О касательном граничном поведении функций многих переменных // Матем.заметки. 2000. Т. 68, № 2. С. 230–248. В. Г. Кротов Аннотация В работе изучается асимптотическое поведение функций, заданных в областях многомерного действительного или комплексного пространства, когда точка подходит к границе внутри касательных областей с различным порядком касания. Основные результаты статьи связаны с граничным поведением функций из пространств Харди-Соболева в многомерном комплексном шаре и решений эллиптических краевых задач в липшицевой области действительного евклидова пространства. Методы статьи основаны на двухвесовых оценках для касательных максимальных функций в абстрактном шаре. Границей этого шара является пространство с мерой и квазиметрикой. Ключеые слова:касательное граничное поведение, пространства Харди-Соболева, эллиптические краевые задачи. 1. Введение. Систематическое изучение касательного граничного поведения функций из пространств Харди было начато в работах [1], [2], где рассматривались потенциалы функций из H p (Rn+1 + ) (при p > 1 в [1] и при p > 0 в [2]) и продолжено затем многими авторами (см., например, [3] – [8]). Так в нашей работе [4] с этой точки зрения изучались функции из пространств Харди для многих комплексных переменных и решения некоторых краевых задач. Такого же типа результаты были получены затем в [6], [7]. Здесь мы обобщаем ряд результатов из цитированных работ в некоторых направлениях, основным из которых является рассмотрение скорости касательной сходимости. Сейчас будет приведен типичный результат нашей работы, относящийся к касательному асимптотическому поведению решений задачи Дирихле для полигармонического уравнения ∆m u = 0. Пусть Ω – ограниченная липшицева область в Rn , n ≥ 2, µ – мера Лебега на ∂Ω, Γ∗ε (P ) = {x ∈ Ω : |x − P | < a(dist (x, ∂Ω))ε }, P ∈ ∂Ω, и Nε u(x) = sup{|u(y, r)| : (y, r) ∈ Γ∗ε } – соответствующий максимальный оператор. При ε = 1 область Γ∗ε (P ) допускает некасательный подход к границе: если a достаточно велико (больше липшицевой постоянной области Ω), то Γ∗1 (P ) содержит конус фиксированных высоты и раствора, не зависящих от P ∈ ∂Ω. Если же ε < 1, то область Γ∗ε (P ) допускает касательный подход к границе, причем степень касания области Γ∗ε (P ) и ∂Ω тем выше, чем меньше ε. 1 Параметр a оказывает незначительное влияние на геометрию области Γ∗ε (P ) – при увеличении a область Γ∗ε (P ) расширяется, но степень ее касания границы при этом не меняется. Рассмотрим, cледуя [9], P D(m, p)-задачу Дирихле: найти m-гармоническую функцию u в области Ω, для которой некасательные пределы производных в направлении внешней нормали порядка l = 0, ..., m − 1 µ-почти всюду совпадают с заданными функциями из класса Соболева Wlp (∂Ω) и N1 (∇m−1 u) ∈ Lpµ (∂Ω) . Теорема. Пусть p > 0, m ∈ N, m ≥ 2, 0 ≤ σ < m − 1 < (n − 1)/p, (n − mp + p − 1)/(n − σp − 1) ≤ ε < 1 и ν – внешняя мера на ∂Ω, удовлетворяющая условию µ(B(x, t)) ≤ ctβ , где c не зависит от x ∈ X и t > 0, β= n − (m − σε − 1)p − 1 . ε Тогда, если u – решение полигармонической задачи Дирихле P D(m, p), то m−2 X l ∇ u(0) + kN1 (∇m−1 u)kLpµ (∂Ω) kNε (Wσ u)kLpν (∂Ω) ≤ c ! l=0 (c не зависит от u), и для ν-почти всех P ∈ ∂Ω выполнено равенство Γ∗ε − lim Wσ u(x, P ) = 0, x→P где Wσ u(x, P ) = u(x) − X (x − P )k k! |k|<[σ] Dk u(P ) |x − P |−σ . Здесь и всюду ниже в работе через c мы обозначаем различные положительные постоянные, зависящие, возможно, от некоторых параметров (существенная зависимость отражается соответствующими индексами). Отметим, что мера ν может быть сингулярной относительно µ и, в частности, возможно сосредоточена на подмногообразиях границы ∂Ω меньшей хаусдорфовой размерности, а также не обязана быть аддитивной, поэтому в качестве ν могут быть взяты, например, различные емкости. Параметр β (показатель плотности внешней меры ν) указывает точную связь между основными параметрами: размерностью n, порядком уравнения m, качеством граничных данных p, геометрией областей сходимости ε и порядком скорости сходимости σ. Мы покажем также, что эти утверждения являются неулучшаемыми в том смысле, что даже в случае, когда Ω – единичный шар в Rn , условие на внешнюю меру ν является в некотором смысле необходимым. Кроме того, области Γ∗ε , участвующие в формулировках, выбраны оптимально и не допускают расширения. 