A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
G IULIO C ESARE B AROZZI
Su una generalizzazione degli spazi L
(q,γ)di Morrey
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 19, n
o4 (1965), p. 609-626
<
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DI MORREY
GIULIO CESARE BAROZZI
(*)
I. Sia Q un
aperto
limitato di1Rn;
si dice che una funzione u(x)
E Lq(S2),
~~1, appartiene
allospazio
diMorrey
-L(q, 1)(Q),
0C ~. C
n, se perogni
x E S~ sussiste una
maggiorazione
deltipo
M essendo una
quantità positiva indipendente da x,
essendo lasfera di centro x e
raggio
~Opositivo arbitrario. ? possibile
munire_L~q~ ~~ (S~}
di una struttura di
spazio
di Banach.Agli spazi L(11, A),
introdottiorigina-
riamente in connessione con
questioni
di calcolo delle variazioni e di rego- larizzazione delle soluzioni delleequazioni ellittiche,
è dedicata una estesaletteratnra ;
diparticolare
interesse per ilpresente
lavoro è una nota diS.
Campanato [4],
in cui vengono stabiliti teoremi deltipo
di Sobolev per funzioni aventi certe derivate inspazi
diMorrey opportuni.
Nei numeri 2 e 3 della
presente nota, dopo
aver richiamato la defini- zionedegli spazi
diMorrey
vengono introdottispazi
funzionalianaloghi
aqnesti,
neiduali, peròy
alle sfere ~S’(x, o)
vengono sostituitigli
intorni relativi ad una certa distanza in1Rn,
nelladuale
le diverse coordinatexi , i
=1, ... ,
n,compaiono
in modo differenziato.Una tale distanza «
aiiisotropa »
sipresenta
inmodo,
per cosdire, spontaneo, quando
si affronta lo studio delleequazioni quasi-ellittiche.
Ven-gono stabiliti teoremi di immersione tra
spazi
diversi deltipo
indicato(che
Pervenuto alla Redazione il 25 Giugno 1965.
(*) Lavoro eseguito nell’ambito dell’attività del Gruppo n° 2 del Coliti tato her la Matematica del C. N. H. per 1’danno 1964-65.
lo Aititali della Scuola Norin. Sup. - I’isa
risultano effettivamente diversi da
quelli
diMorrei)
ed anche teoremi di immersione traspazi anisotrop
espazi
diMorrey.
Nei numeri 4 e 5 si mostra lapossibilità
di adattare alcune tecniche diCampanato [4]
al casoallo
studio,
trovando cos teoremi deltipo
di Sobolevanaloghi
aquel ’k
stabiliti dal citato Autore.
j-.
Se fi
e A sono due numeri reali con q h 1 e L E[O, n], poniamo
u misurabile in
(M dipendente
daSe si assume come norma di u E L~~’~ ~~
(Q)
laquantità
À) viene munito di una struttura di
spazio
(1ÎBaiiaeli,
ove s identifichino,
come diconsueto,
funziouiuguali dappertutto. E
chiaro che per dimostrarel’appartenenza
di 1t allospazio
è sutnciente verincare lamaggiorazione
-
per
ogni
x E il edogni
eE ~ 0, p*j,
essendo(2*
un numeropositivo
ad arbi-trio :
sceglieremo
spessoe*
= 1.Ricordiamo che
(~1)
= 1"(Q)
e(il)
=(Q), le uguaglianze
intendendosi nella
categoria degli spazi
di Ilanacli. Ricordiamo ancora chen si riduce alla sola funzione nulla. Se in si
I>i iioiin«1 .
convenendo di di
t’OIlJIiE’t0)
e si iiitro(lucono
gli
intornisi
può
definire lospazio Lp(q,03BB) (Q)
allo stesso modo di(03A9) (che possiamo
indicare col simbolo
L(q’ ~(f~))
salvo la sostituzione di 8(x,
~~ . ==S2 , (x, (1).
