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获得许可 未经许可 需要身份验证 发布者德古意特出版社 2022年11月11日

凸平面域中Dirichlet能量最大化或Dirichlet-Laplacian第一特征值的多边形

  • 吉米·兰博利 , 阿里安·诺夫鲁齐 米歇尔·皮埃尔 电子邮件徽标
来自日志变分法的进展

摘要

我们证明了平面是多边形,在容许域上具有凸性约束。主要我们考虑的形状泛函的项要么是Dirichlet能量 E类 (f) ( Ω ) 域Ω或第一特征值中的拉普拉斯算子 λ 1 ( Ω ) Dirichlet-Laplacian的。通常,人们考虑最小化此类泛函(通常带有度量约束),例如著名的圣维南不等式和法伯-克拉恩不等式。通过添加对于凸性约束(可能还有其他自然约束),我们考虑的是将这些泛函最大化这一非常不寻常且困难的问题。本文遵循作者的一系列论文,其中的主要思想是最小化的形状泛函的某种凹性导致最佳形状局部饱和其凸性约束,这在几何上意味着多边形。在这些之前的论文中,形状泛函中的主导术语通常与周长相反,对于周长,上述凹度特性为通过计算它的二阶形状导数很容易得到。通过携带经典形状演算,可以观察到类似的凹度特性与…相反 E类 (f) ( Ω ) λ 1 ( Ω ) 当形状是光滑和凸起的时候。中的主要新颖之处本文是一个弱凸性性质的证明 E类 (f) ( Ω ) λ 1 ( Ω ) 在平面凸形状中,即相当不光滑的形状。这涉及到对的二阶形状导数 E类 (f) ( Ω ) λ 1 ( Ω ) 对他们来说很有趣。


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资金来源:Recherche国家机构

奖励标识/授予编号:ANR-18-CE40-0013沙波

奖励标识/授予编号:RGPIN编号:261879-2013

资金报表:这项工作得到了法国国家税务局(ANR)资助的项目ANR-18-CE40-0013 SHAPO的部分支持。吉米·兰博利感谢渥太华大学对他访问加拿大的支持。Arian Novruzi感谢加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)[RGPIN 261879-2013]的支持,以及雷恩高等师范学院和多芬巴黎大学为他访问法国而举办的活动。

A附录

以下命题给出了 E类 (f) ′′ ( Ω ) ( V(V) , V(V) ) 根据边界积分当Ω光滑或凸起时,以及扩展了的定义 | U型 | 2 作为的元素 ( W公司 1 , ( Ω ) ) 在Ω是凸的情况下。

提案A.1。

在定理的假设下2.4,除Ω外,公式(2.5)在以下情况下保持:

  1. Ω是一流的 C类 2 , σ ,对于任何 σ ( 0 , 1 ) ,其中术语 ¦Β Ω | U型 | 2 | V(V) | 2 被理解为 经典意义上的曲率,或

  2. Ω是凸的,在这种情况下 被理解为

    (A.1) ¦Β Ω | U型 | 2 | V(V) | 2 := - ¦Β Ω [ j个 U型 ] ( j个 U型 | V(V) | 2 ) = ε 0 ¦Β Ω ε ε | U型 | 2 | V(V) | 2 𝑑 ε .

同样,在定理的假设下2.7,上述声明适用于 λ 1 ′′ ( Ω ) ( V(V) , V(V) ) 由提供

λ 1 ′′ ( Ω ) ( V(V) , V(V) ) = ¦Β Ω | U型 1 | 2 + ¦Β Ω ( 1 2 λ 1 ( Ω ) ( ν | U型 1 | 2 ) ( V(V) ν ) 2 + ¦Β Ω 1 2 ( ν U型 1 ) 2 | V(V) | 2 + ( ν U型 1 ) 2 ( V(V) τ ) ( V(V) ν ) ) 𝑑 .

证明。

首先,我们证明了 E类 (f) ′′ ( Ω ) .在(i)和(ii)两种情况下,我们都遵循定理的证明2.4.