2 Основой для получения результатов такого рода являются двухвесовые неравенства для специальных максимальных функций на пространствах с мерой и квазиметрикой. При этом мы опираемся на методы нашей работы [4], которые изложены в п. 2, где изучается граничное поведение операторов типа дробного интегрирования на абстрактных пространствах. В п. 3 рассмотрены приложения к граничному поведению дифференцируемых функций и, в частности, решений краевых задач в негладких областях nмерного евклидова пространства. п. 4 посвящен приложениям результатов п. 2 к пространствам Харди в многомерном комплексном шаре. Результаты работы в том или ином объеме докладывались на конференциях "Функциональные пространства, теория приближений, нелинейный анализ", посвященной 90-летию академика С.М.Никольского (Москва, 27 апреля – 3 мая 1995 г.), на Саратовской зимней школе "Теория функций и приближений"(Саратов, 27 января–2 февраля 1996 г.), "Краевые задачи, специальные функции и дробное исчисление", посвященной 90-летию академика Ф.Д.Гахова (Минск, 16–20 февраля 1996 г.), и "Гармонический анализ и приближения"(Нор-Амберд, 18–25 сентября 1998 г.) и частично анонсированы [10]. 2. Весовые оценки касательных максимальных функций Пусть X – компактное хаусдорфово пространство, топология которого задается квазиметрикой d. Это означает, что функция d : X × X → [0, ∞) удовлетворяет условиям d(x, y) = 0 ⇔ x = y, d(x, y) = d(y, x), d(x, y) ≤ ad [d(x, z) + d(z, y)] для любых x, y, z ∈ X (постоянная ad ≥ 1 не зависит от выбора элементов x, y, z в X) и семейство открытых шаров B(x, t) = {y ∈ X : d(x, y) < t} образует базу окрестностей топологии X. Лемма 1. Существует постоянная ρ = ρd ≥ 1 такая, что для любого множества E ⊂ X из любого покрытия {B} этого множества шарами можно выделить не более чем счетное подсемейство {Bj } ⊂ {B} со свойствами Bi \ Bj = ∅ (i 6= j), E ⊂ [ ρBj . j Здесь ρB – шар с тем же центром, что и B, радиуса в ρ раз больше. Доказательство леммы имеется в [11]. Неотрицательная функция ν, определенная на борелевских множествах из X называется внешней мерой, если она монотонна и субаддитивна, то есть G1 ⊂ G2 [ X ⇒ ν(G1 ) ≤ ν(G2 ), ν Gj ≤ ν(Gj ). j 3 j Если f – борелевская функция и ν – внешняя мера на X, то положим kf k ∞ Z Lpν (X) = p λ p−1 1/p ν{|f | > λ} dλ 0 Конечно, если ν – мера, то kf kLpν (X) = Z |f |p dν 1/p . X В дальнейшем термин "мера на X"означает "неотрицательная борелевская мера на X". Будем говорить, что внешняя мера µ на X удовлетворяет условию Фростмана Fβ (d) = Fβ порядка β > 0 (и писать µ ∈ Fβ ), если µ(B(x, t)) ≤ ctβ , x ∈ X, t > 0 (c не зависит от x и t). Если внешняя мера µ на X такова, что µ(B(x, 2t)) ≤ cµ µ(B(x, t)) (cµ не зависит от x ∈ X и t > 0), то говорят, что µ удовлетворяет условию удвоения D∞ (d) = D∞ . Мы пишем тогда µ ∈ D∞ . В этом случае существует такая постоянная γ > 0, что µ(B(x, s)) ≤ c γ s t µ(B(x, t)), x ∈ X, 0 < t < s (c не зависит от x, s и t). Это условие мы называем условием удвоения Dγ (d) = Dγ порядка γ и пишем µ ∈ Dγ . Таким образом, D∞ = ∪γ>0 Dγ . Если µ ∈ D∞ , то тройка (X, d, µ) называется обычно пространством однородного типа [11]. Ограничение µ ∈ D∞ понадобится нам не всегда. Основное условие, которое мы будем использовать в этом параграфе – Fβ,γ -условие на пару внешних мер ν и µ на X. Пусть ν и µ – две внешние меры на X и β > 0, γ > 0. Будем говорить, что пара (ν, µ) удовлетворяет условию Fβ,γ (d) = Fβ,γ (и писать (ν, µ) ∈ Fβ,γ ), если ν(B(x, s)) ≤ csβ t−γ µ(B(x, t)), x ∈ X, 0 < t < s ≤ diam Ω (c не зависит от x, s и t). Рассмотрим произведение X × [0, 1) и будем трактовать X как границу (отождествляя X × {1} и X). Пусть 0 < ε ≤ 1 и a > 0. Для каждой точки x ∈ X выделим область подхода к границе Γε (x) ≡ Γa,ε (x) = {(y, r) ∈ X × [0, 1) : d(x, y) < a(1 − r)ε } и введем соответствующий максимальный оператор Nε u(x) ≡ Na,ε u(x) = sup{|u(y, r)| : (y, r) ∈ Γa,ε }. 4 (2.1) Как правило, мы будем считать для простоты, что a = 1, и в таком случае первый индекс в обозначенях для Γa,ε и Na,ε будем опускать. Отметим, что если µ ∈ D∞ , то при 0 < a < b выполняется неравенство kNb,ε ukLpµ (X) ≤ ckNa,ε ukLpµ (X) , где c не зависит от u ∈ C(X × [0, 1)). Это следует из леммы 1. Пусть K ∈ L1 [0, 1] и Ku(x, r) = Z 1 K(s)u(x, rs) ds, x ∈ X, 0 ≤ r < 1. 