öSolvabilityöoföNonlinearöEllipticöTypeöEquation
WithöTwoöUnrelatedöNonöstandardöGrowths
UğuröSertöandöKamalöSoltanovö††footnotetext: U.öSert(✉):öFacultyöoföScience,öDepartmentöoföMathematics,
HacettepeöUniversity,ö06800,öBeytepe,öAnkara,öTurkey.öe-mail:
[email protected]
K.öSoltanov:öFacultyöoföScience,öDepartmentöoföMathematics,öHacettepe
University,ö06800,öBeytepe,öAnkara,öTurkey.öe-mail:ö[email protected]
öAbstract .öInöthisöpaper,öweöstudyöthe
solvabilityöofötheönonlinearöDirichletöproblemöwithösumöoföthe
operatorsöoföindependentönonöstandardögrowths
[TABLE]
inöaöboundedödomainöΩ o ¨ ⊂ o ¨ R n \Omega\"{o}\subset\"{o}\mathbb{R}^{n} Ω o ¨ ⊂ o ¨ R n .öHere,öoneöof
theöoperatorsöinötheösumöisömonotoneöandötheöotheröisöweakly
compact.öWeöobtainösufficientöconditionsöandöshowötheöexistenceöof
weakösolutionsöofötheöconsideredöproblemöbyöusingömonotonicityöand
compactnessömethodsötogether.
öKeywords :öEllipticöPDEs,önonöstandard
nonlinearity,övariableöexponent,ösolvabilityötheorem,öembedding
theorems.
**AMSöSubjectöClassification:**ö35J60,ö35J66.
1 Introduction
Inöthisöwork,öweöinvestigateötheöDirichletöproblemöforötheönonlinear
ellipticöequationöwithövariableönonlinearity
[TABLE]
whereöx ∈ Ω o ¨ ⊂ o ¨ R n ( o ¨ n ≥ o ¨ 3 ) o ¨ x\in\Omega\"{o}\subset\"{o}\mathbb{R}^{n}\left(\"{o}n\geq\"{o}3\right)\"{o} x ∈ Ω o ¨ ⊂ o ¨ R n ( o ¨ n ≥ o ¨ 3 ) o ¨ öis
aöboundedödomainöwhichöhasösufficientlyösmoothöboundaryö(atöleast
Lipschitzöboundary),öD i ≡ ∂ / ∂ o ¨ x i D_{i}\equiv\partial/\partial\"{o}x_{i} D i ≡ ∂ / ∂ o ¨ x i ,
p 0 , p_{0}, p 0 , öp 1 o ¨ p_{1\text{\"{o}}} p 1 o ¨ areönonnegativeömeasurableöfunctions
definedöonöΩ o ¨ , \Omega\"{o}, Ω o ¨ , öh h h öisöaögeneralizedöfunctionöandöc : Ω × R → R c:\Omega\times\mathbb{R}\rightarrow\mathbb{R} c : Ω × R → R ,öc ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ c\left(\"{o}x,\tau\"{o}\right)\"{o} c ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ öisöaöfunctionöwithövariableönonlinearityöinöτ o ¨ \tau\"{o} τ o ¨ ö(foröexample,öc ( o ¨ x , u ) o ¨ = c 0 ( o ¨ x ) o ¨ ∣ o ¨ u ∣ o ¨ α ( o ¨ x ) o ¨ − 2 u + c 1 ( o ¨ x ) o ¨ c\left(\"{o}x,u\right)\"{o}=c_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left|\"{o}u\right|\"{o}^{\alpha\left(\"{o}x\right)\"{o}-2}u+c_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o} c ( o ¨ x , u ) o ¨ = c 0 ( o ¨ x ) o ¨ ∣ o ¨ u ∣ o ¨ α ( o ¨ x ) o ¨ − 2 u + c 1 ( o ¨ x ) o ¨ ,öseeöSectionö2).
WeödenoteötheöoperatorsöA A A öand B \ B B öwithö
öA ( u ) o ¨ : = − d i v ( ∣ ∇ o ¨ u ∣ p 1 ( x ) − 2 ∇ o ¨ u ) , A\left(u\right)\"{o}:=-div\left(\left|\nabla\"{o}u\right|^{p_{1}\left(x\right)-2}\nabla\"{o}u\right), A ( u ) o ¨ := − d i v ( ∣ ∇ o ¨ u ∣ p 1 ( x ) − 2 ∇ o ¨ u ) , öB ( o ¨ u ) : = − ∑ i = 1 n D i ( o ¨ ∣ o ¨ u ∣ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 D i u ) o ¨ + c ( o ¨ x , u ) . o ¨ B\left(\"{o}u\right):=-\sum\limits_{i=1}^{n}D_{i}\left(\"{o}\left|\"{o}u\right|^{p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2}D_{i}u\right)\"{o}+c\left(\"{o}x,u\right).\"{o} B ( o ¨ u ) := − i = 1 ∑ n D i ( o ¨ ∣ o ¨ u ∣ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 D i u ) o ¨ + c ( o ¨ x , u ) . o ¨
Thereöhasöbeenörecentlyöaöconsiderableöinterestöinötheöstudyöof
equationsöandövariationalöproblemsöwithövariableöexponentsöof
nonlinearitiesödueötoötheiröapplications.öNonlinearöequations
includingötheöoperatoröA ( o ¨ u ) o ¨ A\left(\"{o}u\right)\"{o} A ( o ¨ u ) o ¨ öisöaöratheröcommon
nonlinearöproblemöwithövariableöexponentöwhichöisöknownöas
p 1 ( o ¨ . ) o ¨ p_{1}\left(\"{o}.\right)\"{o} p 1 ( o ¨ . ) o ¨ -Laplacianöequation.öThisökindöoföproblems
haveöbeenöstudiedöinövariousöcontextsöbyömanyöauthorsö[1,ö3,ö4,ö6,
27]öandöhaveöwideörangeöoföapplicationöareasöinötheömathematical
modelingöofönon-Newtonianöfluidsö[7,ö18,ö19],ötheoryöoföelasticity
andöhydrodynamicsö[28],öthermistoröproblemö[26]öandöinöimage
restorationö[9]öetc.ö(Indeed,öallöapplicationöareasömentioned
aboveöareöalsoövalidöforöproblemö(1.1)).öOnötheöotheröhand,öthe
equationsöofötheötypeöB ( o ¨ u ) o ¨ = h B\left(\"{o}u\right)\"{o}=h B ( o ¨ u ) o ¨ = h öareörarelyöresearched.