在情况(i)中,我们可以重复所有的定理演算2.4具有 Ω ε 替换为Ω(因此,当ε趋于零时,无需考虑不同项的极限)。

在案例(ii)中,我们需要确定 ε 0 K(K) ( ε ) .为此,我们对上的法向量和切向量使用以下扩展 Ω ε , ν ε = - U型 | U型 | , τ ε = ν ε = - U型 | U型 | .然后我们有

K(K) ( ε ) = ¦Β Ω ε ε | U型 | 2 | V(V) | 2
= - ¦Β Ω ε | U型 | 2 ( ν ε ε τ ) | V(V) | 2
= - ¦Β Ω ε | U型 | 2 ( ν ε [ U型 | U型 | ] U型 | U型 | ) | V(V) | 2
= - ¦Β Ω ε | U型 | 2 ( ν ε [ j个 U型 | U型 | - U型 j个 k个 U型 k个 U型 | U型 | ] j个 U型 | U型 | ) | V(V) | 2
= - ¦Β Ω ε ν ε ( [ j个 U型 ] j个 U型 | V(V) | 2 ) + ¦Β Ω ε ( ν U型 ) [ j个 k个 U型 k个 U型 j个 U型 | U型 | 2 ] | V(V) | 2
= - ¦Β Ω ε ( [ j个 U型 ] j个 U型 | V(V) | 2 )
(A.2) = - ¦Β Ω ε [ j个 U型 ] ( j个 U型 | V(V) | 2 ) ε 0 - ¦Β Ω [ j个 Ş U型 ] ( j个 U型 | V(V) | 2 ) = : ¦Β Ω | U型 | 2 | V(V) | 2 .

结果的证明 λ 1 ′′ ( Ω ) 类似于 E类 (f) ′′ ( Ω ) 我们不在这里介绍它。

备注A.2。

如果Ω为凸形, | U型 | 2 定义不明确,例如, 是无限的,并且 | U型 | 在拐角处为零。然而,随着计算的进行(A.2款)持有具有 | V(V) | 2 = w个 ¯ ,每 w个 W公司 1 , ( Ω ) w个 ¯ 扩展w个由引理给出1.12,这意味着(A.1款)与保持 | V(V) | 2 = w个 ¯ .这定义了 | U型 | 2 作为的元素 ( W公司 1 , ( Ω ) ) ,的对偶空间 W公司 1 , ( Ω ) .

我们得出了定理的一个有趣结论2.4.我们预先期望关于V(V)对于可微性范数 W公司 1 , 但实际上可以获得以下改进的连续性属性。

推论A.3。

对于 v(v) = ( v(v) 1 , v(v) 2 ) W公司 1 , ( Ω ; R(右) 2 ) V(V) = ( v(v) ¯ 1 , v(v) ¯ 2 ) 是的延伸v(v)由引理给出1.12.然后,在与定理相同的假设下2.4我们有:

  1. 地图 v(v) W公司 1 , ( Ω ; 2 ) E类 (f) ( Ω ) ( V(V) ) 在中连续延伸 L(左) 1 ( Ω ; 2 ) 扩展由下式给出( 2.7 ).

  2. 同样,地图 v(v) W公司 1 , ( Ω ; 2 ) E类 (f) ′′ ( Ω ) ( V(V) , V(V) ) 在中连续延伸 H(H) 1 ( Ω ; 2 ) 你好 L(左) ( Ω ; 2 ) 扩展由下式给出( 2.5 ).

证明。

首先,我们注意到扩展H(H)引理的1.12在中连续延伸 L(左) 1 ( Ω ) H(H) 1 ( Ω ) .那么对于(i),我们注意到(2.7)在以下方面是连续的 V(V) L(左) 1 ( Ω ; 2 ) ,因此该声明源自连续性H(H)在里面 L(左) 1 对于索赔(ii),首先我们注意到(2.5)除 ¦Β Ω ( ν U型 ) 2 | V(V) | 2 在中是连续的 H(H) 1 ( Ω ) 关于V(V),因此它们在以下方面是连续的v(v)在里面 H(H) 1 ( Ω ; 2 ) 由于H(H)在里面 H(H) 1 .对于期限 ¦Β Ω ( ν U型 ) 2 | V(V) | 2 ,来自(A.1款)与 w个 ¯ = | V(V) | 2 我们看到这个术语在以下方面是连续的V(V)在里面 H(H) 1 ( Ω ; 2 ) 你好 L(左) ( Ω ; 2 ) 我们得出结论再次使用连续性H(H)在里面 H(H) 1 你好 L(左) .

引理A.4。

半范数的等价性(4.10)持有。

证明。

这是经典的,参见示例[7],用于 小时 H(H) 1 / 2 ( Ω ) ,其半范数由下式给出

(A.3) | 小时 | H(H) 1 / 2 ( B类 ) 2 = ¦Β B类 𝑑 ¦Β B类 | 小时 ( x个 ) - 小时 ( ) | 2 | x个 - | 2 𝑑 x个 .