0 Мы раcсматриваем только непрерывные функции на X × [0, 1), так что интеграл всегда будет иметь смысл. Основное условие на ядро K, которое мы будем рассматривать – это δ Z |K(1 − s)| ds ≤ cδ α , 0 < δ ≤ 1 (2.2) 0 с некоторыми постоянными c > 0 и α > 0, не зависящими от δ. Будем ссылаться на (2.2) как на Sα -условие (и писать K ∈ Sα ). Легко видеть, что оно эквивалентно следующему условию 2δ Z |K(1 − s)| ds ≤ cδ α , 0 < δ ≤ 1 δ (с некоторой другой постоянной c). В частности, (2.2) выполнено, если |K(s)| ≤ c(1 − s)α−1 , 0 ≤ s < 1. Введем еще оператор Jα u(x, r) = (1 − r)α u(x, r). (2.3) В этом параграфе мы будем изучать условия, при которых неравенство kNε (Ku)kLqν (X) ≤ ckN1 ukLpµ (X) справедливо для всех функций u ∈ C(X × [0, 1)) с постоянной c, не зависящей от u. Для этого приведем некоторые вспомогательные утверждения. Пусть A ≥ 1, 0 < ε < 1, ΩA ε (x) = (y, r) ∈ X × [1 − A −ε/(1−ε) 1−r , 1), d(x, y) < A ε . Определим максимальные функции (см. (2.3)) A Nα,ε u(x) = sup{|Jα u(y, r)| : (y, r) ∈ ΩA ε (x)}. Подобные конструкции впервые рассматривались в [2]. Впоследствии различные варианты таких функций изучались в [3] – [7]. Здесь мы используем для A изучения Nα,ε методы нашей работы [4]. 5 Лемма 2. Пусть α > 0, p > 0, ν – внешняя мера и µ – мера на X, (ν, µ) ∈ Fβ,γ при некоторых γ > αp и β > γ − αp. Тогда при A ≥ 1 выполнено неравенство A kNα,ε (u)kLpν (X) ≤ cA−εβ/p kN1 ukLpµ (X) , где c не зависит от A и u ∈ C (X × [0, 1)), а εβ = γ − αp. В случае ν = µ при условии µ ∈ Dγ это утверждение доказано в п. 2.9 нашей работы [4]. Доказательство леммы 2 в точности такое же, лишь в момент применения условия Dγ надо применить условие Fβ,γ . Это же относится и к следующей лемме. Лемма 3. Пусть α > 0, p > 0, ν – внешняя мера и µ – мера на X, (ν, µ) ∈ Fβ,γ при некоторых γ > αp и β = γ − αp. Тогда kN1 (Jα u)kLpν (X) ≤ ckN1 ukLpµ (X) где c не зависит от u ∈ C (X × [0, 1)). Теорема 1. Пусть α > 0, p > 0, 0 < ε < 1, ν – внешняя мера, µ – мера на X, (ν, µ) ∈ Fβ,γ при некоторых γ > αp, β = (γ − αp)/ε и пусть K ∈ Sα . Тогда выполнено неравенство kNε (Ku)kLpν (X) ≤ ckN1 ukLpµ (X) для любой функции u ∈ C(X × [0, 1)), где c не зависит от u. Доказательство. Пусть x ∈ X и точка (y, r) такова, что d(x, y) < (1 − r)ε . Найдем натуральное k0 так, чтобы 2k0 δr < δrε ≤ 2k0 +1 δr . Здесь δr = 1 − r (2.4) Это обозначение будет систематически использоваться в дальнейшем. Тогда Z 1 ≤ 1 Z + Z r K(s)u(y, rs) ds 0 r 1−δrε + 1−δrε Z ! |K(s)u(y, rs)| ds ≡ 0 ≡ I1 + I2 + I3 Сначала оценим I1 : I1 ≤ Z 1 r −α |Jα u(y, sr)| ds |K(s)| δsr 1 ≤ Nα,ε u(x)δr−α Z 1 r 1 |K(s)| ds ≤ cNα,ε u(x). Далее, I2 = k0 X k=0 2k δr −α Z 1−2k δr 1−2k+1 δr |K(s)| 6 2k δr α |u(y, rs)| ds ≤c k0 X 2k u(x) Nα,ε k 2 δr 1 −α Z 1−2k+1 δ k=0 |K(s)| ds ≤ c r k0 X k 2 u(x). Nα,ε k=0 Наконец, для оценки I3 возьмем 0 < ε < ε1 и найдем 0 < α1 < α так, чтобы (γ − α1 p)ε = (γ − αp)ε1 . Тогда 1−δsε Z |I3 | ≤ |K(s)| (1 − s)−α1 δsα1 |u(y, rs)| ds 0 ≤ cNα11 ,1 u(x) ≤ cNα11 ,ε1 u(x), так как 1 Z 0 |K(s)| δs−α1 ds < ∞ (последнее следует из (2.2)). Таким образом, мы доказали неравенство ∞ X Nε (Ku)(x) ≤ c 2k Nα,ε u(x) ! + Nα11 ,ε1 u(x) . k=0 Теперь для оценки первого слагаемого справа надо использовать лемму 2 ∞ Z λ p−1 ∞ X ν 0 ≤ ∞ X 2 εβk 2 Z ∞ 0 k=0 ≤c ≤c ∞ X k=0 ∞ X 2 2k Nα,ε u ! > λ dλ k=0 εβ k 2 λp−1 ν Nα,ε u > (1 − 2− 2 )2− 2 εβk 2 Z ∞ 0 εβk 2 −εβk 2 λ dλ 2 λp−1 ν Nα,ε u > λ dλ Z ∞ 0 k=0 k εβk 2 λp−1 µ (N1 u > λ) dλ Нужное неравенство для второго слагаемого Z 0 ∞ λp−1 ν Nα11 ,ε1 u > λ dλ ≤ ckN1 ukLp (µ) получается также прямым применением леммы 2, но с α1 и ε1 вместо α и ε соответственно. Теорема доказана. Лемма 4. Пусть p > 0, 0 < ε < 1, 0 < σ ≤ α, ν – внешняя мера, µ – мера на X, (ν, µ) ∈ Fβ,γ при некотором γ > (α − σε)p и βε = γ − (α − σε)p. Пусть еще ядро K ∈ Sα . Тогда выполнено неравенство kNε (Kσ u)kLpν (X) ≤ ckN1 ukLpµ (X) для любой функции u ∈ C(X × [0, 1)) (c не зависит от u), где Kσ u(y, r) = d−σ (x, y) Z 1 1−d(x,y) 7 K(s)u(y, sr) ds. Доказательство. Пусть x ∈ X и d(x, y) < δrε (см. (2.4)). Если d(x, y) ≤ δr , то −σ d (x, y) Z 1 |K(s)u(y, sr)| ds 1−d(x,y) −σ ≤d 1 (x, y)Nα−σ,1 u(x) Z 1 1−d(x,y) σ−α 1 |K(s)| δsr ) ds ≤ cNα−σ,1 u(x). (2.5) Пусть теперь d(x, y) > δr , тогда найдется натуральное такое j, что δr < 2−εj/(1−ε) и (2−j−1 δr )ε < d(x, y) ≤ (2−j δr )ε . Выберем еще натуральное n0 так, чтобы 2n0 δr < d(x, y) ≤ 2n0 +1 δr . Отметим, что тогда при n = 0, ..., n0 будет выполняться неравенство 1 − ρn 1 − ρn < 2n+j ε , ρn = 1 − 2n δr . Поэтому, d−σ (x, y) σεj ≤ c2 −σε (1 − r) Z 1 |K(s)u(y, sr)| ds 1−d(x,y) "Z n0 1 X + r ≤c n0 X ∗ n=0 Z ρn # |K(s)u(y, sr)| ds ρn+1 n+j 2 2(n+j)αε Nα−σε,ε u(x) n=0 A (* у знака суммы означает, что последний в силу условия Sα и определения Nα,ε интеграл в сумме берется по отрезку [1 − d(x, y), ρn0 ]). Таким образом, учитывая еще (2.5), получаем sup d−σ (x, y) d(x,y)<(1−r)ε 1 ≤ c Nα−σ,1 u(x) + Z 1 |K(s)u(y, sr)| ds 1−d(x,y) ∞ X ∞ X j=0 n=0 2n+j 2(n+j)εσ Nα−σε,ε u(x) . (2.6) Так как (ν, µ) ∈ Fβ,γ (X) и ε < 1, то (ν, µ) ∈ Fεβ,γ (X), а по лемме 3, 1 kNα−σ,1 ukLpν (X) ≤ ckN11 ukLpµ (X) . Далее по лемме 2 из условия (ν, µ) ∈ Fβ,γ (X) с βε = γ − (α − σε)p вытекает, что n+j 2 kNα−σε,ε ukLpν (X) ≤ c2−(n+j)εβ/p kN11 ukLpµ (X) . Осталось подставить эту оценку в (2.6) и заметить, что εβ/p − σε = γ/p − α > 0. 8 3. Граничное поведение решений эллиптических краевых задач В этом параграфе мы будем использовать результаты п. 2 для изучения поведения дифференцируемых функций вблизи границы липшицевой области в n-мерном евклидовом пространстве Rn , n ≥ 2. Эти результаты будут затем применены к решениям некоторых краевых задач для уравнений в частных производных эллиптического типа. Пусть Ω = {rθ : θ ∈ S n−1 , 0 ≤ r < g(θ)} – ограниченная липшицева область в Rn , n ≥ 2, звездная относительно начала координат (последнее не ограничивает общности и принимается для удобства). Здесь g : S n−1 → R+ – положительная липшицева функция на единичной сфере S n−1 ⊂ Rn , т.е. ( ) |g(θ) − g(θ1 )| L = sup : θ, θ1 ∈ S n−1 < ∞. |θ − θ1 | Пусть еще M = sup{g(θ) : θ ∈ S n−1 }, m = inf{g(θ) : θ ∈ S n−1 }, Результаты п. 2 будут применяться при следующем выборе основных параметров: X = ∂Ω – граница области Ω, d(P, Q) = |P − Q| – евклидова метрика, µ – мера Лебега на ∂Ω. При этом µ(B(P, t)) tn−1 , P ∈ ∂Ω, 0 < t ≤ 2 diam Ω с постоянными эквивалентности, не зависящими от P и t. Здесь B(P, t) – поверхностные шары на ∂Ω, порожденные евклидовой метрикой. При выбранных X, d и µ мы будем использовать основные обозначения п. 2, отождествляя при этом ∂Ω × [0, 1) и Ω с помощью отображения (P, r) → rP , где P ∈ ∂Ω, r ∈ [0, 1). При этом под некасательным пределом в точке P ∈ ∂Ω будем понимать предел вдоль области Γ1 (P ). Термин "почти всюду"без указания меры относится к мере µ. Вместо областей Γε (P ) можно было бы рассматривать области Γ∗ε (P ) = {x ∈ Ω : |x − P | < a (dist (x, ∂Ω))ε }, P ∈ ∂Ω, которые мы использовали для формулировок во введении. Эти области формально не укладываются в схему, изложенную выше, но в существенном совпадают с областями Γε (P ). Это показывает следующая лемма. Лемма 5. Существует постоянная c > 0 такая, что 1 (1 − r) ≤ dist (x, ∂Ω)) ≤ c(1 − r), x ∈ Ω. c Доказательство. Пусть x = rg(θ)θ, d = x∂Ω, Q = g(θ)θ, Q0 = g(θ0 )θ0 – ближайшая к x точка ∂Ω, y = rg(θ0 )θ0 , причем можно считать, что r ≥ 1/2. Тогда (1 − r)g(θ) = |x − Q| ≤ |x − Q0 | + |Q − Q0 | = d + |Q − Q0 | 9 d + |g(θ)θ − g(θ0 )θ| + |g(θ0 )θ − g(θ0 )θ0 | ≤ d + (L + M ) |θ − θ0 | L+M L+M |x − Q0 | ≤ 2 + 1 d, ≤d+ rg(θ) m откуда 1 L+M + 1 d. 2 m m Здесь было использовано то, что rg(θ)θ0 ∈ Ω, а также то, что g(θ0 ) ≤ g(θ). Обратное неравенство очевидно 1−r ≤ d = |x − Q0 | ≤ |x − Q| = |rg(θ)θ − g(θ)θ| ≤ M (1 − r). Далее мы будем использовать стандартные векторные обозначения |k| = n X kj , k! = n Y kj !, xk = k xj j , n Y Dk = ∂ ∂xj j=1 j=1 j=1 j=1 n Y !kj (3.1) для мультииндекса k = (k1 , ..., kn ) и вектора x = (x1 , ..., xn ) ∈ Rn . Кроме того, пусть ∇l u означает вектор всех частных производных Dk u, |k| ≤ l, функции u ∈ C l (Ω). Пусть функция u ∈ C 1 (Ω) и Ru = n X xj Dj u(x) j=1 – радиальная производная. Нам понадобятся следующие легко проверяемые тождества (см. [12] в комплексном случае) 1 d u(sx) = Ru(sx), ds s RDk u(x) = Dk Ru(x) − |k| Dk u(x). Обозначим через Tl (x, y; u) = u(x) − X (x − y)k |k|<l k! Dk u(y) тейлоровские остатки функции u ∈ C l (Ω). С помощью этих