Foröinstanceöinö[5],öaösimilarötypeöoföproblemöforöB ( u ) o ¨ = h B\left(u\right)\"{o}=h B ( u ) o ¨ = h öwasöstudiedöbyöAntontsevöandöShmarevöwhoöinvestigated
theöregularizedöproblemötoöshowötheöexistenceöoföweakösolution.
Suchöequationsömayöappearöinötheömathematicalömodelingöoföthe
processöofönonstableöfiltrationöoföanöidealöbarotropicögasöinöa
nonhomogeneousöporousömediumö(forösampleöseeö[3]).öWeöalsoörefer
[14,ö17,ö19]öforötheöseveralöofötheömostöimportantöapplicationsöof
(1.1)öandönonlinearöpartialödifferentialöequationsöwithövariable
exponentöariseöfromömathematicalömodelingöofösuitableöprocessesöin
mechanics,ömathematicalöphysics,öimageöprocessingöetc.
Toötheöbestöoföouröknowledge,öbyönowöthereöhasönotöbeenöany
studiesöonötheöexistenceöofösolutionsöforötheöellipticöequations
ofötheötypeö(1.1)öwithövariableöexponentsöofönonlinearity.
However,öweönoteöthatöaösimilaröproblemötoö(1.1)öwithöconstant
exponentsöwasöinvestigatedöinö[24].öMoreöexactly,öinö[24]öthe
questionöofötheösolvabilityöoföanöoperatoröequationöwhenötheöcase
theöoperatoröisöinötheöformöofösumöoföaöweaklyöcompactöand
pseudo-monotoneöoperatorsöwasöanswered.öInötheöpresentöpaper,öwe
studyötheösimilarötypeöoföoperatoröequationöinöaömodelöproblem
whenötheöoperatorsöinötheösumöwithövariableönonlinearityöand
obtainötheösufficientöconditionsöforösolvability.öTheöourögoalöof
studyingötheömodelöproblemöisötoöprovideöaömoreöunderstandableöand
explicitöwayöforötheöestablishedöresultsöinöthisöarticle.
TheömainöfeatureöofötheöequationöA ( o ¨ u ) o ¨ + B ( u ) o ¨ = h A\left(\"{o}u\right)\"{o}+B\left(u\right)\"{o}=h A ( o ¨ u ) o ¨ + B ( u ) o ¨ = h öisöthat,ötheöexponentsöp 0 ( o ¨ x ) o ¨ p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o} p 0 ( o ¨ x ) o ¨ öand
p 1 ( o ¨ x ) o ¨ p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o} p 1 ( o ¨ x ) o ¨ öareöindependentöoföeachöother.öThus,
neitheröA A A önoröB o ¨ B\"{o} B o ¨ öisötheömainöpartöoföthisöequation.öItöisöneed
toönoteöthatöiföA A A öisötheömainöpartöofötheöequation,öi.eöthe
exponentsöareödependentöeachöother,ötheöresultsöforötheötheoryöof
pseudo-monotoneöoperatorsöcanöbeöusedötoöinvestigateötheöproblem.
However,öinötheöcaseöthatöweöconsider,öanyömethodsöwhichöisömerely
relatedötoömonotonicityöcanönotöbeöused.
Weöuseötheöbasicögeneralösolvabilityötheoremö[24],ö(Theoremö2.5)ötoöprove
theöexistenceöoföweakösolutionöofötheöproblemö(1.1).öInöorderötoöapplyöthis
theoremötoöexistenceötheoremö(Theoremö2.4)öforöproblemö(1.1),öweöobtain
sufficientöconditionsöandöproveötheömonotonicityöofötheöoperatoröA A A öand
weaköcompactnessöoföB B B öonöproperöspacesöunderötheseöconditions,öandöthenöwe
getötheösolvabilityöoföposedöproblemöbyösimultaneouslyöusingömonotonicity
andöcompactness.