对于 θ , η ( - π , π ) , x个 = ( 科斯 θ , θ ) , = ( 科斯 η , η ) 我们设置(略带滥用符号) 小时 ( θ ) = 小时 ( x个 ) , 小时 ( η ) = 小时 ( ) .然后(答3)等于

| 小时 | H(H) 1 / 2 ( B类 ) 2 = ¦Β - π π 𝑑 η ¦Β - π π | 小时 ( θ ) - 小时 ( η ) ) | 2 4 2 ( θ - η 2 ) 𝑑 θ = 1 + 2 + ,

哪里

= A类 | 小时 ( θ ) - 小时 ( η ) | 2 4 2 ( θ - η 2 ) 𝑑 θ 𝑑 η , = 1 , 2 , ,

A类 1 = { ( θ , η ) ( - π , π ) 2 : - π < θ - η < π } ,
A类 2 = { ( θ , η ) ( - π , π ) 2 : π < θ - η < 2 π } = { ( θ , η ) ( 0 , π ) × ( - π , 0 ) : π < θ - η < 2 π } ,
A类 = { ( θ , η ) ( - π , π ) 2 : - 2 π < θ - η < - π } = { ( θ , η ) ( - π , 0 ) × ( 0 , π ) : - 2 π < θ - η < - π } .

θ ^ = θ - 2 π , η ^ = η , A类 ^ 2 = A类 2 - ( 2 π , 0 ) .然后

2 = A类 2 | 小时 ( θ ) - 小时 ( η ) ) | 2 4 2 ( θ - η 2 ) 𝑑 θ 𝑑 η = A类 2 | 小时 ( θ ^ + 2 π ) - 小时 ( η ^ ) | 2 4 2 ( θ ^ - η ^ 2 + π ) 𝑑 θ 𝑑 η = A类 ^ 2 | 小时 ( θ ^ ) - 小时 ( η ^ ) | 2 4 2 ( θ ^ - η ^ 2 ) 𝑑 θ ^ 𝑑 η ^ .

可以检查一下

A类 ^ 2 = { ( θ ^ , η ^ ) ( - 2 π , - π ) × ( - π , 0 ) : - π < θ ^ - η ^ < 0 } .

类似地,让 θ ^ = θ + 2 π , η ^ = η , A类 ^ = A类 + ( 2 π , 0 ) .然后

2 = A类 | 小时 ( θ ) - 小时 ( η ) ) | 2 4 2 ( θ - η 2 ) 𝑑 θ 𝑑 η = A类 | 小时 ( θ ^ - 2 π ) - 小时 ( η ^ ) | 2 4 2 ( θ ^ - η ^ 2 - π ) 𝑑 θ 𝑑 η = A类 ^ | 小时 ( θ ^ ) - 小时 ( η ^ ) | 2 4 2 ( θ ^ - η ^ 2 ) 𝑑 θ ^ 𝑑 η ^ .

类似于 A类 ^ 2 ,可以检查一下

A类 ^ = { ( θ ^ , η ^ ) ( π , 2 π ) × ( 0 , π ) : 0 < θ ^ - η ^ < π } .

因此,我们得到

| 小时 | H(H) 1 / 2 ( B类 ) 2 = 1 + 2 + = A类 ^ 1 A类 2 A类 ^ | 小时 ( θ ^ ) - 小时 ( η ^ ) | 2 4 2 ( θ ^ - η ^ 2 ) 𝑑 θ ^ 𝑑 η ^ = ¦Β - π π 𝑑 η ¦Β { | θ - η | < π } | 小时 ( θ ) - 小时 ( η ) | 2 4 2 ( θ - η 2 ) 𝑑 θ ,

因为 A类 1 A类 ^ 2 A类 ^ 是平行四边形 { ( θ , η ) : η ( - π , π ) , | θ - η | < π } .请注意,我们有

1 π | θ - η | | θ - η 2 | | θ - η | 2 为所有人 ( θ , η ) A类 1 A类 ^ 2 A类 ^ ,

再加上最后一个等式证明了这一说法。

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收到时间:2022-03-05年
修订过的:2022-09-02
认可的:2022-09-05
在线发布:2022-11-11
印刷出版:2024-04-01

©2022 Walter de Gruyter GmbH,柏林/波士顿

于2024年5月23日从下载https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/acv-2022-0019/html
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