тождеств и интегрирования по частям нетрудно вывести [13] равенства Z 1 1 1 1 u(x) = ln (l − 1)! ρ s s l−1 l−1 X 1 1 R u(sx)ds + ln ρ j=0 j! l Z 1 1 1 1 ln (l − 1)! ρ s s Tl (x, y; u) = l−1 X 1 1 + ln ρ j=0 j! l−1 !j Rj u(ρx), (3.2) Rl u(sx)ds !j Tl−j (ρx, ρy; Rj u) 10 (3.3) + l−1 X 1Z j=0 j! ρ 1 1 1 ln s s j (sx − sy)k k j+1 D R u(sy)ds, k! |k|=l−j−1 X где 0 < ρ < 1. Пусть p > 0 и m ∈ N. Введем классы ( p Hm (Ω) m p = = u ∈ C (Ω) : kukHm m X ) l kN1 (∇ u)kLpµ (∂Ω) < ∞ . l=0 Отметим (см. [4]), что kN1 ukLpµ (∂Ω) ≤ c |u(0)| + kN1 (∇u)kLpµ (∂Ω) (c не зависит от u), поэтому p kukHm (Ω) m−1 X l ∇ u(0) + kN1 (∇m u)kLpµ (∂Ω) . l=0 Из тождества (3.2) и из результатов пп. 3.8 и 3.11 работы [5] следует, что для p каждой функции u ∈ Hm (Ω) все частные производные Dk u порядка |k| < m почти всюду на ∂Ω имеют некасательные пределы, которые мы обозначаем Dk u(P ). p (Ω) и почти всех P ∈ ∂Ω Поэтому если l < m, то для каждой функции u ∈ Hm имеет смысл выражение Tl (x, P ; u). Введем обозначение T[σ] (x, P ; u) Wσ u(x, P ) = . (3.4) |x − P |σ Из сказанного вытекает, что при σ < m выражение (3.4) корректно определено p для u ∈ Hm (Ω) и x ∈ Ω при почти всех P ∈ ∂Ω. ◦ p p (Ω), состоящий из функций, у (Ω) – подкласс в Hm Пусть еще Hm которых частные производные порядка k, |k| = m, почти всюду на ∂Ω имеют ◦ p p некасательный предел. Hm (Ω) является замкнутым подпространством в Hm (Ω), состоящим из функций, для которых p lim ku − ur kHm (Ω) = 0, r→1 где ur (x) = u(rx) (см. лемму 2.5 в нашей работе [5]). Теорема 2. Пусть m ∈ N, 0 < p < (n − 1)/m, (n − mp − 1)/(n − 1) ≤ ε < 1 и ν – внешняя мера на ∂Ω, удовлетворяющая Fβ -условию, εβ = n − mp − 1. Тогда p для любой функции u ∈ Hm (Ω) выполнено неравенство p kNε ukLpν (∂Ω) ≤ ckukHm (Ω) (c не зависит от u). ◦ p Если дополнительно u ∈Hm (Ω), то для ν-почти всех P ∈ ∂Ω существует Γε − limx→P u(x). 11 Доказательство. Воспользуемся тождеством (3.2) с ρ = 1/2. Нужная оценка для первого слагаемого справа вытекает из теоремы 1. Второе слагаемое справа оценивается так n o j R u(x/2)) ≤ inf Na,1 (Rj u)(P ) : P ∈ ∂Ω , где a = 4diam (Ω). Отсюда вытекает нужное неравенство и для второго слагаемого. Теорема 2 может рассматриваться как предельный частный случай σ = 0 следующей теоремы. Теорема 3. Пусть p > 0, m ∈ N, 0 < σ < m < (n − 1)/p, (n − mp − 1)/(n − σp − 1) ≤ ε < 1 и ν – внешняя мера на ∂Ω, удовлетворяющая Fβ -условию с p β = (n − (m − σε)p − 1)/ε. Тогда для любой функции u ∈ Hm (Ω) выполнено неравенство p kNε (Wσ u)kLpν (∂Ω) ≤ ckukHm (Ω) (c не зависит от u). ◦ p Если дополнительно u ∈Hm (Ω), то для ν-почти всех P ∈ ∂Ω Γε − lim x→P T[σ] (x, P ; u) = 0. |x − P |σ Доказательство. Пусть α = [σ] + 1 > σ. Мы будем сейчас использовать лемму 4 с квазиметрикой d1 (P, Q) = |P − Q|1/δ , где (m − α)p . (3.5) n−1 Временно примем обозначение Nε,d для операторов Nε , тогда Nε,d = Nεδ,d1 . Пусть P ∈ ∂Ω и Q ∈ ∂Ω, причем |P − Q| < (1 − r)ε . Запишем тождество (3.3) с x = rQ, y = P и ρ = 1 − d1 (P, Q), поделив обе части на |x − P |σ , обозначая первое слагаемое справа в полученном равенстве через W 0 (x), а сумму остальных – через W 00 (x). Тогда (см. (3.4)) δ =1− Wσ (x, P ) ≤ |W 0 (x)| + |W 00 (x)| . Воспользуемся теперь леммой 4 для оценки W 0 : kNε,d W 0 kLpν (∂Ω) = kNεδ,d1 W 0 kLpν (∂Ω) ≤ ckN1,d1 (Rα u)kLpµ (∂Ω) = kNδ,d (Rα u)kLpµ (∂Ω) . Основное условие на внешнюю меру для применения леммы 4 – ν(Bd1 (P, t)) ≤ ctβ1 , β1 = (n − 1)δ − (α − σε) ε/δ (Bd1 (P, t) – шары на ∂Ω, порожденные квазиметрикой d1 ) или (переходя к обычным евклидовым шарам на ∂Ω) ν(B(P, t)) ≤ ct((n−1)δ−(α−σε)p)/ε . 12 В силу выбора δ (см. (3.5)) (n − 1)δ − (α − σε)p n − (m − σε)p − 1 = ε ε и нужное условие выполнено. Слагаемое W 00 оценивается просто с помощью формулы Тейлора с остатком Лагранжа как X |W 00 (x)| ≤ c N1,d1 (Jα−σ (Dk u))(P ) |k|≤α Поэтому по лемме 3 kNε,d (W 00 )kLpν (∂Ω) = kNεδ,d1 (W 00 )kLpν (∂Ω) ≤ ≤c X kN1,d1 (Dk u)kLpµ (∂Ω) = c |k|≤α X kNδ,d (Dk u)kLpµ (∂Ω) |k|≤α (нужное условие на внешнюю меру ν сейчас опять выполнено). Итак, мы доказали, что kNε (Wσ u)kLpν (∂Ω) ≤ c X kNδ,d (Dk u)kLpµ (∂Ω) . |k|≤α Для завершения доказательства осталось воспользоваться теоремой 2 (с метрикой d) при ν = µ и ε = δ. Рассмотрим граничное поведение решений некоторых краевых задач для полигармонического уравнения ∆m u = 0, m ≥ 1. Пусть n = n(P ) – единичная внешняя нормаль к ∂Ω в точке P ∈ ∂Ω (она существует для µ-почти всех P .) Следуя [9], рассмотрим следующие краевые задачи 1) P D(m, p) (Lp -полигармоническая задача Дирихле): найти m-гармоническую функцию u в области Ω, для которой N1 (∇m−1 u) ∈ Lpµ (∂Ω) некасательные пределы и Γ1 − limx→P ∂ l u/∂nl (x) при l = 0, ..., m − 1 µ-почти всюду совпадают с заданными функциями из класса Соболева Wlp (∂Ω). 