Thisöpaperöisöorganizedöasöfollows:öInötheönextösection,öwe
presentötheöassumptions,ödefinitionöofötheöweakösolutionöand
descriptionöofötheömainöresult.öForöthisöpurpose,öweöalsoödefine
someöfunctionöclassesöwhichöareörequiredötoöstudyötheöposed
problem.öInöSectionö3,öfirstly,öweöestablishösomeöintegral
inequalitiesötoöinvestigateötheöfunctionöclassesö(pseudo-norm
spaces)ödefinedöinöpreviousösectionöandöafterwardsöverifyösome
necessaryölemmasöandötheoremsöwhichöindicateötheörelationöoföthese
spacesöwithötheöLebesgueöandöSobolevöspacesöwithövariableöexponent
andötheöcontinuousöandöcompactöembeddingsöofötheseöfunctionöspaces
etc.öInöSectionö4,öweögiveötheöprooföofötheömainötheoremö(Theorem
2.4)öoföthisöpaperöbyötheöhelpöofötheöembeddingöresultsöobtained
inöSectionö3.
2 StatementöoföTheöProblemöandöTheöMainöResult
LetöΩ o ¨ ⊂ o ¨ R o ¨ n ( o ¨ n ≥ o ¨ 3 ) o ¨ \Omega\"{o}\subset\"{o}\mathbb{R}\"{o}^{n}\left(\"{o}n\geq\"{o}3\right)\"{o} Ω o ¨ ⊂ o ¨ R o ¨ n ( o ¨ n ≥ o ¨ 3 ) o ¨ öbeöaöbounded
domainöwithösufficientlyösmoothöboundaryö∂ Ω . \partial\Omega. ∂ Ω. öWeöstudyöthe
problemö(1.1)
[TABLE]
underötheöfollowingöconditions:
(U1)
ö2 ≤ o ¨ p 0 − ≤ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ≤ p 0 + < ∞ o ¨ , 2\leq\"{o}p_{0}^{-}\leq\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\leq p_{0}^{+}<\infty\"{o}, 2 ≤ o ¨ p 0 − ≤ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ≤ p 0 + < ∞ o ¨ , ö1 < o ¨ p 1 − ≤ o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ≤ p 1 + < ∞ o ¨ 1<\"{o}p_{1}^{-}\leq\"{o}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}\leq p_{1}^{+}<\infty\"{o} 1 < o ¨ p 1 − ≤ o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ≤ p 1 + < ∞ o ¨ öand öp 0 ∈ o ¨ C 1 ( Ω ˉ ) o ¨ , p_{0}\in\"{o}C^{1}\left(\bar{\Omega}\right)\"{o}, p 0 ∈ o ¨ C 1 ( Ω ˉ ) o ¨ , öp 1 ∈ o ¨ C 0 ( o ¨ Ω ˉ ) . p_{1}\in\"{o}C^{0}\left(\"{o}\bar{\Omega}\right). p 1 ∈ o ¨ C 0 ( o ¨ Ω ˉ ) .
2. (U2)
öThereöexistsöaömeasurableöfunction öα o ¨ : Ω o ¨ ⟶ o ¨ [ o ¨ 1 , ∞ o ¨ ) o ¨ , \alpha\"{o}:\Omega\"{o}\longrightarrow\"{o}\left[\"{o}1,\infty\"{o}\right)\"{o}, α o ¨ : Ω o ¨ ⟶ o ¨ [ o ¨ 1 , ∞ o ¨ ) o ¨ , ö1 ≤ o ¨ α − ≤ o ¨ α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ≤ o ¨ α o ¨ + < ∞ o ¨ 1\leq\"{o}\alpha^{-}\leq\"{o}\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}\leq\"{o}\alpha\"{o}^{+}<\infty\"{o} 1 ≤ o ¨ α − ≤ o ¨ α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ≤ o ¨ α o ¨ + < ∞ o ¨ ösuchöthat
theöfollowingöinequalitiesöhold
[TABLE]
and
[TABLE]
a.e.ö( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ ∈ o ¨ Ω o ¨ × R . \left(\"{o}x,\tau\"{o}\right)\"{o}\in\"{o}\Omega\"{o}\times\mathbb{R}. ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ ∈ o ¨ Ω o ¨ × R .
Hereöc ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ c\left(\"{o}x,\tau\"{o}\right)\"{o} c ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ ö isöaöCaratheodoryöfunctionöand öc i o ¨ c_{i}\"{o} c i o ¨ ,öi = 0 , 1 , 2 i=0,1,2 i = 0 , 1 , 2 öareönonnegativeömeasurableöfunctionsödefinedöon öΩ o ¨ \Omega\"{o} Ω o ¨ ,öbesidesöfor öε o ¨ > 0 , \varepsilon\"{o}>0, ε o ¨ > 0 , öα o ¨ ( o ¨ x ) ≥ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ \alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\geq\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}+\varepsilon\"{o} α o ¨ ( o ¨ x ) ≥ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ öand öc 2 ( o ¨ x ) ≥ o ¨ C ~ > 0 c_{2}\left(\"{o}x\right)\geq\"{o}\tilde{C}>0 c 2 ( o ¨ x ) ≥ o ¨ C ~ > 0 ,öx ∈ o ¨ Ω o ¨ x\in\"{o}\Omega\"{o} x ∈ o ¨ Ω o ¨ öisösatisfied.
Inöorderötoögiveötheödefinitionöoföweakösolutionöofötheöproblem
(1.1),öweöintroduceötheörequiredöspaces.öForöthis,öfirstöweöremind
someöbasicöfactsöaboutögeneralizedöLebesgueöandöSobolevöspacesö[2,
8,ö10,ö12,ö15].
