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现代 PDE II · Sobolev 空间

控制一个函数的导数,需要付出多少积分预算?这份预算能约束函数的总量、最高峰,还是边界值?Sobolev 空间把这些问题放在同一个框架中,但每一种结论都有自己的条件。前置:分布与弱导数、Hölder 不等式和 \(L^p\) 完备性;后续:二阶椭圆方程。

学习层:同一份导数预算,四种不同的检验

先回答四个预测,再打开图与账本。可以先完成帽函数一组,读到临界情况后再切换 Moser 集中;区间上的两个模型用于核对边界条件。

模型 改变什么 要分清的两件事
固定梯度的帽函数 支撑半径与目标幂次 积分范数受控,是否就意味着峰值受控
临界 Moser 族 对数集中参数 每个函数有界,是否意味着整族有统一上界
正弦加常数 区间长度、偏置与振幅 零边界值与减去均值是否相同
窄边界层 层宽与区间长度 内部积分很小,是否意味着边界值很小

无脚本参考账本

帽函数取 n=3、p=2、q=p*=6、ε=0.1;Moser 例取 n=2、L=10;正弦例取区间长度1、振幅1、偏置0;边界层宽0.1、区间长度1。下表均来自正文解析公式。

量 解析公式的数值
帽:梯度L2 1
帽:峰值 1.54509681
帽:临界L6 0.296431203
帽:支撑体积 0.0041887902
Moser:梯度L2 1
Moser:峰值 1.26156626
Moser:L2 0.15811388
Moser:指数临界系数4π 12.5663706
正弦:L2 0.707106781
正弦:梯度L2 2.22144147
正弦:最优常数1/π 0.318309886
边界层:L2 0.182574186
边界层:梯度L2 3.16227766
边界层:左端迹 1

帽的临界范数不随半径改变。Moser 族的峰值随 L 增大而没有统一上界。正弦达到区间零迹最优常数;边界层则展示单独 L² 控制的不足。

固定梯度帽函数的三条缩放曲线、Moser族的峰值和范数、区间正弦的Poincare预算,以及窄边界层的范数和迹
每幅图的参数与坐标独立标明。对数坐标帮助看清集中;曲线中的有限范围不能替代正文的极限论证。

1 · 为什么把弱导数放进范数

在开集 \(\Omega\subset\mathbb R^n\) 上,对整数 \(k\ge0\)、\(1\le p\le\infty\),定义

\[ W^{k,p}(\Omega)= \{u\in L^p(\Omega):D^\alpha u\in L^p(\Omega),\ |\alpha|\le k\}. \]

这里的导数是分布意义下、由 \(L^p\) 函数表示的弱导数。它们几乎处处唯一;函数也按几乎处处相等分类。对有限 \(p\),采用

\[ \|u\|_{W^{k,p}}= \left(\sum_{|\alpha|\le k}\|D^\alpha u\|_p^p\right)^{1/p}. \]

对 \(p=\infty\) 可取各阶导数本质上确界的最大值。讨论一阶几何估计时,下文的 \(|\nabla u|\) 使用欧氏长度;这给出的范数与上述逐分量定义等价,但讨论最优常数时必须固定约定。

完备性是弱导数定义的直接回报。 若 \((u_j)\) 在上述范数中 Cauchy,\(L^p\) 的完备性给出 \(D^\alpha u_j\to v_\alpha\) 于 \(L^p\),其中 \(v_0=u\)。对每个 \(\varphi\in C_c^\infty(\Omega)\),

\[ \int_\Omega u_jD^\alpha\varphi =(-1)^{|\alpha|}\int_\Omega D^\alpha u_j\,\varphi. \]

Hölder 不等式控制两端的极限误差;\(p=\infty\) 时配对的测试函数属于 \(L^1\)。因此同一等式对 \(u,v_\alpha\) 成立,\(D^\alpha u=v_\alpha\),且 \(u_j\to u\) 于 Sobolev 范数。这证明 \(W^{k,p}\) 是 Banach 空间。\(H^k=W^{k,2}\) 的内积为各阶弱导数 \(L^2\) 内积之和,所以它是 Hilbert 空间。

