0t=0における一階微分はtr⁡C(G−1H)\operatorname{tr}_{\C}(G^{-1}H)であり、二階微分は00以下である。M∈GM\in\mathcal Gは任意であるから、G\mathcal Gと交わる各直線上でΦ\Phiの二階微分は00以下であり、Φ\Phiは凹である。κI≤G≤KI\kappa I\leq G\leq KI、N≥0N\geq0ならば、主張 (1)によりH≥0H\geq0、tr⁡CH=14tr⁡RN\operatorname{tr}_{\C}H=\frac14\operatorname{tr}_{\R}Nであるから、補題 7.1の最後の不等式から主張の評価を得る。▨

系 8.2.n≥1n\geq1を整数、0<κ≤K0<\kappa\leq K、K0≥0K_0\geq0、Θ≥0\Theta\geq0とし、PPを命題 8.1の写像とする。B1=B1(0)⊆R2nB_1=B_1(0)\subseteq\R^{2n}、M∈S2nM\in\mathcal S^{2n}に対して∣M∣=(M:M)1/2|M|=(M:M)^{1/2}とし、U⊆R2nU\subseteq\R^{2n}をB1‾⊆U\overline{B_1}\subseteq Uを満たす開集合、g∈C2(U)g\in C^2(U)をnn次 Hermite 行列値関数、h∈C2(U)h\in C^2(U)を実数値関数とし、ggとhhの一階と二階の偏微分の絶対値はB1B_1上でΘ\Theta以下であるとする。実数値関数u∈C4(B1)u\in C^4(B_1)は、すべてのp∈B1p\in B_1について∣D2u(p)∣≤K0|D^2u(p)|\leq K_0、κI≤G(p)≤KI\kappa I\leq G(p)\leq KI、log⁡det⁡G(p)=h(p)\log\det G(p)=h(p)を満たすとする。ここでG(p)=g(p)+P(D2u(p))G(p)=g(p)+P(D^2u(p))である。このとき、n,κ,K,K0,Θn,\kappa,K,K_0,\Thetaだけに依存するα∈(0,1)\alpha\in(0,1)と定数CCが存在して

sup⁡B1/2∣D2u∣+sup⁡p,q∈B1/2p≠q∣D2u(p)−D2u(q)∣∣p−q∣α≤C\sup_{B_{1/2}}|D^2u|+\sup_{\substack{p,q\in B_{1/2}\\p\neq q}}\frac{|D^2u(p)-D^2u(q)|}{|p-q|^\alpha}\leq C

である。

証明.O={(M,q)∈S2n×U∣(κ/2)I<g(q)+P(M)<2KI}\mathcal O=\{(M,q)\in\mathcal S^{2n}\times U\mid(\kappa/2)I<g(q)+P(M)<2KI\}とおき、O\mathcal O上でF(M,q)=log⁡det⁡(g(q)+P(M))−h(q)F(M,q)=\log\det(g(q)+P(M))-h(q)とおく。Hermite 行列の固有値は成分について連続であるから、O\mathcal Oは開集合である。スペクトルが(κ/2,2K)(\kappa/2,2K)に含まれるnn次 Hermite 行列の全体は凸であり、PPは実線形であるから、各切り口Oq\mathcal O_qは凸である。F∈C2(O)F\in C^2(\mathcal O)であり、命題 8.1 (2)によりFFは行列変数について凹である。(M,q)∈O(M,q)\in\mathcal Oとξ∈R2n\xi\in\R^{2n}について、命題 8.1 (2)をκ/2,2K\kappa/2,2KとN=ξ⊗ξN=\xi\otimes\xiに適用するとa(M,q):ξ⊗ξa(M,q):\xi\otimes\xiは∣ξ∣2/(8K)|\xi|^2/(8K)以上2∣ξ∣2/κ2|\xi|^2/\kappa以下であるから、§E15.42 命題 3.4 (1)によりFFはO\mathcal O上で1/(8K),2/κ1/(8K),2/\kappaについて一様楕円型である。

