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解的凸性是偏微分方程和几何分析研究中的一个重要课题,其主要研究方法分为宏观方法和微观方法.对于一般椭圆和抛物方程,我们自然地想研究其解的相关凸性,例如解的凸性和解的水平集的凸性.建立相应的常秩定理则是微观凸性方法的关键.然而,相对一般椭圆方程,其微观凸性已经有了系统的研究,本文则针对一般抛物方程解的微观凸性给出系统的研究,利用强极值原理建立相应的常秩定理,并且给出一些几何和分析上的应用.本文的主要结果列举如下,
水平集的凸性是很重要的一种凸性,我们考虑抛物方程的(空间)拟凹解的凸性,进而得到其微观凸性原理.
定理0.1.设u∈C3,1(Ω×[0,T])为如下抛物方程的空间拟凹解
(e)u/(e)t=F(▽2u,▽u,u,t)inΩ×(0,T],(1)并且存在某个常数γ0>0和c0>0,使得对任意(x,t)∈Ω×[0,T都有(▽2u(x,t),▽u(x,t),u(x,t))∈Λ×(R)n×(-γ0+c0,γ0+c0),▽u≠0.若F满足结构条件
F(s2A,sθ,u,t)关于(A,s)是局部凹的.(2)其中(θ,u)∈(S)n-1×(R).若对任意c∈(-γ0+c0,γ0+c0)空间(上)水平集{x∈Ω|u(x,t)≥c}是连通、局部凸的.则对任意c∈(-γ0+c0,γ0+c0)水平集{x∈Ω|u(x,t)=c}的第二基本形式在Ω上的秩是常数,进一步,设t时刻水平集的第二基本形式在Ω上的极小秩为l(t),则对任意0<s≤t≤T有l(s)≤l(t).
作为应用,我们考虑凸环上的抛物方程的(空间)拟凹解,得到空间水平集的主曲率的下界估计如下
定理0.2.假设u∈C3,1(Ω×[0,T])是如下抛物方程的空间拟凹解,
{(e)u/(e)t=F(▽2u,▽u,u,t)inΩ×(0,T],u(x,0)=u0(x)inΩ,(3)u(x,t)=0on(e)Ω0×(0,T],u(X,t)=1on(e)Ω1×(0,T],其中u0满足一定的相容性条件(见(4.46)),▽u≠0,并且F满足结构条件
F(s2A,sθ,u,t)关于(A,s)是局部凹的.(4)其中(θ,u)∈(S)n-1×(R).则
κu(x,t)≥min{κ0,κ1e-A}eAu(x,t)(5)其中κu(x,t)的定义为(4.47),常数A依赖于||F||C2,n,λmin(x,t)∈Ω×[0,T]|▽u|,||u||C3.进一步,若“=”在某点(x,t)成立,其中u(x,t)∈(0,1),则“=”在Ω上恒成立,
时空凸性也是一种很有意思的凸性,我们得到关于时空凸解的微观凸性原理如下
定理0.3.设Ω是(R)n中的一个区域,F=F(A,p,u,x,t)∈C2,1(Sn+×(R)n×(R)×Ω×(0,T]),u∈C2,1(Ω×(0,T])为抛物方程
(e)u/(e)t=F(D2u,Du,u,x,t),(x,t)∈Ω×(0,T],(6)的时空凸解,并且F满足结构条件
F(A-1,p,u,x,t)关于(A,u,x,t)局部凸.(7)则对任意固定的时间t∈(0,T],时空Hessian矩阵∧D2u在Ω上保持常秩.进一步,令l(t)为t时刻的时空Hessian矩阵∧D2u在Ω上的极小秩,则对任意0<s≤t≤T有l(s)≤l(t).
特别地,如果时空凸解的空间Hessian矩阵是严格正定的,我们在更弱的结构条件下得到如下常秩定理
定理0.4.设Ω为(R)n中一个邻域,F=F(A,p,u,x,t)∈C2,1(Sn+×(R)n×(R)×Ω×(0,T]),u为抛物方程
(e)u/(e)t=F(D2u,Du,u,x,t),(x,t)∈Ω×(0,T],(8)的时空凸解并且关于空间变量严格凸,即
D2u>0,∧D2u≥0,(V)(x,t)∈Ω×(0,T].(9)并且F满足结构条件
对任意常数c,{(A,u,x,t)∶F(A-1,p,u,x,t)≤c}是凸的.(10)若∧D2u在某点(x0,t0)∈Ω×(0,T]达到极小秩n,则∧D2u在Ω×(0,t0]保持常秩n.
对平均曲率流,我们得到关于时空第二基本形式的常秩定理如下定理0.5.设M(t)∈Rn+1(t∈[0,T))为紧超曲面,并且为如下平均曲率流的解
Xt=-H→n(11)若M(t)是时空凸的,即时空第二基本形式
∧h=(hijHiHjHt)在M×[0,T)上半正定,则存在时间t0∈[0,T),使得M(t)在(0,t0]是严格(空间)凸的(i.e.rank∧h≡n),在(t0,T)是严格时空凸的(i.e.rank∧h≡n+1)。