对 \(1\le p<\infty\),Meyers–Serrin 定理允许用 \(C^\infty(\Omega)\cap W^{k,p}(\Omega)\) 强逼近任意 Sobolev 函数。证明需要在内部局部磨光,再用局部有限的单位分解拼接,并把各片误差安排成可求和数列。它没有要求逼近函数在边界附近为零。另一个空间

\[ W_0^{k,p}(\Omega) =\overline{C_c^\infty(\Omega)}^{\,W^{k,p}} \]

额外包含边界限制。不要把这两个稠密性陈述混为一谈,也不要把有限 \(p\) 的强磨光结论直接移到 \(p=\infty\):例如 \(|x|\) 的弱导数是阶跃式的符号函数,连续导数不可能在本质上确界范数下把这个跳跃逼近到任意小。

2 · 先算缩放,再问不等式能否成立

固定一个非零的 \(\phi\in C_c^\infty(\mathbb R^n)\),令

\[ u_\varepsilon(x)=\varepsilon^{-a}\phi(x/\varepsilon). \]

导数产生 \(1/\varepsilon\),积分换元 \(x=\varepsilon y\) 产生 \(\varepsilon^n\)。所以

\[ \|u_\varepsilon\|_q =\varepsilon^{n/q-a}\|\phi\|_q,\qquad \|\nabla u_\varepsilon\|_p =\varepsilon^{n/p-a-1}\|\nabla\phi\|_p. \]

固定梯度预算必须取 \(a=n/p-1\)。 此时目标范数的指数变成

\[ s(q)=1-\frac np+\frac nq. \]

当 \(1\le p<n\),恰有一个有限指数使它等于零:

\[ p^*=\frac{np}{n-p},\qquad \frac1{p^*}=\frac1p-\frac1n. \]

这只是必要的尺度条件。它说明一个全空间、只含梯度、常数与尺度无关的不等式应该使用哪个指数;它还没有证明那个不等式。

实验用可逐项积分的帽函数,把系数也保留下来。记 \(\omega_n=|B_1|=\pi^{n/2}/\Gamma(1+n/2)\),并取

\[ u_\varepsilon(x)=A_\varepsilon(1-|x|/\varepsilon)_+,\qquad A_\varepsilon=\omega_n^{-1/p}\varepsilon^{1-n/p}. \]

它是全空间的紧支集 Lipschitz 函数。球内除原点外,梯度的长度是 \(A_\varepsilon/\varepsilon\);球面上函数连续,所以弱一阶导数没有额外的面质量。于是

\[ \|\nabla u_\varepsilon\|_p^p =(A_\varepsilon/\varepsilon)^p\omega_n\varepsilon^n=1, \qquad \|u_\varepsilon\|_\infty=A_\varepsilon. \]

径向积分给出

\[ \begin{aligned} \|u_\varepsilon\|_q^q &=n\omega_n A_\varepsilon^q \int_0^\varepsilon (1-r/\varepsilon)^q r^{n-1}\,dr\\ &=n\omega_n A_\varepsilon^q\varepsilon^n B(n,q+1),\\ \|u_\varepsilon\|_q &=\omega_n^{-1/p}[n\omega_n B(n,q+1)]^{1/q}\varepsilon^{s(q)}. \end{aligned} \]

整数维度下,可由 Beta 积分递推或反复分部积分得到

\[ B(n,q+1)=\frac{(n-1)!}{(q+1)(q+2)\cdots(q+n)}. \]

因此无需相减两个很大的 Gamma 对数。默认三维例的 \(B(3,7)=1/252\)。当半径趋零时,\(q<p^*\) 的范数趋零,\(q=p^*\) 的范数保持为正,\(q>p^*\) 的范数发散;与此同时峰值一直增大。

实验的帽形图使用 \(x/\varepsilon\) 与 \(u/A_\varepsilon\),以免在固定像素网格上漏掉极窄支撑。实际半径、体积、峰值另列。符号选项“q=p*”保留严格临界关系;手动 q 按输入的机器数值判定,不用任意容差把微小指数抹成零。近临界两条曲线在有限图上几乎重合,仍可能有不同的极限。