LetöΩ o ¨ \Omega\"{o} Ω o ¨ öbeöaöLebesgueömeasurableösubsetöoföR n \mathbb{R}^{n} R n ösuchöthatö∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ > 0 \left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o}>0 ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ > 0 ö(Throughoutötheöpaper,öwe
denoteöbyö∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ \left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o} ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ ötheöLebesgueömeasureöoföΩ o ¨ \Omega\"{o} Ω o ¨ ).öByöM ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ M\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} M ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ödenoteötheöfamilyöoföall
measurable
functionsöp : Ω o ¨ ⟶ o ¨ [ o ¨ 1 , ∞ o ¨ ] o ¨ p:\Omega\"{o}\longrightarrow\"{o}\left[\"{o}1,\infty\"{o}\right]\"{o} p : Ω o ¨ ⟶ o ¨ [ o ¨ 1 , ∞ o ¨ ] o ¨ öandöbyöM 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,
[TABLE]
whereöp − : = e s s Ω o ¨ inf o ¨ ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ∣ , o ¨ o ¨ p + : = e s s Ω o ¨ sup o ¨ ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) ∣ p^{-}:=\underset{\Omega\"{o}}{ess}\inf\"{o}\left|\"{o}p\left(\"{o}x\right)\"{o}\right|,\text{\"{o}}\"{o}p^{+}:=\underset{\Omega\"{o}}{ess}\sup\"{o}\left|\"{o}p\left(\"{o}x\right)\right| p − := Ω o ¨ ess inf o ¨ ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ∣ , o ¨ o ¨ p + := Ω o ¨ ess sup o ¨ ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) ∣ .ö
öForöp ∈ o ¨ p\in\"{o} p ∈ o ¨ öM ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , M\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, M ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öΩ ∞ o ¨ p ≡ o ¨ Ω o ¨ ∞ o ¨ ≡ o ¨ { o ¨ x ∈ o ¨ Ω ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ = ∞ o ¨ } o ¨ \Omega_{\infty\"{o}}^{p}\equiv\"{o}\Omega\"{o}_{\infty\"{o}}\equiv\"{o}\left\{\"{o}x\in\"{o}\Omega|\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)\"{o}=\infty\"{o}\right\}\"{o} Ω ∞ o ¨ p ≡ o ¨ Ω o ¨ ∞ o ¨ ≡ o ¨ { o ¨ x ∈ o ¨ Ω∣ o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ = ∞ o ¨ } o ¨ öthenöonötheösetöof
allöfunctionsöonöΩ o ¨ \Omega\"{o} Ω o ¨ ödefineöthe
functionalöσ o ¨ p \sigma\"{o}_{p} σ o ¨ p öandö∥ o ¨ . ∥ o ¨ p \left\|\"{o}.\right\|\"{o}_{p} ∥ o ¨ . ∥ o ¨ p öby
[TABLE]
and
[TABLE]
Clearlyöiföp ∈ o ¨ L ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ p\in\"{o}L^{\infty\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} p ∈ o ¨ L ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öthenöp ∈ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ p\in M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} p ∈ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,öσ o ¨ p ( o ¨ u ) o ¨ ≡ ∫ Ω o ¨ ∣ o ¨ u ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) d x \sigma\"{o}_{p}\left(\"{o}u\right)\"{o}\equiv\int\limits_{\Omega\"{o}}\left|\"{o}u\right|\"{o}^{p\left(\"{o}x\right)}dx σ o ¨ p ( o ¨ u ) o ¨ ≡ Ω o ¨ ∫ ∣ o ¨ u ∣ o ¨ p ( o ¨ x ) d x öandötheögeneralized
Lebesgueöspaceöisödefinedöasöfollows:
[TABLE]
Iföp − > 1 , p^{-}>1, p − > 1 , öthenötheöspaceöL p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o} L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ öbecomesöaöreflexiveöandöseparableöBanachöspaceöunderöthe
normö∥ o ¨ . ∥ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ \left\|\"{o}.\right\|\"{o}_{L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}} ∥ o ¨ . ∥ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ whichöisöso-calledöLuxemburgönorm.ö
öIfö0 < ∣ Ω o ¨ ∣ o ¨ < ∞ o ¨ , 0<\left|\Omega\"{o}\right|\"{o}<\infty\"{o}, 0 < ∣ Ω o ¨ ∣ o ¨ < ∞ o ¨ , öand
p 1 , p_{1}, p 1 , öp 2 ∈ o ¨ M ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ p_{2}\in\"{o}M\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} p 2 ∈ o ¨ M ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öthenötheöcontinuousöembeddingööL p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ o ¨ L p 2 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\subset\"{o}L^{p_{2}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ o ¨ L p 2 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öexists ⟺ o ¨ \iff\"{o} ⟺ o ¨ öp 2 ( o ¨ x ) o ¨ ≤ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ p_{2}\left(\"{o}x\right)\"{o}\leq p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o} p 2 ( o ¨ x ) o ¨ ≤ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ öforöa.eöx ∈ o ¨ Ω o ¨ . x\in\"{o}\Omega\"{o}. x ∈ o ¨ Ω o ¨ .