Nelseguito
ci occuperemo dei valori di p > 2. Dalle inclusionitenendo
presente
nn rísultato di S.Campanato [5] (Appendice nO 1)
si hasubito
Se
(m1,....,)e un’ennupla assegnata
di numerimaggiori
U zeroponiamo
Supporremo mj>1.,
1né 2, ipotesi queste,
eome vedremo trabreve,,
11011 restrittive. Per
-F 00]
consideriamo la distanza in define tal,1all’egnaglianza
poniamo
La
quantità
~)
soddisfaagli
assiomi di una «E
facile inoltre verincare che lequasi-uorme
sono due a due
equivalenti :
’
per
opportune
costanticjER+R=j,1,2 indipendenti
da x. Osserviamoesplicitamente
se si eccettua il caso banale in cuigli
1nj sono tuttiuguali,
le dlistanze ora introdotte non sonoequivalenti
alla distanza sii 111’1. lim ))l g.li
intornig))
possono essere insiemi nonconvessi
(1) :
nelseguito
considereremopertanto
dipreferenza
valorip>m
Se q
è un numeromaggiore
ouguale
ad 1 e A E[0, n*], poniamo
È
immediato cheL~q’ ~~’ m~ ’ "’ ’ ~’’~~ (S~)
non muta se simoltiplicano gli
7n~per uno stesso numero
positivo :
adesempio
segli
sono naturali non èrestrittivo
supporli primi
tra di loro. Se si ponesi munisce
~’~’~r -~(~))
di una struttura dispazio
di Banach. Analo-gamente
aquanto
fatto inprecedenza
pergli spazi
diMorrey,
sipotrebbero
definire
gli spazi Lp()(f),
utilizzandogli
intorni i le in-clusioni
conducono
però all’eguaglianza
i m m ed iute che se allora
se dunque
Si ha ancora
La sola inclusione che non è immediata lizzando
(2.1) possiamo
riscriverlada cui subito la nostra
tesi,
ove sitenga presente che,
in virt i di unteorema di
J essen- Marcinkiewicz-Zygmund ([7],
teor.6),
risultaper
quasi ogni
x E S~. Lo stessoragionamento
prova anche che per A> n*, Å; mi ’ ..
~’’~~(S~)
si riduce alla sola funzione nulla.3.
Per o E ~ 0~
1]
si ha facilmente l’inclusionene segue, se 1
Si ha
analogamente
se
dunque
Si ha in definitiva
OSSERVAZIONF,. La
(3.1)
è in accordo con l’inclusione(v.
S.Campanato [2], nota (3)) ;
inoltre la(3.1)
contiene la(2.2)
e laprima
delle
(2.3).
Esaminiamo ora in
dettaglio
unsemplice esempio
per verificare che :a,) gli spazi L(q*I;ml,...",",I)(D)
sono effettivamente differentidagli
i 1,~~’, ~,~({~) ;
ib)
le limitazioni e III nella(3.1)
non possono esseremigliorate.
Scegliamo
3 3
Dico che, , scelto ad arbitrio un valore A
E 1 -, - [ ,
4 p risulta -,2,1(03A9) #
i== L1, (03A9).
Per def airegli spazi
cheintervengno
nella(3.2)
si lloSS()110 utilizzaregli
intorniConsideriamo funzioni del
tipo
LTn
semplice
calcolo mostra che u se e solo sementre
Se,
ora, sisceglie
tinasi ottone
Viceversa scegliendo
- 1 1 ·
Con lo stesso
ragionamento
si prova anche che , è diverso/ 3)
tanto da
L( 1, 3) 4 (D) quanto
daL(I") 3 (D) -
Terminiamo
questo
numero con un teorema di inclusione traspazi
Proviamo che
(cfr.
S.Campanato [21,
nota(3).
Infatti sela
disuguaglianza
di Hölder si trovaessendo Loo
il diametro di D.4. Come si è detto al n°
1,
inquesto
e nelseguente
numero verrannoestesi alcuni risultati di S.
Campanato [4].
Sia g (x) E
L(D); poniamo
Sussiste il
seguente
caso si ha
n = + a net
primo caso,
,u n* nel secondo.--I,--- I-
-
,
e) infine
limitata in Q e si haNell’enunciato del Lemma e cos nel
seguito
indicheremo con e unacostante
positiva,
non necessariamente la stessa inogni formula, indipen-
dente dalle funzioni che in essa
intervengono.