3 · 补上真正的 Sobolev 不等式证明

Gagliardo–Nirenberg–Sobolev 不等式:对 \(n\ge2\)、\(1\le p<n\) 和 \(u\in C_c^\infty(\mathbb R^n)\),

\[ \|u\|_{p^*}\le C(n,p)\|\nabla u\|_p. \]

下面证明常数存在,不计算最优常数。首先对 \(p=1\),沿第 \(i\) 个方向积分:

\[ |u(x)|\le F_i(\widehat x_i),\qquad F_i(\widehat x_i)=\int_{\mathbb R}|\partial_i u(x_1,\ldots,t,\ldots,x_n)|\,dt. \]

符号 \(\widehat x_i\) 表示去掉第 \(i\) 个坐标。把 \(n\) 个估计相乘并开 \(1/(n-1)\) 次方后,需要下面的乘积积分引理:

\[ \int_{\mathbb R^n}\prod_{i=1}^n F_i(\widehat x_i)^{1/(n-1)}\,dx \le\prod_{i=1}^n \left(\int_{\mathbb R^{n-1}}F_i\right)^{1/(n-1)}. \]

引理的归纳步骤。 \(n=2\) 时左右两边相等,是 Fubini。对 \(n>2\),先对 \(x_n\) 用 \(n-1\) 个同指数的 Hölder,令 \(G_i=\int F_i\,dx_n\)(\(i<n\)),得到被积式 \(F_n^{1/(n-1)}\prod_{i<n}G_i^{1/(n-1)}\)。再对其余 \(n-1\) 个变量使用 Hölder,指数为 \(n-1\) 与 \((n-1)/(n-2)\):

\[ \int F_n^{1/(n-1)}\prod_{i<n}G_i^{1/(n-1)} \le \left(\int F_n\right)^{1/(n-1)} \left(\int\prod_{i<n}G_i^{1/(n-2)}\right)^{(n-2)/(n-1)}. \]

对最后的积分用 \(n-1\) 维归纳假设,再用 Fubini 得 \(\int G_i=\int F_i\),即完成证明。非负函数可先截断再用单调收敛处理无限积分。

把引理代回,开 \((n-1)/n\) 次方,得到

\[ \|u\|_{n/(n-1)} \le\prod_i\|\partial_i u\|_1^{1/n} \le\frac1n\sum_i\|\partial_i u\|_1 \le\|\nabla u\|_1. \]

最后一步使用逐点 \(|\partial_i u|\le|\nabla u|\)。这些估计同样适用于紧支集 \(C^1\) 函数。

现在取 \(1<p<n\),令

\[ \gamma=\frac{p(n-1)}{n-p}>1,\qquad p'=\frac p{p-1}. \]

将刚才的 \(p=1\) 结果用于 \(|u|^\gamma\)。它是 \(C^1\) 紧支集函数,链式法则仍成立;无需假称非整数幂在零点也光滑到任意阶。Hölder 给出

\[ \|u\|_{\gamma n/(n-1)}^\gamma \le\gamma\int |u|^{\gamma-1}|\nabla u| \le\gamma\|u\|_{(\gamma-1)p'}^{\gamma-1}\|\nabla u\|_p. \]

两处指数恰好相同:

\[ \frac{\gamma n}{n-1}=(\gamma-1)p'=p^*. \]

若 \(u\ne0\),约去正的 \(\|u\|_{p^*}^{\gamma-1}\);\(u=0\) 时显然成立。于是得到所需不等式。通过紧支集光滑逼近可延拓到 \(W^{1,p}(\mathbb R^n)\);相应齐次空间也可用这个估计构造。一般有界域中允许非零常数,因而未经边界归一化不能把右侧只写成梯度。