Foröu ∈ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ u\in\"{o}L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} u ∈ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöv ∈ L q ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ v\in L^{q\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} v ∈ L q ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öwhereöp , p, p , öq ∈ o ¨ q\in\"{o} q ∈ o ¨
M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandö1 p ( o ¨ x ) + 1 q ( o ¨ x ) o ¨ = 1 \frac{1}{p\left(\"{o}x\right)}+\frac{1}{q\left(\"{o}x\right)\"{o}}=1 p ( o ¨ x ) 1 + q ( o ¨ x ) o ¨ 1 = 1 ötheöfollowingöinequalitiesöholds
[TABLE]
and
[TABLE]
LetöΩ o ¨ ⊂ R n \Omega\"{o}\subset\mathbb{R}^{n} Ω o ¨ ⊂ R n öbeöaöboundedödomainöandöp ∈ o ¨ L ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ p\in\"{o}L^{\infty\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} p ∈ o ¨ L ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öthen
generalizedöSobolevöspaceöisödefinedöasöfollows:
[TABLE]
andöthisöspaceöisöaöseparableöBanachöspaceöunderötheönorm:
[TABLE]
W 0 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ödefinesöasöthe
closureöoföC 0 ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ C_{0}^{\infty\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} C 0 ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öinöW 1 , o ¨ p ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{1,\text{\"{o}}p\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W 1 , o ¨ p ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . öIföp − > 1 p^{-}>1 p − > 1 öthenöW 1 , o ¨ p ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W^{1,\text{\"{o}}p\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 1 , o ¨ p ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöW 0 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öareöreflexiveöandöseparableöBanachöspaces.öIfö∂ o ¨ Ω o ¨ \partial\"{o}\Omega\"{o} ∂ o ¨ Ω o ¨ öisöLipschitzöboundary andöp ∈ o ¨ C 0 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , p\in\"{o}C^{0}\left(\"{o}\bar{\Omega}\right)\"{o}, p ∈ o ¨ C 0 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , öthenöequivalentönormöinöW 0 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öisögivenöby;
[TABLE]
Letöp p p ,öq ∈ o ¨ C ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ ∩ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω ) o ¨ q\in\"{o}C\left(\"{o}\bar{\Omega}\right)\"{o}\cap\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o} q ∈ o ¨ C ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ ∩ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω ) o ¨
andöp ( o ¨ x ) o ¨ < n , p\left(\"{o}x\right)\"{o}<n, p ( o ¨ x ) o ¨ < n , öq ( o ¨ x ) o ¨ < n p ( o ¨ x ) o ¨ n − p ( o ¨ x ) o ¨ ≡ o ¨ p ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ q\left(\"{o}x\right)\"{o}<\frac{np\left(\"{o}x\right)\"{o}}{n-p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\equiv\"{o}p^{\ast\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o} q ( o ¨ x ) o ¨ < n − p ( o ¨ x ) o ¨ n p ( o ¨ x ) o ¨ ≡ o ¨ p ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ öisöholdöforöallöx ∈ Ω o ¨ , x\in\Omega\"{o}, x ∈ Ω o ¨ , öthenöthereöisöaöcontinuousöandöcompactöembeddingöW 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ↪ o ¨ L q ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{1,\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\hookrightarrow\"{o}L^{q\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ↪ o ¨ L q ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
Aöfunctionöp ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ p\in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} p ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öisöcalled
log-HölderöcontinuousöiföthereöisöaöconstantöL L L ösuchöthatöthe
inequality
[TABLE]
holds.öIföp p p öisölog-Hölderöcontinuousöandöq ∈ o ¨ M 0 ( Ω o ¨ ) o ¨ q\in\"{o}M_{0}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o} q ∈ o ¨ M 0 ( Ω o ¨ ) o ¨ öthenöweöhaveötheöcontinuousöembedding
W 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ L q ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W^{1,\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\subset L^{q\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ L q ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öforöallöq ≤ p ∗ o ¨ . q\leq p^{\ast\"{o}}. q ≤ p ∗ o ¨ . ö
öForömoreödetailsöandöembeddingöresultsöfor
theseöspacesöseeö[2,ö8,ö10-12,ö15].ö
Weönowödefineösomeöfunctionöclassesöwhichöareörequiredötoöstudyötheöproblem
(1.1).öTheseöclassesöareönonlinearöspacesöwhichöareötheögeneralizationöof
theönonlinearöspacesöwithöconstantöexponentöstudiedöinö[21-24](seeöalso
referencesöoföthem).öWeöalsoönoteöthatötheönecessaryöpropertiesöoföthese
spacesöareöpresentedöinöSectionö3.