Osserviamo innanzitutto che la convergenza
dell’integrale
per k
o, ciò che è lostesso,
la convergenzadell’integrale
può
stabilirsi con un calcolodiretto, utilizzaudo,
peresempio,
il cambiamento m;di variabili
~~ = ~ x~ ~2’n
sgn~~==1~...~.
L’esistenzd perquasi ogni
dell’integrale
1segue allora
dall’applicazione
del teorema di Fubini-Tonelli. Per la dimo- strazione dia), supposto
oE p, 2 1 1
e scelto x~ EQ,
scriviamoPer r
poniamo
si ha rpx
(r)
=0,
per r E[0, e],
~z(r) 1/
per r E(si
intende che la lior i a di g èquella
diLtl, ~ ;
mi o..,(Q» -
.Con una
integ.razione
perparti,
tenendopresente
che a - >i*+
~,> 0,
si trova :
nn n
da cui
(si
ha misAnalogamente
si trovauv
da cui
a).
La
b)
segue dac~)
ove si osservi che seper
ogni e E] 0, Al (v. (3.3)).
Per dimostrare infine
e)
si introduce la funzionerisulta yn
( r) i-’ ,
essendo li Conun’integrazione
perparti
si trovacioè l’asserto.
Introduciamo ora un
ipotesi
« deltipo
di cono », relativamenteall’aperto
Q.Supponiamo
ordinatigli
in modo che risultiPoniamo
Se fosse m = mi = ... = 11lk
(k n),
definiremo in modoanalogo gli
in-siemi
Ej per j
=1,..., 1..
Diremo clieE1+ (rispettivamente
ha il verticenell’origine,
e chiameremo di esso l’insieme deipunti
per cui è(rispettivamente
i indicheremo tale base conE+1(E1)’
Supporremo
che 9 soddisfi allaseguente
condizione :Esistono due nunieri a,, a E
1R+ ,
tali che perogni
x E 9 e8i.%te un E(x)
ottenibile -ntediante traslazione da zcno
degli Ej (j
=1,
... ,k),
avente vertice in xstesso e tale
che,
detta _Y(x)
la base di E(x),
i)
esiste un insieine(x) (x) fl
con mis~* (x) > e >
o(e indipendente
dax) ;
ii) se ~
E.I- (x), ogni punto
x* di coordinateappartiene
adQ ;
l’insieme di talipunti
verrà indicato con E*(x).
()sserviamo
esplicitamente
che segli mj
sono natnra.1i e dipiù
costi-tuiscono una
ennupla « quasi-ellittica
»(v.
G. C. Barozzi[1])
allora i domini« normali » relativi alle
equazioni quasi
ellittiche di multi-indice ... ,mll) (v.
B. Pini~9],
A. Cavallncci[6])
sono la chiusura diaperti
Q per cui la condizioneprecedente
è soddisfattaCiò
posto
sussiste ilseguente
2. Nelle ammesse
ipotesi
suQ,
se zc e le derirate prime di u(nel
senso delle
distribuzioni)
sono sommabili inil,
perqua.si ogni
x E Sz si lut lamaggiorazione
-(v.
S.Campanato
Supponiamo
che per un certo x E [~ E(.r)
sia ottenuto per traslazione da Sia cp(t)
una funzione di classeC~~~ [U, + oo[
conPer
ogni
con una
integrazione
sul’’* (x)
si trovaUn calcolo diretto mostra che
Ma essendo x* E E*
(’x)~
si hacioè
Si trova
dunque
avendo
posto
5.
Supponiamo
soddisfatta da (~l’ipotesi
del numeroprecedente.