2) RD(m, p) (Lp -полигармоническая регулярная задача Дирихле): найти mгармоническую функцию u в области Ω, для которой N1 (∇m u) ∈ Lpµ (∂Ω) и некасательные пределы Γ1 − limx→P ∂ l u/∂nl (x) при l = 0, ..., m − 1 µ-почти всюду совпадают с заданными функциями из класса Соболева Wlp (∂Ω). Определение классов Соболева на негладкой поверхности довольно громоздко, и мы его не приводим, отсылая к [9]. Здесь оно в явном виде не понадобится. Отметим, что все частные производные решения краевой задачи P D(m, p) порядка |l| < m σ-почти всюду на ∂Ω имеют некасательные пределы [9], ◦ p следовательно, решение этой краевой задачи принадлежит классу Hm−1 (Ω). ◦ p Точно так же решение задачи RD(m, p) принадлежит Hm (Ω). Поэтому к ним применимы теоремы 2 и 3 и мы приходим к следующим утверждениям. Теорема 4. Пусть p > 0, m ∈ N, m ≥ 2, 0 ≤ σ < m−1 < (n−1)/p, (n−mp+p− 1)/(n−σp−1) ≤ ε < 1 и ν – внешняя мера на ∂Ω, удовлетворяющая Fβ -условию 13 с β = (n − (m − σε − 1)p − 1)/ε. Тогда если u – решение полигармонической задачи Дирихле P D(m, p), то m−2 X l ∇ u(0) + kN1 (∇m−1 u)kLpµ (∂Ω) kNε (Wσ u)kLpν (∂Ω) ≤ c ! l=0 (c не зависит от u) и для ν-почти всех P ∈ ∂Ω Γε − lim x→P T[σ] (x, P ; u) = 0. |x − P |σ Теорема 5. Пусть p > 0, m ∈ N, 0 ≤ σ < m < (n − 1)/p, (n − mp − 1)/(n − σp − 1) ≤ ε < 1 и ν – внешняя мера на ∂Ω, удовлетворяющая Fβ -условию с β = (n−(m−σε)p−1)/ε. Тогда если u – решение полигармонической регулярной задачи Дирихле P D(m, p), то kNε (Wσ u)kLpν (∂Ω) ≤ c m−1 X l ∇ u(0) + kN1 (∇m u)kLpµ (∂Ω) ! l=0 (c не зависит от u) и для ν-почти всех P ∈ ∂Ω Γε − lim x→P T[σ] (x, P ; u) = 0. |x − P |σ Некоторые частные случаи теорем 4 и 5 были доказаны в наших работах [4], [10] и в [7]. В [7] была рассмотрена регулярная задача Дирихле для уравнения Лапласа (m = 1) при σ = 0, причем существенно использовались специальные свойства решений и дополнительные ограничения на область Ω. Теорема 2 применима и к решениям краевых задач для более общих эллиптических уравнений (см.например [14]). Рассмотрим вопрос о точности результатов этого параграфа. Мы покажем сейчас, что даже в случае, когда Ω – единичный шар в Rn , основное условие теорем 2-5 (Fβ -условие на внешнюю меру ν) является необходимым для справедливости этих утверждений, по крайней мере в некоторых типичных частных случаях. Кроме того, будет показано, что области Γε выбраны оптимальным образом и не могут быть существенно расширены. Пусть n ≥ 3, p > 1, Ω = B n – единичный шар в Rn , f ∈ Lpµ (S n−1 ) и Sf (x) = Z S n−1 f (θ) |x − θ|2−n dµ(θ) – ньютонов потенциал. Отметим для дальнейшего, что ∇(Sf ) почти всюду на S n−1 имеет некасательный предел и kN1 (∇(Sf ))kLpµ (S n−1 ) ≤ ckf kLpµ (S n−1 ) . 14 поэтому Sf является решением некоторой гармонической регулярной задачи RD(1, p) в B n , а также решением некоторой бигармонической задачи Дирихле P D(2, p) в B n . Пусть χδ – характеристическая функция шара B(θ0 , δ) ⊂ S n−1 , где 0 < δ < 1 и θ0 ∈ S n−1 фиксированы. Если x0 = (1 − δ)θ0 ∈ B n , то при θ ∈ B(θ0 , δ) |x0 − θ| ≤ |θ − θ0 | + δ ≤ 2δ и 2−n Sχδ (x0 ) ≥ (2δ) Z B(θ0 ,δ) χδ (θ) dµ(θ) ≥ c0 δ, (3.6) где c0 – некоторая положительная постоянная. Если число A > 1 выбрать достаточно большим, то при Aδ ≤ |θ − θ0 | ≤ δ ε выполнено неравенство u(θ) ≤ c0 δ/2 и Wσ (Sχδ )(x0 , θ) = |u(x0 ) − u(θ)| > cδ 1−εσ |x0 − θ|σ для таких θ, следовательно, {Nε (Sχδ ) > c0 δ} ⊃ B(θ0 , δ ε ), {Nε (Wσ (Sχδ )) > cδ 1−εσ } ⊃ B(θ0 , δ ε ) − B(θ0 , Aδ). Отсюда и из неравенства kχδ kLpµ (S n−1 ) ≤ cδ (n−1)/p вытекает следующее утверждение: если ν – внешняя мера на ∂B n = S n−1 , для которой выполнено неравенство p 1 ν ({Nε (Wσ u) > λ}) ≤ c |u(0)| + kN1 (∇ukLpµ (S n−1 ) λ для любого λ > 0 и любого решения u бигармонической задачи Дирихле P D(2, p) (с