上述乘积积分方法、嵌入与迹的标准版本可对照 Hunter《PDE》§3.5–3.12。这里把缩放的必要性和分析估计的充分性分开完成。

4 · 临界维度:帽函数没发散,不代表所有函数都受控

在 \(p=n\ge2\) 时,固定梯度的普通帽函数高度不随半径变化。它因此无法检验是否存在统一 \(L^\infty\) 上界。换成把变化分布到许多对数壳层的函数。

记 \(S_{n-1}=n\omega_n\) 为单位球面面积,在单位球上定义 \(L>0\):

\[ u_L(r)=S_{n-1}^{-1/n} \begin{cases} L^{1-1/n},&0\le r\le e^{-L},\\ \dfrac{\log(1/r)}{L^{1/n}},&e^{-L}<r<1. \end{cases} \]

边界值为零,球外延拓为零。对每个固定 \(L\),这是 Lipschitz 函数,属于 \(W_0^{1,n}(B_1)\)。函数在平台边缘连续;弱一阶导数由分段普通导数给出。直接积分:

\[ \|\nabla u_L\|_n^n =\frac1L\int_{e^{-L}}^1\frac{dr}{r}=1,\qquad \|u_L\|_\infty=S_{n-1}^{-1/n}L^{1-1/n}\longrightarrow\infty. \]

令 \(t=\log(1/r)\),函数自身的积分为

\[ \|u_L\|_n^n =\frac1L\left[ \int_0^L t^ne^{-nt}\,dt+ \frac{L^ne^{-nL}}n \right] =\frac{n!}{n^{n+1}L} \left[1-e^{-nL}\sum_{j=0}^{n-1}\frac{(nL)^j}{j!}\right]. \]

第二式来自一次分部积分消去平台项,再递推。特别地 \(\|u_L\|_n^n\le n!/(n^{n+1}L)\),所以整族 \(W^{1,n}\) 范数有界而峰值没有统一上界。这才否定一般的 \(W^{1,n}\to L^\infty\) 连续嵌入。

临界点仍有更细的控制。 对有界光滑域 \(\Omega\)、\(n\ge2\)、\(u\in W_0^{1,n}(\Omega)\),若 \(\|\nabla u\|_n\le1\),Moser–Trudinger 定理给出

\[ \int_\Omega \exp\!\left(\alpha |u|^{n/(n-1)}\right)dx \le C_n|\Omega|, \qquad 0\le\alpha\le\alpha_n=nS_{n-1}^{1/(n-1)}. \]

这是另一个定理,本页引用其上界而不以一条实验曲线充当证明。其规范化和最优系数见 Chang–Yang 的综述 §1。二维时 \(\alpha_2=4\pi\)。

本页可以独立核对系数为什么不能更大:只积分 Moser 族的平台,就有

\[ \int_{B_1}e^{\alpha |u_L|^{n/(n-1)}}dx \ge\omega_n\exp\!\left[ \left(\alpha S_{n-1}^{-1/(n-1)}-n\right)L \right]. \]

当 \(\alpha>\alpha_n\),右侧发散。这证明更大系数不可能有统一上界;它不证明临界系数处对所有函数的上界。

一维必须单独说。 在有限区间 \((0,\ell)\) 上,\(W^{1,1}\) 函数有绝对连续代表,

\[ u(x)=u(y)+\int_y^x u'(t)\,dt,\qquad \|u\|_\infty\le\ell^{-1}\|u\|_1+\|u'\|_1. \]

最后的估计可先对 \(y\) 积分平均。因此一维临界 \(p=n=1\) 确实有连续代表和 \(L^\infty\) 控制;不要把高维集中反例套过来。

5 · 超临界连续性,与低于临界的紧性

对 \(n<p<\infty\),Morrey 估计的指数为 \(\alpha=1-n/p\)。它作用于合适的连续代表,而不是任意修改过零测集后的逐点值。理解指数的一种方法,是把光滑函数的点值与球平均相减,沿径向积分后得到

\[ |u(x)-u_{B_r(x)}| \le C_n\int_{B_r(x)} \frac{|\nabla u(z)|}{|x-z|^{n-1}}\,dz. \]