Indi-chiamo con Ck)
(.~) (k naturale)
lospazio
delle funzioni continue in~
conle derivate nno all’ordine k incluso. Con (q, m1 , M-)
(Q)
indicheremo ilcompletamento
funzionale di Ckkl(Q) rispetto
alla normain
particolare
Essendo "risulta,
com’ènoto,
cura che
Lemma 2 assi-
per
quasi ogni x
E S,.Supponiamo
=1, q > 1 ; poniamo
Sussiste il
TEOREMA I.
sussiste la
maggioi-azioibe
b)
Sen~‘ - q C ~, ~ n~‘ , zc
èquasi dappertutto uguale
ad unafunzione
continua in
Q,
e per essa si haUna volta
provati
i lemmi 1 e2,
la dimostrazione del teorema si con-segue
apportando
aquella dell’vnalogo
teorema1,
2 di[4]
modifiche pura- mente formali(sostituzione
di n- adn);
riteniamopertanto
dipoterla
omet-tere. Un
analogo
risultato sussisteper k
naturalequalunque
Po-niamo attualmente
’
Si ha il
seguente
sussiste inoltre la
ntcaggiorazione
quasi dappertittto uguale
ad zcrzacfunzione
continua in !Je si ha la
maggiora,zione
La dimostrazione si consegue~ come per il teorema II. 2 di
[4], appli-
cando il teorema 1 successivamente alle deriyate di ordine li -
1,
1: -2,
....Ci
proponiamo
infine di dimostrare comel’appartenenza
di ~~ allospazio
( (Q),
peropportuni
valori dilc > ~, > ~’ (~ ~ 1 )~
ed in certeipotesi
su
Q, implichi
che la u stessa soddisfa ad una condizione deltipo
di Hölder.Si
tratta, tuttavia,
di una condizione di Ho der differenziatarispetto
allediverse
variabili,
in armonia con la dissimmetriadegli spazi
che stiamo stu-diando. Per
semplificare
al massimo iragionamenti
supporremo che Q sia addirittura un intervallo(aperto)
di1Rn:
Sfruttando un
procedimento
diMorrey, già
utilizzato in[4],
dimostriamo ilseguente
TEOREMA 3.
coincide
quasi da_p_pei-tutto
in Q con unaj iizioiie (che
ancora conu),
taleche,
perogni coppia
x, y EQ,
si hacon la 1t è
se
~>~~-(k-1)q.
Siano x ed y due
punti
diS~ ;
non è restrittivosupporre
1 perogni j
=1,
... , 7z. Considereremo intervalli chiiisi T che sianouguali
allachiusura di intorni del
tipo 100 (x, r),
cioèdiremo 1 il « lato --> di T. Risulterà mia T = In*. Per
ogni coppia
x, y eD,
esiste certamente un intervallo
T (x~, y)
deltipo specificato,
tale chey)
e di
pi i
risulti 1 = lato di T(x, y)
=Joo (x, y). Inoltre,
se xed y
sono abba-stanza vicini è sicuramente
2’ (r, y)
E S~.Sia ~
E T(x, y) :
abbiamoValutiamo il
primo degli
addendi al secondo membro.Con una
integrazione
perparti
ind~
su~’ ~,~,~. y)
si trovaEseguiamo
il cambiamento di== ~, + t (x)
-f1);
indichiamocon
Tt (x, y)
il trasformato diT (x, y).
Si liaeli e 1,
= iatuoi Tt (x, y)
=(1
-t) 1 ;
se ne deduce
Supponiamo
ora che risultipiù precisamente,
n* - C A n -- - 1) q ;
il teorema2,
alle derivateprime
assicura1)alla
maggiorazione
si trae in definitiva
Con la stessa tecnica si
combinando
( i .1), (7.2)
e(7.3)
sí ottiene in definitiva(Iove i la
prima
affermazione del teorema(2).
Se
poi
risultasse .> n*
-(k - 1)
q, sarebbe n*‘ -(k
-h) q A --- n* -
-
(k
- h -1) q,
per unopportuno
naturale h(1
-1 ).
Sipuò
ap-plicare
ilprocedimento precedente
alle derivate della u di ordine h e si trova per ciascuna di esse una condizione di Hólder deltipo
della(7.4).
In tal caso
ogni
derivata delta zc di ordine inferiore adh, dunque
anchela u
stessa,
soddisfa ad una condizione diLipschitz.
Appendice.