Definition 2.1
LetöΩ o ¨ ⊂ R n ( o ¨ n ≥ o ¨ 2 ) o ¨ \Omega\"{o}\subset\mathbb{R}^{n}\left(\"{o}n\geq\"{o}2\right)\"{o} Ω o ¨ ⊂ R n ( o ¨ n ≥ o ¨ 2 ) o ¨ öbeöaöboundedödomainöwithöLipschitz
boundaryöandöγ o ¨ , \gamma\"{o}, γ o ¨ , öβ o ¨ \beta\"{o} β o ¨ ö∈ o ¨ P 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) . \in\"{o}P_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right). ∈ o ¨ P 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) . öWeöintroduceöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , ötheöclassöoföfunctions
u : Ω o ¨ → R u:\Omega\"{o}\rightarrow\mathbb{R} u : Ω o ¨ → R öandötheöfunctionalö[ . ] S γ o ¨ , β o ¨ : S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⟶ R + [.]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}}:S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right),\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\longrightarrow\mathbb{R}_{+} [ . ] S γ o ¨ , β o ¨ : S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⟶ R + öasöfollows:
[TABLE]
[TABLE]
[ . ] S γ o ¨ , β o ¨ [.]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}} [ . ] S γ o ¨ , β o ¨ ödefinesöaöpseudo-normöonöS 1 , γ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , S_{1,\gamma\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, S 1 , γ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,
actuallyöitöcanöbeöclearlyöseenöthatö[ . ] S γ o ¨ , β o ¨ [.]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}} [ . ] S γ o ¨ , β o ¨
fulfillsöallöconditionsöof
pseudo-normö(pn)öseeö[21]öi.e.ö[ u ] S γ o ¨ , β o ¨ ≥ o ¨ 0 , [u]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}}\geq\"{o}0, [ u ] S γ o ¨ , β o ¨ ≥ o ¨ 0 , öu = 0 ⇒ o ¨ [ o ¨ u ] S γ o ¨ , β o ¨ = 0 , u=0\Rightarrow\"{o}[\"{o}u]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}}=0, u = 0 ⇒ o ¨ [ o ¨ u ] S γ o ¨ , β o ¨ = 0 , ö[ u ] S γ o ¨ , β ≠ o ¨ [ o ¨ v ] S γ o ¨ , β o ¨ ⇒ o ¨ u ≠ o ¨ v [u]_{S_{\gamma\"{o},\beta}}\neq\"{o}[\"{o}v]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}}\Rightarrow\"{o}u\neq\"{o}v [ u ] S γ o ¨ , β = o ¨ [ o ¨ v ] S γ o ¨ , β o ¨ ⇒ o ¨ u = o ¨ v öandö[ u ] S γ o ¨ , β o ¨ = 0 ⇒ o ¨ u = 0. [u]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}}}=0\Rightarrow\"{o}u=0. [ u ] S γ o ¨ , β o ¨ = 0 ⇒ o ¨ u = 0.
LetöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ öbeötheöspaceögivenöinötheöDefinitionö2.1öand
θ o ¨ ( o ¨ x ) ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) \theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) θ o ¨ ( o ¨ x ) ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) ,öweödenote
S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , ötheöclassöoföfunctions
u : Ω o ¨ → o ¨ R o ¨ u:\Omega\"{o}\rightarrow\"{o}\mathbb{R}\"{o} u : Ω o ¨ → o ¨ R o ¨ öbyötheöfollowingöintersection
[TABLE]
withötheöpseudo-norm
[TABLE]
Weönowöstateöaöpropositionöwhichöcanöbeöeasilyöprovedöbyötheöembedding
resultsöforötheöLebesgueöspacesöwithövariableöexponent.
Proposition 2.2
Iföγ o ¨ \gamma\"{o} γ o ¨ ,öβ o ¨ \beta\"{o} β o ¨ ,öθ o ¨ \theta\"{o} θ o ¨ ö∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöθ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ≥ o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + β o ¨ ( o ¨ x ) + ε o ¨ 0 \theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}\geq\"{o}\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}+\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)+\varepsilon\"{o}_{0} θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ≥ o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + β o ¨ ( o ¨ x ) + ε o ¨ 0 öa.e.öx ∈ o ¨ Ω o ¨ x\in\"{o}\Omega\"{o} x ∈ o ¨ Ω o ¨ öforösomeöε o ¨ 0 > 0 , \varepsilon\"{o}_{0}>0, ε o ¨ 0 > 0 , öthen
weöhaveötheöfollowingöequivalence;
[TABLE]
withötheöpseudo-norm
[TABLE]
öAlsoödenoteötheödualöspaces,öW − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ : = ( o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ ∗ o ¨ , W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}:=\left(\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{0}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\right)\"{o}^{\ast\"{o}}, W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ := ( o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ ∗ o ¨ , öW − 1 , o ¨ q 1 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ : = ( o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ ∗ o ¨ W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}:=\left(\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\right)\"{o}^{\ast\"{o}} W − 1 , o ¨ q 1 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ := ( o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ ∗ o ¨ öandöL α o ¨ ′ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ : = ( o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ ∗ o ¨ , L^{\alpha\"{o}^{\prime}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}:=\left(\"{o}L^{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\right)\"{o}^{\ast\"{o}}, L α o ¨ ′ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ := ( o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ ∗ o ¨ , öhereöq 0 ( o ¨ x ) o ¨ : = p 0 ( o ¨ x ) o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 1 , o ¨ q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}:=\frac{p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-1},\"{o} q 0 ( o ¨ x ) o ¨ := p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 1 p 0 ( o ¨ x ) o ¨ , o ¨ öq 1 ( o ¨ x ) o ¨ : = p 1 ( o ¨ x ) o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ − 1 q_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}:=\frac{p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}-1} q 1 ( o ¨ x ) o ¨ := p 1 ( o ¨ x ) o ¨ − 1 p 1 ( o ¨ x ) o ¨ öandöα o ¨ ′ ( o ¨ x ) o ¨ : = α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ − 1 . o ¨ \alpha\"{o}^{\prime}\left(\"{o}x\right)\"{o}:=\frac{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}-1}.\"{o} α o ¨ ′ ( o ¨ x ) o ¨ := α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ − 1 α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ . o ¨
Weöinvestigateötheöproblemö(1.1)öforöfunctionsöh ∈ o ¨ W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ . h\in\"{o}W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}. h ∈ o ¨ W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ . öLetöusödenoteöQ ( o ¨ Ω o ¨ ) Q\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) Q ( o ¨ Ω o ¨ ) öby
[TABLE]
whereöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) : = { o ¨ u ∈ o ¨ S 1 , q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ : o ¨ u ∣ o ¨ ∂ Ω o ¨ = 0 } o ¨ . \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right):=\left\{\"{o}u\in\"{o}S_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right),\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}:\"{o}u\mid\"{o}_{\partial\Omega\"{o}}=0\right\}\"{o}. S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) := { o ¨ u ∈ o ¨ S 1 , q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ : o ¨ u ∣ o ¨ ∂ Ω o ¨ = 0 } o ¨ . öNoticedöthatötheöconditionöonöα o ¨ ( x ) \alpha\"{o}\left(x\right) α o ¨ ( x ) öinö*(U2)*öindicatesöthatöthatöPropositionö2.2öis
validöforöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) .