Hölder 中的核积分是

\[ \int_0^r \rho^{n-1-(n-1)p'}\,d\rho. \]

它在原点收敛恰需 \(p>n\),开 \(1/p'\) 次方后带来 \(r^{1-n/p}\)。取包含两点的可比大小球并比较平均值,就得到局部 Hölder 控制;用磨光极限选出连续代表。球平均比较的完整证明与域的延拓属于 Morrey 定理,不由这一个幂次检查单独完成。

下表统一取有界 Lipschitz 域,控制量是完整 \(W^{1,p}\) 范数,且 \(p<\infty\)。符号 \(C^{0,0}\) 在表中只表示连续函数的一致范数。

参数 连续嵌入 可抽出强收敛子列的范围
\(1\le p<n\) \(L^q\),\(1\le q\le p^*\) \(L^q\),\(1\le q<p^*\)
\(p=n\ge2\) 每个有限 \(L^q\),\(1\le q<\infty\) 每个有限 \(L^q\)
\(n<p<\infty\) \(C^{0,\alpha}\),\(\alpha=1-n/p\) \(C^{0,\beta}\),\(0\le\beta<\alpha\)
\(n=p=1\),有限区间 绝对连续代表,且有 \(L^\infty\) 控制 每个有限 \(L^q\);一般不紧嵌入一致范数

Rellich–Kondrachov 的结论是“每个有界序列存在子列”,不是原序列必然收敛。其一个证明路线是在有界延拓区域上使用平移估计 \(\|u(\cdot+h)-u\|_p\le |h|\|\nabla u\|_p\),用有限网格上的局部平均构造有限维近似,再通过插值提升到低于临界的 \(L^q\)。这是需要紧性判据的定理;这里给出路线而不省略为“闭球自动紧”。

为什么 \(q=p^*\) 要排除?把第2节的帽函数放在域内部,令 \(\varepsilon\to0\),它在原点外逐点趋零,\(W^{1,p}\) 有界,\(L^{p^*}\) 范数却保持正值。若有强收敛子列,其极限只能几乎处处为零,与范数不变矛盾。在全空间上,固定鼓包不停平移还会逃向无穷远,所以仅有低于临界指数也不足以保证全空间紧性。

一维 \(W^{1,1}\) 的一致紧性同样会失败:高度1、宽度趋零的三角帽,其导数 \(L^1\) 范数始终为2。它们不能一致收敛到零,尽管每个函数都连续。

6 · 零迹与减均值:导数看不到的那部分

常数 \(b\) 的梯度为零。要从梯度控制整个函数,就必须消除这份自由度。零迹与零均值是两种常见条件,但它们不是同一个条件。

实验在 \((0,\ell)\) 上使用

\[ u(x)=b+A\sin(\pi x/\ell),\qquad u_\Omega=b+\frac{2A}{\pi},\qquad u(0)=u(\ell)=b. \]

正交积分给出

\[ \begin{aligned} \|u\|_2^2 &=\ell\left(b^2+\frac{4Ab}{\pi}+\frac{A^2}{2}\right)\\ &=\ell\left[\left(b+\frac{2A}{\pi}\right)^2+ A^2\left(\frac12-\frac4{\pi^2}\right)\right],\\ \|u'\|_2^2&=\frac{A^2\pi^2}{2\ell},\\ \|u-u_\Omega\|_2^2&=\ell A^2\left(\frac12-\frac4{\pi^2}\right). \end{aligned} \]

第二种写法是两个非负项之和,计算时避免大项相减。设 \(C=\ell/\pi\),则

\[ \|u\|_2^2-C^2\|u'\|_2^2 =\ell\left(b^2+\frac{4Ab}{\pi}\right). \]

\(b=0\) 时差为零,正弦达到零迹 Poincaré 不等式的最优常数。\(b\ne0\) 时,某些参数仍可能碰巧使差非正;那不能取消定理的边界条件。取 \(A=0,b=1\) 就立即违反任何只含梯度的上界。此时范数比的分母为零,实验明确标成未定义,而不是显示一个伪造的有限数值。