nn次複素行列XXの作用素ノルムを∥X∥\|X\|と書く。各成分の絶対値がcc以下のnn次複素行列の作用素ノルムはncnc以下であり、nn次複素行列X,YX,Yについて∣tr⁡C(XY)∣≤n∥X∥∥Y∥|\operatorname{tr}_{\C}(XY)|\leq n\|X\|\|Y\|である。p,q∈B1p,q\in B_1について、平均値の定理によりg(q)−g(p)g(q)-g(p)の各成分の絶対値は2n Θ∣p−q∣\sqrt{2n}\,\Theta|p-q|以下であるから、∥g(q)−g(p)∥≤n2n Θ∣p−q∣\|g(q)-g(p)\|\leq n\sqrt{2n}\,\Theta|p-q|である。δ=κ/(2n2n Θ+1)\delta=\kappa/(2n\sqrt{2n}\,\Theta+1)とおく。p,q∈B1p,q\in B_1、∣p−q∣<δ|p-q|<\deltaならば∥g(q)−g(p)∥<κ/2\|g(q)-g(p)\|<\kappa/2であるから、g(q)+P(D2u(p))=G(p)+(g(q)−g(p))g(q)+P(D^2u(p))=G(p)+(g(q)-g(p))の固有値はκ/2\kappa/2より大きくK+κ/2K+\kappa/2より小さく、K+κ/2<2KK+\kappa/2<2Kであるから(D2u(p),q)∈O(D^2u(p),q)\in\mathcal Oである。したがって定理 5.1 条件 (c)が成り立つ。

K\mathcal Kの点(M,q)(M,q)でG=g(q)+P(M)G=g(q)+P(M)とおくと、∥G−1∥≤2/κ\|G^{-1}\|\leq2/\kappaであり、補題 7.1の一階微分の式により、ξ,η∈R2n\xi,\eta\in\R^{2n}とN∈S2nN\in\mathcal S^{2n}について

∂ξF=tr⁡C(G−1∂ξg)−∂ξh,Bξ:N=−tr⁡C(G−1P(N)G−1∂ξg),\partial_\xi F=\operatorname{tr}_{\C}(G^{-1}\partial_\xi g)-\partial_\xi h,\qquad B_\xi:N=-\operatorname{tr}_{\C}\bigl(G^{-1}P(N)G^{-1}\partial_\xi g\bigr),∂ξ∂ηF=−tr⁡C(G−1∂ηg G−1∂ξg)+tr⁡C(G−1∂ξ∂ηg)−∂ξ∂ηh\partial_\xi\partial_\eta F=-\operatorname{tr}_{\C}(G^{-1}\partial_\eta g\,G^{-1}\partial_\xi g)+\operatorname{tr}_{\C}(G^{-1}\partial_\xi\partial_\eta g)-\partial_\xi\partial_\eta h

である。∣ξ∣=∣η∣=1|\xi|=|\eta|=1のとき∂ξg\partial_\xi g、∂ξ∂ηg\partial_\xi\partial_\eta gの各成分の絶対値は2nΘ2n\Theta以下であり、∣N∣≤1|N|\leq1のときP(N)P(N)の各成分の絶対値は11以下である。したがって、∣ξ∣=∣η∣=1|\xi|=|\eta|=1、∣N∣≤1|N|\leq1のとき、上の三つの量の絶対値はn,κ,Θn,\kappa,\Thetaだけで定まる定数以下である。∣DxF∣≤2nmax⁡k∣∂ekF∣|D_xF|\leq\sqrt{2n}\max_k|\partial_{e_k}F|、∣Dx2F∣≤2nmax⁡k,l∣∂ek∂elF∣|D_x^2F|\leq2n\max_{k,l}|\partial_{e_k}\partial_{e_l}F|、∣Bξ∣=sup⁡{Bξ:N∣∣N∣≤1}|B_\xi|=\sup\{B_\xi:N\mid|N|\leq1\}であるから、定理 5.1 条件 (d)を満たすμ1,μ2\mu_1,\mu_2をn,κ,Θn,\kappa,\Thetaだけで選ぶことができる。F(D2u(p),p)=log⁡det⁡G(p)−h(p)=0F(D^2u(p),p)=\log\det G(p)-h(p)=0であるから、定理 5.1を次元2n2n、楕円性定数1/(8K),2/κ1/(8K),2/\kappa、K0K_0、δ\delta、μ1\mu_1、μ2\mu_2で適用すれば主張を得る。▨

注意 8.3.系 8.2の条件∣D2u∣≤K0|D^2u|\leq K_0は、GGの上下のスペクトル評価から従わない。n=1n=1、g=1g=1、h=0h=0、t∈Rt\in\Rとし、ut(x1,y1)=t(x12−y12)u_t(x_1,y_1)=t(x_1^2-y_1^2)とおくと、D2ut=diag⁡(2t,−2t)D^2u_t=\operatorname{diag}(2t,-2t)でありP(D2ut)=14(2t−2t)=0P(D^2u_t)=\frac14(2t-2t)=0であるから、G=1G=1とlog⁡det⁡G=0=h\log\det G=0=hがすべてのttについて成り立つ。一方sup⁡B1/2∣D2ut∣=22∣t∣\sup_{B_{1/2}}|D^2u_t|=2\sqrt2|t|はttについて有界でないから、系 8.2の左辺をn,κ,K,Θn,\kappa,K,\Thetaだけで抑えることはできない。

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