I’roviamo Panermazione contenuta nel numero
4,
relativamenteall’ipotesi snll’aperto
03A9. Limitaudoci al oasotridimensiouale,
siano 7n1 , 9 n 3 numeri naturali costituenti una termquasi-ellittica. Supponiamo dapprima
m1>
> 1n2 > M3 - In tal caso un dominio « normale » D per le
equazioni quasi-
ellitt iche di multi-indice
(m1 , m2 , m3) ha
come frontiera due dominipiani Bi
eB2
contenuti neipiani
caratteristici x3 = 7 xy =h2 (h, h2) ;
dueporzioni
disuperficie L,
edl~l
diequazioni
xl = y;(x~ , x3), ~
=1, 2,
cony4
1 (tC:? , X3)
y.,(x2 , .1’3);
dueporzioni
disuperficie
cilindricheM1
1 edM2
diequazioni
X2 =b~ (x~), i
=1, 2, con ól (x3) ~2 (X3).
Le funzioni 2,i e~i
sonodiflérenziabili con continuità
rispettivamente
in un certocompatto D~, 3
delpiano (x~2 , x3) (proiezione
di D su talepiano)
e nell’intervallo[h,,
yh2].
Poniamo
~2) Dall’inclusione applicando il teorema di 1.3
di
[4],
segue che « soddisfa ad una. condizione di Hölder (ordinaria) di esponente a, conFissiamo la nostra attenzione su
D+ ;
associamo adogni
x di esso uninsieme
(x),
divertice x,
che sia il traslato di un insiemeE~+. Scegliamo
e successivamente a abbastanza
piccolo,
in modo tale2
che, quando
9E (x)
non abbiapunti
in comune con.L2 ,
9 ciò chepuò
ottenersi in virt i del fatto
che y2
è differenziabile con continuità. Sia orase si considerano
gli
insiemie si pone
è chiaro che comunque si E
D+,
l’intersezione della base Z(x)
diE
(x)
conD,
è un insieme la cui misura non è inferiore a c. Siragiona
inmodo
analogo
su1)~ , scegliendo E (x)
traslato diEf .
Supponiamo
che sia > = ~~r3 ; in tal caso un dominio normale è limitato da duesuperficie
dealtipo
delleL1
eL2,
e cla unasuperficie
cilin- drica Z digeneratrici parallele
all’asse x1 Conservando a y, 7(x2, x3)1 -’)+’
D- il
significato già specificato,
associamo mlogni
un insieme E(. -)
con lo stesso criterio
impiegato
nel casoprecedente.
Essendo _Y una super- ficie di classeC(~),
la suaproiezione
sulpiano (.1’2’ x3) (cioè
la frontieraD2, 3) è
una curva di classe C(’) iu talepiano.
Ciò
implica
che per è un insieme di misura(bidimensionale) maggiore
di zero, e dipi i
tale misura è una funzione tinua di x(in
eflétti non varia al variare di x1 ,mentre,
se x’ ex" sono due
punti appartenenti
allo stessopiano x1, - cost.,
risultaPosto
dunque
è chiaro che risulta c > 0.
Supponiamo
infine m1 = m2>
In tal caso un dominio normale è limitato da due dominipiani quali B1
eB2
e da unasuperficie 8
di classeC~l>, rappresentabile
localmente nella formax 1 = 7 (X2 2 X3),
oppure- (x1 x3).
Essendo 8 uncompatto
in1R3
lo sipuò ricoprire
con ULL numero finito di insiemi relativamente
aperti 1,
... , n, ciascuno deiquali rappresentabile
nellaforma x1
= y(X2 oppure x2
= dx2) ;
inoltre non è restrittivo supporre che la
proiezione
diDi
sulpiano (x2’ x3) (oppure x3))
abbia per frontiera una curvaregolare, semplice,
chiusa.Se ora si
pone Si
= 9~2
= -83
=(~3
-522~ ~,
ecc., siviene a
scomporre S
in un numero finito disuperficie Si ,
ciascuna dellequali
èrappresentabile
nellaforma x2
= y(x2 , x) (oppure X2 = ó (x1 ,
con
(x2 , x3) appartenente
ad un dominioregolare Ei
delpiano
1 x3(op-
pure del
piano xi , x3).