区间最优常数的证明。 对 \(u\in H_0^1(0,\ell)\),展开正弦级数;Parseval 与弱导数的傅里叶恒等式给出

\[ \|u\|_2^2=\frac\ell2\sum_{k\ge1}|a_k|^2,\qquad \|u'\|_2^2=\frac\ell2\sum_{k\ge1} \left(\frac{k\pi}{\ell}\right)^2|a_k|^2. \]

逐项用 \(k^2\ge1\),得到 \(\|u\|_2\le(\ell/\pi)\|u'\|_2\)。取第一正弦模态就取等,因此常数最优。可以先对光滑零迹函数证明导数恒等式,再由 \(H_0^1\) 稠密性通过极限。

若约束改成 \(\int_0^\ell u=0\),用余弦展开,常数模态消失,同样得到最优常数 \(\ell/\pi\);这次取等函数是 \(\cos(\pi x/\ell)\)。实验中的“正弦减均值”满足均值条件,但通常不取等,也通常不满足零迹。

域的条件要精确。 零迹 Poincaré 在有界开集上可由零延拓到包含它的长方体证明,无需假设连通。对紧支集光滑函数从长方体一侧积分,再用 Hölder 与 Fubini:

\[ \|u\|_p\le d\,\|\partial_1u\|_p\le d\,\|\nabla u\|_p, \]

其中 \(d\) 是该方向的边长。这是有效但通常非最优的常数,有限 \(p\) 的零迹闭包使估计延续。零均值版本则需如有界连通 Lipschitz 域这样的条件;两个不连通分支上取不同常数、让总均值为零,仍可留下零梯度的非零函数。

“无界域一定失败”也不对。固定宽度 \(d\) 的无限条带,对零迹函数沿横向照样有 Poincaré 控制。相反,在 \(\mathbb R^n\) 上令 \(u_R(x)=\phi(x/R)\),则

\[ \frac{\|u_R\|_p}{\|\nabla u_R\|_p} =R\,\frac{\|\phi\|_p}{\|\nabla\phi\|_p}\longrightarrow\infty. \]

这证明全空间不可能有统一常数;关键是允许函数在所有方向拉伸而没有边界约束,不能仅凭“无界”二字断言。

7 · 迹从哪里来,为什么单独积分不够

对有限区间上的 Sobolev 绝对连续代表,先用微积分基本定理,再对另一端点位置平均,得到

\[ |u(0)|\le \ell^{-1}\int_0^\ell|u(y)|\,dy+ \int_0^\ell|u'(t)|\,dt \le \ell^{-1/p}\|u\|_p+\ell^{1-1/p}\|u'\|_p. \]

这解释了边界值为什么由 Sobolev 范数 连续控制。在有界 Lipschitz 域、\(k=1\)、\(1\le p<\infty\) 的标准迹定理中,存在有界线性算子

\[ T:W^{1,p}(\Omega)\longrightarrow L^p(\partial\Omega), \qquad W_0^{1,p}(\Omega)=\ker T. \]

它延拓光滑函数的边界限制,由边界图上的一维估计、局部拼接和连续延拓构造。边界的体积测度为零,不能把 \(L^p(\Omega)\) 等价类任意补上的边界值当成迹。上述目标 \(L^p(\partial\Omega)\) 是方便使用的版本,不声称算子的像恰好是全部边界 \(L^p\)。

实验给出一个直接反例。对 \(0<\varepsilon\le\ell\),

\[ v_\varepsilon(x)=(1-x/\varepsilon)_+,\qquad v_\varepsilon(0)=1,\quad v_\varepsilon(\ell)=0, \]
\[ \|v_\varepsilon\|_2^2=\frac{\varepsilon}{3}\to0,\qquad \|v_\varepsilon'\|_2^2=\frac1\varepsilon\to\infty. \]

它在 \(L^2\) 趋零,左端迹却不变;没有违反迹定理,因为它没有在 \(H^1\) 趋零,甚至 \(H^1\) 范数都不有界。

更高阶的零迹不能只看 \(u\)。例如区间上 \(u(x)=x(\ell-x)\) 的函数值在两端为零,但 \(u'(0)=\ell\)、\(u'(\ell)=-\ell\)。它属于 \(W^{2,p}\),却不属于有限 \(p\) 的 \(W_0^{2,p}\):若能由紧支集光滑函数在 \(W^{2,p}\) 中逼近,其一阶导数就在 \(W^{1,p}\) 中逼近,连续的端点迹会迫使两个导数迹也为零,矛盾。

8 · 四道迁移练习

练习1:换一个光滑鼓包,临界指数会改变吗?