öWeöareöreadyötoögiveötheödefinitionöofötheöweak
solutionöoföproblemö(1.1).ö
Definition 2.3
Ifötheöfunctionöu ∈ o ¨ Q ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ u\in\"{o}Q\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} u ∈ o ¨ Q ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ösatisfiesötheöfollowing
equality
[TABLE]
foröeveryöv ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ∩ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , v\in\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\cap\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap L^{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, v ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ∩ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öthenötheöfunctionöu u u öis
calledötheöweakösolutionöofötheöproblemö(1.1).
öNoteöthatöitöisöclearöunderötheöconditionsö*(U1)*
andö*(U2)*,öallötheöintegralsöinö(2.4)ömakeösense.
öNowöweöstateötheömainötheoremöoföthisöarticleöthatöis
theösolvabilityötheoremöforöproblemö(1.1):ö
Theorem 2.4
(ExistenceöTheorem)öLetötheöconditions
(U1) -(U2)
fulfillöandöc 0 , o ¨ c_{0},\"{o} c 0 , o ¨ öc 2 ∈ o ¨ L ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , c_{2}\in\"{o}L^{\infty\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, c 2 ∈ o ¨ L ∞ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öc 1 ∈ o ¨ c_{1}\in\"{o} c 1 ∈ o ¨ öL α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
Thenöforöeveryöh ∈ o ¨ h\in\"{o} h ∈ o ¨ öW − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}+L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öproblemö(1.1)öhasöa
weakösolutionöinötheöspaceöQ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . Q\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. Q ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
Weöwillöuseötheöfollowingösolvabilityötheoremö[24]ötoöproveötheöTheoremö2.4.
LetöX X X öandöY 0 Y_{0} Y 0 öbeöreflexiveöBanachöspaces,öY Y Y öisöanöarbitraryöBanach
spaceöandöS g Y 0 S_{gY_{0}} S g Y 0 öisöpn-space(pseudo-normöspace)ö[21].öLetöA : X ⟶ o ¨ X ∗ o ¨ A:X\longrightarrow\"{o}X^{\ast\"{o}} A : X ⟶ o ¨ X ∗ o ¨ öandöB : S g Y 0 ⟶ o ¨ Y B:S_{gY_{0}}\longrightarrow\"{o}Y B : S g Y 0 ⟶ o ¨ Y öbe
nonlinearöoperators.
öAssumeöthatötheöfollowingöconditionsöareösatisfied:
öA : X ⟶ o ¨ X ∗ o ¨ A:X\longrightarrow\"{o}X^{\ast\"{o}} A : X ⟶ o ¨ X ∗ o ¨ öisöaöpseudo-monotoneöoperator,öi.e.,
(i)
öA o ¨ A\"{o} A o ¨ öisöboundedöoperatoröand
2. (ii)
ötheöconditionsöu m ⇀ o ¨ X u 0 u_{m}\overset{X}{\rightharpoonup\"{o}}u_{0} u m ⇀ o ¨ X u 0 öand
limsup⟨ o ¨ A ( o ¨ u m ) o ¨ , o ¨ u m − u ⟩ o ¨ ≤ 0 o ¨ \left\langle\"{o}A\left(\"{o}u_{m}\right)\"{o},\text{\"{o}}u_{m}-u\right\rangle\"{o}\leq 0\"{o} ⟨ o ¨ A ( o ¨ u m ) o ¨ , o ¨ u m − u ⟩ o ¨ ≤ 0 o ¨ öimply
[TABLE]
2. 2)
öB : S g Y 0 ⟶ o ¨ Y B:S_{gY_{0}}\longrightarrow\"{o}Y B : S g Y 0 ⟶ o ¨ Y öisöweaklyöcompact.öFurthermore,
thereöexistsöaömappingöB 0 : X 0 ∩ o ¨ S g Y 0 ⟶ Y 2 ⊆ o ¨ Y B_{0}:X_{0}\cap\"{o}S_{gY_{0}}\longrightarrow Y_{2}\subseteq\"{o}Y B 0 : X 0 ∩ o ¨ S g Y 0 ⟶ Y 2 ⊆ o ¨ Y ösuchöthatöB 0 B_{0} B 0 öisöweaklyöcompactöfromöX 0 ∩ S g Y 0 X_{0}\cap S_{gY_{0}} X 0 ∩ S g Y 0 ötoöY 2 Y_{2} Y 2 öwhereöX 0 X_{0} X 0 öisöaöseparableötopologicalövectoröspace