постоянной c, не зависящей от u и λ), то 1) если σ = 0, то ν ∈ Fβ при β = (n − (1 − σε)p − 1)/ε; 2) если σ > 0, то из ν ∈ Fεβ следует ν ∈ Fβ с тем же β. Таким образом, условие на внешнюю меру в теоремах этого параграфа нельзя ослабить и оно является необходимым даже для неравенств слабого типа c Nε u и Nε (Wσ u) по крайней мере для m = 2 в теореме 4 и для m = 1 в теореме 5. Покажем, далее, что при σ = 0 области Γε в утверждениях теорем 4 и 5, относящихcя к сходимости почти всюду, не допускают расширения. Пусть функция Φ : (0, 1] → R+ такова, что lim Φ(t) = +∞. (3.7) ΓΦ,ε (θ) = {rη : |θ − η| < Φ(1 − r)(1 − r)ε , 0 ≤ r < 1, η ∈ S n−1 } (3.8) t→+0 Рассмотрим области 15 и соответствующие максимальные операторы NΦ,ε u(θ) = sup{|u(rη)| : η ∈ ΓΦ,ε (θ)} Пусть k = 2, ..., n − 1, Skn−1 = {θ ∈ S n−1 : θk−1 = ... = θn = 0}, νk – мера Лебега на S k−1 , "пересаженная"на S n−1 при отождествлении S k−1 и Skn−1 . Тогда νk удовлетворяет Fβ -условию с β = k − 1 и если θ ∈ Skn−1 , то ν(B(θ, t)) ≥ ctk−1 . Из неравенств(3.6) следует, что NΦ,ε (Sχδ )(θ) ≥ cδ при θ ∈ B(θ0 , Φ(δ)δ ε ), поэтому ε k−1 νk ({NΦ,ε (Sχδ ) > cδ}) ≥ c (Φ(δ)δ ) = cΦ k−1 kχδ kLpµ (S n−1 ) (δ) δ !p Так как множитель Φk−1 (δ) может быть сделан сколь угодно большим, то найдутся последовательности неотрицательных функций fj и чисел λj ↑ ∞ со свойствами ∞ X νk ({NΦ,ε (Sfj ) > λj }) = ∞, j=1 ∞ X j=1 kfj kpLpµ (S n−1 ) < ∞. Поэтому существует последовательность Tj вращений Rn , переводящих Skn−1 в себя, и таких, что νk lim {NΦ,ε (S(fj ◦ Tj )) > λj } = νk (Skn−1 ). j→∞ Положим теперь f = ∞ X 1/p (fj ◦ Tj )p j=1 и рассмотрим гармоническую функцию u(x) = Sf (x). Так как f ∈ Lpµ (S n−1 ), то u является решением некоторой гармонической регулярной задачи RD(1, p) в B n , а также решением некоторой бигармонической задачи Дирихле P D(2, p) в B n . С другой стороны при всех j и θ ∈ S n−1 NΦ,ε (u)(θ) ≥ NΦ,ε (S(fj ◦ Tj ))(θ) и для νk -почти всех θ ∈ S n−1 неравенство NΦ,ε (u)(θ) > λj выполнено для бесконечно многих j. Следовательно, νk -почти всюду на S n−1 NΦ,ε (u)(θ) = +∞. Таким образом, мы показали, что утверждения теорем 4 и 5 теряют силу, если при σ = 0 области Γε в формулировках заменить любыми областями вида (3.8), где Φ удовлетворяют условию (3.7). 16 4. Приложения к пространствам Харди H p (B n ). В этом параграфе результаты п. 2 применяются в случае X = ∂B n – граница единичного шара в Cn , n ≥ 1. Мы используем здесь неизотропную квазиметрику d(ζ, η) = |1 − hζ, ηi| , где hζ, ηi = n X ζk η k k=1 – комплексное скалярное произведение, ζ = (ζ1 , ..., ζn ), η = (η1 , ..., ηn ). Пусть еще µ – нормированная поверхностная мера на ∂B n . Отметим (см. [12]), что µ(B(ζ, t)) tn , ζ ∈ ∂B n , 0 < t ≤ 2, (4.1) с постоянными эквивалентности, не зависящими от ζи t. Здесь B(ζ, t) – шары, порожденные неизотропной квазиметрикой. При выбранных X, d и µ мы будем использовать основные обозначения п. 2, отождествляя при этом ∂B n × [0, 1) и B n с помощью отображения (ζ, r) → rζ, где (ζ ∈ ∂B n , r ∈ [0, 1)). Пусть H(B n ) – класс голоморфных функций в B n и 0 < p < ∞. Пространствo Харди H p (B n ) определяtтся (см., например, [12]) как множество функций f ∈ H(B n ), для которых kf kH p = sup kfr kLpµ (∂B n ) < ∞, 0<r<1 где fr (z) = f (rz). Хорошо известно [12], что каждая функция f ∈ H p (B n ) µ-почти всюду на ∂B n имеет Γ1 -предел (определение Γ1 см. в (2.1)). Количественным выражением этого факта является максимальное неравенство [12] kN1 f kLpµ (∂B n ) ≤ ckf kH p , (4.2) где c не зависит от f . Функция f ∈ H(B n ) разлагается в ряд по однородным полиномам f (z) = ∞ X fm (z), fm (λz) = λm fm (z) m=0 (сходимость равномерная на компактах в B n [12]). В терминах этих разложений определим операторы дробного интегрирования порядка α > 0 Iα f (z) = ∞ X m=0 (m + 1) −α 1 Z1 1 fm (z) = ln Γ(α) 0 s α−1 f (sz) ds. Теорема 6. Пусть ν – внешняя мера на ∂B n , p > 0, 0 < α < n/p, 0 < ε < 1. Тогда следующие условия эквивалентны 1) kNε (Iα f ) kLpν (∂B n ) ≤ ckf kH p при всех f ∈ H p (B n ) (c не зависит от f ); 2) ν{ζ ∈ ∂B n : Nε (Iα f )(ζ) > λ} ≤ c (kf kH p /λ)p при всех f ∈ H p (B n ) и λ > 0 (c не зависит от f и λ); 17 3) ν ∈ Fβ , где β = (n − αp)/ε. Если выполнено 3), то Iα f ν-почти всюду имеет Γε -предел для любой функции