取固定非零 \(\phi\in C_c^\infty(B_1)\)、\(n\ge2\)、\(1\le p<n\),令 \(u_\varepsilon=\varepsilon^{-a}\phi(x/\varepsilon)\)。确定固定梯度的 \(a\);在域内缩放时,哪些目标范数发散?这是否证明了一般嵌入?

展开完整答案:把导数和体积分别记账

梯度是 \(\varepsilon^{-a-1}(\nabla\phi)(x/\varepsilon)\)。其 \(p\) 次积分为 \(\varepsilon^{n-p(a+1)}\|\nabla\phi\|_p^p\),所以范数指数是 \(n/p-a-1\),取 \(a=n/p-1\)。目标 \(L^q\) 范数的指数为 \(n/q-a=1-n/p+n/q\)。于是低于、等于、高于 \(p^*\) 分别趋零、保持正值、发散。

常数系数取决于 \(\phi\),幂指数不变。若把支撑放在域内一点并仅作足够小的缩放,边界不截断鼓包;若在边界附近随意缩放,则要另查支撑与边界条件。这个族排除过强的统一估计,也显示临界紧性失败;它没有证明所有函数满足临界上界。充分性来自第3节的分析估计。

练习2:一个点奇性何时属于 Sobolev 空间?

在 \(B_1\subset\mathbb R^n\) 上取 \(u(x)=|x|^{-a}\),\(a>0\)、\(1\le p<n\)。不仅判断积分,还要证明候选导数确实是弱导数。检查 \(n=3,p=2,a=1/3\)。

展开完整答案:可积性与原点边界项

极坐标下,函数的 \(p\) 次积分在零点附近与 \(\int_0^1r^{n-1-ap}\,dr\) 相同类型,有限恰需 \(a<n/p\)。候选梯度为 \(-a|x|^{-a-2}x\),其 \(p\) 次积分要求 \(a<n/p-1\),后者更强,等号处有对数发散。

充分性还需检查原点没有额外分布项。在挖去 \(B_\eta\) 的区域分部积分,内球面项的绝对值至多为 \(C_\varphi\eta^{n-1-a}\)。上述范围保证 \(a<n/p-1\le n-1\),故它趋零;函数与候选导数的局部可积性允许恢复小球体积分。因此候选导数是弱导数。

反之,若 \(u\in W^{1,p}\),在避开原点的开集上弱导数必须等于普通导数,由几乎处处唯一性迫使上述积分有限。所以 \(u\in W^{1,p}(B_1)\) 恰当且仅当 \(a<n/p-1\)。三维 \(a=1/3<1/2\),故它属于 \(H^1\),但本质上无界。没有违反 \(H^1\hookrightarrow L^6\):\(6a=2<3\),它的六次积分仍有限。

练习3:临界集中究竟否定了什么?

说明 Moser 族为何同时具有有界 Sobolev 范数和无统一峰值上界;只用平台部分证明 \(\alpha>\alpha_n\) 时指数积分不能统一受控。为什么一维不能照搬?