Duesuperficie Si e Sj
o sonodisgiunte,
oppurehanno come intersezione una curva
regolare, lungo
laquale
si raccordanocon continuità del
piano tangente. Consideriamo 8,
esupponiamo
che essasia
rappresentabile
nellaforma x1
= y(x2 ,
con y E C(11(Ei). Supponiamo
che per
ogni
x E 9 la semiretta avente vertice in x eparallela
al semiassepositivo xi ,
siapenetrante
in D. Perogni
esistonodunque
tali che ,
poniamo a (.x~ , x3)
= sup h. La funzione a(xz , x3)
èpositiva
ed inferiormentesemicontinua,
per leipotesi
ammesse su8;
risultadunque
Poniamo
si ha
Di C D, Di
C D. Adogni punto
x EDi
associamo un insieme(x)
che sia il traslato di un
.~,1+ . Ripetendo
unragionamento già
utilizzato nelprimo
dei casiesaminati, scegliamo
l’altezza a,degli (x)
minore oduguale
ad a*
a*,
y e successivamente il valore li a abbastanzapiccolo
in modo tale2
che al variare non incontri la
superficie
diequazione
Xi 7
(x2 ~ x3) +
u~·Un
ragionamento
visto sopra conduce alla conclusione che11 1 ddla
In
D7
siragiona
allo stesso modo salvoscegliere
E(x)
traslato diEf ,
ycon la stessa scelta dei
parametri a
ed a. Ilprocedimento
ora illustratorelativamente
ad Si , può ripetersi
su ognuna dellesuperficie Sj, j
=2,
..., n, salvo utilizzare insiemi E(x)
traslati diopportuni E2 ,
per leSj
rappresen- tate nellaforma x2
Se infine si pone a = min aj, a = min a, c = min cj si
comprende
1jn
come ad
ogni
x E D si possa associareun E (x)
avente comeparametri
ivalori a ed a ora
specificati,
che sia ottenibile per traslazione da uno deiquattro
insiemiEi+ , Ef , E2 , E2 ,
e tale cheSi osserverà che esistono domini i
quali,
pur avendo frontiera assairegolare (tale,
peresempio,
da renderli « normali » per il casoellittico),
non soddisfano
all’ipotesi del « tipo
di cono », di cui ci stiamooccupando,
in conseguenza del fatto che
gli
insiemiE (x)
sono orientati secondo dire- zioniprivilegiate.
Bologna, Università.
BIBLIOGRAFIA
[1] G. C. BAROZZI, Sul multi-indice degli operatori quasi-ellittici, Boll. U.M.I., vol. 19 (1964) ; [2] S. CAMPANATO, Caratterizzazione delle tracce di funzioni appartenenti ad una classe di Morrey insieme con le loro derivate prime, Annali Scuola Normale Sup. Pisa, s. III.
vol. XV (1961) ;
[3] S. CAMPANATO, Il teorema di immersione di Sobolev per una classe, di aperti non dotati della proprietà di cono, Ricerche di Mat., Vol XI (1962) ;
[4] S. CAMPANATO, Proprietà di inclusione per spazi di Morrey, Ricerche di Mat., Vol. XII (1963) ;
[5] S. CAMPANATO, Equazioni ellittiche del secondo ordine e spazi
L(2,03BB),
(in corso di Stampasn «Annali di Matematica pura e applicata »);
[6]
A. CAVALLUCCI, Sulle proprietà differenziali delle soluzioni delle equazioni quasi-ellitticherelativamente a domini normali, Boll. U.M.I., vol. 19 (1964);
[7]
B. JESSEN, J. MARCINKIFWICZ, A. ZYGMUND, Note on the differentiability of multiple integral, Fund. Mathematicae, T. XXV (1935) ;[8] K. YOSIDA Functional analysis, Berlin 1965;
[9] B. PINI, Su un problema tipico relativo a una certa classe di equazioni ipoellittiche, Atti
Acic. Scienze Ist. Bologna, Serio XII, T. I (1964).