f ∈ H p (B n ). Доказательство. Утверждение 3) → 1) сразу следует из теоремы 1, неравенства (4.2) и соотношения (4.1). Утверждение 1) → 2) очевидно. Утверждение 2) → 3) получается с помощью тестовой функции gt (z) = (1 − ρhζ, zi)−A , где ρ = 1 − t, ζ- фиксированная точка, A > n/p. В самом деле, kgt kH p tn/p−A [12]. Кроме того, Iα gt (ρz) ≥ ctα−A , поэтому Nε (Iα gt (η)) ≥ ctα−A η ∈ B(ζ, tε ) и !p kgt kH p ν{Nε (Iα gt ) > ct }≥c tαp−n ν (B(ζ, tε )) . tα−A Таким образом, из 2) вытекает, что ν (B(ζ, tε )) ≤ ctn−αp . Утверждение о сходимости ν-почти всюду получается из 2) стандартно. Теорема 6 сохраняет силу и для других естественных операторов дробного интегрирования, например, для дробных интегралов Коши-Сеге α−A Cα f (z) = Z ∂B n Z 1 f ∗ (η) 1 (1 − s)α−1 sn−α−1 f (sz) ds, n−α dµ(η) = B(α, n − α) 0 (1 − hz, ηi) где 0 < α < n, f ∗ – граничная функция (или граничное распределение) для f (z) (см.[4], [15], [6]), для дробных интегралов Римана-Лиувилля [4] Rα f (z) = ∞ X Γ(m + 1) 1 Z1 fm (z) = (1 − s)α−1 f (sz) ds. Γ(m + α + 1) Γ(α) 0 m=0 Часть 3) → 1) теоремы 6 при ν = µ была доказана в [4], а при p > 1 с Cα вместо Iα – в [6](в [6] ν – мера). Будем использовать ниже естественные комплексные аналоги обзначений из (3.1)-(3.3) (получаемые заменой в них (x1 , ..., xn ) ∈ Rn на (z1 , ..., zn ) ∈ Cn ). При p > 0, α > 0 введем классы Харди-Соболева Hαp (B n ) = Iα (H p (B n )) . Тогда если f ∈ Hαp (B n ), то Dk f ∈ H p (B n ) при |k| ≤ [α]. Теорема 7. Пусть p > 0, 0 ≤ σ < α < n/p, (n − αp)/(n − σp) ≤ ε < 1 и ν – внешняя мера на ∂B n , удовлетворяющая Fβ -условию с β = (n − (α − σε)p)/ε. Тогда для любой функции f ∈ Hαp (B n ) kNε (Wσ f )kLpν (∂B n ) ≤ ckf kHαp (B n ) 18 (c не зависит от f ) и для ν-почти всех ζ ∈ ∂B n Γε − lim z→ζ T[σ] (z, ζ; f ) = 0. |z − ζ|σ Доказательство не отличается от доказательства теорем 2 (при σ = 0) и 3 (при σ > 0). 19 Список литературы [1] Nagel A., Rudin W., Shapiro J. Tangential boundary behavior of function in Dirichlet-type spaces // Ann. Math. 1982. V.116. N2. P.331–360. [2] Nagel A, Stein E.M. On certain maximal functions and approach regions // Adv in Math. 1984. V.54. N 1. P. 83–106. [3] Ahern P., Nagel A. Strong Lp -estimates for maximal functions with respect to singular measure with applications to exceptional sets // Duke Math. J. 1986. V.53. N2. P.359–393. [4] Кротов В.Г. Оценки для максимальных операторов, связанных с граничным поведением, и их приложения // Труды МИАН им.В.А.Стеклова. 1989. Т.190. С.117–138. [5] Кротов В.Г. О граничном поведении функций из пространств типа Харди // Известия АН СССР, сер.матем. 1990. Т.54. N 1. C. 957–974. [6] Sueiro J. Tangential boundary limits and exceptional sets for harmonic function in Dirichlet-type spaces // J. Math. Ann. 1990. V. 286, N 4. P. 661–678. [7] Cifuentes P., Dorronsoro J., Sueiro J. Boundary tangential convergence in spaces of homogeneous type // Trans. Amer. Math. Soc. 1992. V. 332, N 1. P. 331–350. [8] Cascante C, Ortega J.M. Tangential-exceptional sets for Hardy-Sobolev spaces // Illinois J. Math. 1995. V.39. N1. P.68–85. [9] Verhota G. The Dirichlet problem for the polyharmonic equation in Liphschiitz domains // Indiana Univ. Math. J. 1990. V. 39. N3. P.671–702. [10] Кротов В.Г. Весовые неравенства, связанные с граничным поведением функций из многомерных классов Харди-Соболева и решений эллиптических краевых задач // Краевые задачи, специальные функции и дробное исчисление. Труды межд. конф. посв. 90-летию со дня рoждения академика Ф.Д.Гахова (Беларусь, Минск, 16–20 февраля 1996 г.). Минск. 1996. С. 172–177. [11] Coifman R.R., Weiss G. Extensions of Hardy spaces and their use in analysis // Bull.Amer.Math.Soc. 1977, V. 83, N 4, P. 569–645. [12] Рудин У. Теория функций в единичном шаре в Cn . М.: Мир, 1984. [13] Кротов В.Г. О дифференциальных свойствах на границе функций, голоморфных в единичном шаре в Cn // Матем. заметки. 1989. Т. 45. N 2, С. 51–59. [14] Pipher J., Verhota G.C. Dilatation inveriant estimates and the boundary Gårding inequality for the higher order elliptic operators // Ann. Math. 1995. V. 142, N 1. P. 1–36. [15] Ahern P., Cohn W. Exceptional sets for Hardy-Sobolev function // Indiana Univ. Math. J. 1989. V.38. N2. P.417–452. 20