展开完整答案:族的极限与定理的逻辑方向

梯度的 \(n\) 次积分是 \(L^{-1}\int_{e^{-L}}^1dr/r=1\)。第4节公式给出 \(\|u_L\|_n^n\le n!/(n^{n+1}L)\)。因此在 \(L\ge1\) 上 \(W^{1,n}\) 范数统一有界。峰值却是 \(S_{n-1}^{-1/n}L^{1-1/n}\),当 \(n\ge2\) 时发散。这否定统一 \(L^\infty\) 估计;每个固定 \(L\) 的函数仍然有界。

平台体积为 \(\omega_ne^{-nL}\),平台上 \(|u_L|^{n/(n-1)}=S_{n-1}^{-1/(n-1)}L\)。两者相乘给出第4节的指数下界。系数 \(\alpha>\alpha_n\) 时增长指数为正,故积分发散;在等号处这个下界只是常数,无法由此推得所有函数的统一上界。

若 \(n=1\),峰值的 \(L\) 指数变成0,这个集中机制失去发散能力;更根本地,有限区间上的绝对连续表示直接给出 \(\|u\|_\infty\le\ell^{-1}\|u\|_1+\|u'\|_1\)。一维需要保留这一独立结论。

练习4:把边界条件换掉,会发生什么?

取 \(u=b+A\sin(\pi x/\ell)\)。说明 \(b=0\)、\(b=-2A/\pi\)、\(A=0,b=1\) 各满足什么;再解释边界层为何不违反迹连续性。最后比较全空间与固定宽度无限条带。

展开完整答案:每个条件挡住哪种自由度

\(b=0\) 时是零迹正弦,非零 \(A\) 达到 \(\|u\|_2/\|u'\|_2=\ell/\pi\)。\(b=-2A/\pi\) 时均值为零,非零 \(A\) 的两个端点值都非零,因此不属于零迹情形,但满足减均值的 Poincaré 估计。\(A=0,b=1\) 时梯度为零而函数范数为 \(\sqrt\ell\),直接反驳对任意函数只用梯度控制的主张;不应对零梯度执行除法。

边界层满足 \(\|v_\varepsilon\|_2=\sqrt{\varepsilon/3}\),左端迹为1,但 \(\|v_\varepsilon'\|_2=\varepsilon^{-1/2}\)。迹定理的右侧含导数,它没有趋零,所以没有矛盾。

全空间的膨胀鼓包使函数范数与梯度范数之比随 \(R\) 增长,阻止统一 Poincaré 常数。固定宽度条带有横向零迹条件,沿横向从边界积分得到宽度所控制的估计;沿纵向再积分并不改变常数。因此不能把全空间反例推广为“所有无界域失败”。

9 · 实验如何复算,下一页会用到什么

每条参数曲线使用201个基础节点,并加入当前参数;折点单独保留。帽函数的 Beta 系数使用有限乘积。Moser 族的整体积分使用有限和,另按 \(t=\log(1/r)\) 分成200个壳层核对。对壳层 \([a,a+h]\),

\[ \int_a^{a+h}t^ne^{-nt}\,dt =e^{-na}\sum_{k=0}^n {n\choose k}a^{n-k}I_k(h), \]
\[ I_k(h)=\int_0^h v^ke^{-nv}\,dv =e^{-nh}h^{k+1}\sum_{j=0}^\infty \frac{k!(nh)^j}{(k+j+1)!}. \]

后一式可展开 \(e^{n(h-v)}\) 再逐项积分得到。它全为正项,避免两个接近的不完全 Gamma 值相减。实验限 \(2\le n\le6\)、\(1\le L\le40\),壳宽至多0.2;级数按相对项阈值终止并检查迭代上限。账本保留各壳层、二项式项、矩值、项数与总和差。这是可复算的数值诊断,不是浮点误差的严格上界。

帽函数实验另限 \(1\le p\le n-0.1\)、\(10^{-6}\le\varepsilon\le1\),手动 \(1\le q\le1000\)。这些是界面范围;数学结论的极限与适用域在正文单独给出。区间长度范围0.2–10,正弦振幅与偏置范围−2–2,边界层相对宽度0.01–1。

下一页的弱椭圆方程会把 \(\int\nabla u\cdot\nabla v\) 作为能量配对。选择 \(H_0^1\) 并使用 Poincaré,才能让这份导数能量控制完整范数;紧嵌入则帮助极小化序列保留一个极限。进一步可读 热核正则化与随机分布,看频率壳层怎样重新表达同一类正则性预算。