whichöisödenseöinöX , X, X , öY ∗ o ¨ Y^{\ast\"{o}} Y ∗ o ¨ öandöS g Y 0 S_{gY_{0}} S g Y 0 öandöthereöexistsöa
continuousönondecreasingöfunctionöφ o ¨ : R + 1 ⟶ R + 1 , \varphi\"{o}:\mathbb{R}_{+}^{1}\longrightarrow\mathbb{R}_{+}^{1}, φ o ¨ : R + 1 ⟶ R + 1 , ösuchöthatöφ o ¨ ∈ o ¨ C 0 \varphi\"{o}\in\"{o}C^{0} φ o ¨ ∈ o ¨ C 0 öand
[TABLE]
3. 3)
öTheöoperatoröT : = A + B T:=A+B T := A + B öisöcoerciveöinötheögeneralizedösenseöonöX 0 , X_{0}, X 0 , öi.e.öforöeachöu ∈ o ¨ X 0 u\in\"{o}X_{0} u ∈ o ¨ X 0 öwithö∥ o ¨ u ∥ o ¨ X \left\|\"{o}u\right\|\"{o}_{X} ∥ o ¨ u ∥ o ¨ X ,ö[ u ] S g Y 0 ≥ o ¨ M [u]_{S_{gY_{0}}}\geq\"{o}M [ u ] S g Y 0 ≥ o ¨ M öweöhave
[TABLE]
whereöλ o ¨ 0 , \lambda\"{o}_{0}, λ o ¨ 0 , öλ o ¨ 1 ∈ o ¨ C 0 \lambda\"{o}_{1}\in\"{o}C^{0} λ o ¨ 1 ∈ o ¨ C 0 ösuchöthatöasöτ o ¨ ↗ ∞ o ¨ , \tau\"{o}\nearrow\infty\"{o}, τ o ¨ ↗ ∞ o ¨ , öλ o ¨ 0 ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ , \lambda\"{o}_{0}\left(\"{o}\tau\"{o}\right)\"{o}, λ o ¨ 0 ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ , öλ o ¨ 1 ( o ¨ τ ) o ¨ ↗ o ¨ ∞ o ¨ \lambda\"{o}_{1}\left(\"{o}\tau\right)\"{o}\nearrow\"{o}\infty\"{o} λ o ¨ 1 ( o ¨ τ ) o ¨ ↗ o ¨ ∞ o ¨ öandöM > 0 M>0 M > 0 öisösomeönumber.
Theorem 2.5
[ 24 ] [24] [ 24 ] öLetöconditionsö1)-3)öbeösatisfied.öThenötheöequation
[TABLE]
isösolvableöinöX ∩ o ¨ S g Y 0 X\cap\"{o}S_{gY_{0}} X ∩ o ¨ S g Y 0 öforöanyöy ∈ o ¨ X ∗ o ¨ + Y y\in\"{o}X^{\ast\"{o}}+Y y ∈ o ¨ X ∗ o ¨ + Y ösatisfying
[TABLE]
3 PreliminaryöResults
Inöthisösection,öweöstudyötheöfunctionöclassesöwhichöareödefined
inöSectionö2öthatöactuallyöisörequiredötoöinvestigateötheöproblem
(1.1).öFirst,öweöestablishösomeöintegralöinequalitiesötoörealize
theöstructureöofötheseöspaces.öAfterwards,öweöshowöthatöthese
spacesöareöcompleteömetricöspaces.öMoreover,öweöproveösomeölemmas
andötheoremsöonöcontinuousöandöcompactöembeddingöetc.öforöthese
spacesöandöalsoöindicateötheirörelationöwithötheöLebesgueöand
Sobolevöspacesöwithövariableöexponent.
3.1 SomeöIntegralöInequalities
Inöthisösubsection,öweöderiveösomeöinequalitiesöwhichöareögivenöasölemmas.
AsötheöproofsöofötheseölemmasöcanöbeöobtainedöeasilyöbyöusingöYoung’s,öHölderöinequalitiesöandöbyöcalculationsö(andöalsoöseeö[20,öLemmaö4.1])öhence,
weöskipötheöproofsöforötheösakeöoföbrevity.öThroughoutöthisösectionöwe
assumeöthatöΩ o ¨ ⊂ R n ( o ¨ n ≥ o ¨ 2 ) o ¨ \Omega\"{o}\subset\mathbb{R}^{n}\left(\"{o}n\geq\"{o}2\right)\"{o} Ω o ¨ ⊂ R n ( o ¨ n ≥ o ¨ 2 ) o ¨ öisöaöboundedödomainöwithöLipschitzöboundary.
Lemma 3.1
Letöζ o ¨ \zeta\"{o} ζ o ¨ ,öξ \xi ξ ö∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) \in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) öandöζ ( x ) o ¨ ≥ o ¨ ξ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ \zeta\left(x\right)\"{o}\geq\"{o}\xi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o} ζ ( x ) o ¨ ≥ o ¨ ξ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ öa.e.öx ∈ o ¨ Ω o ¨ . x\in\"{o}\Omega\"{o}. x ∈ o ¨ Ω o ¨ . öThenötheöinequality
[TABLE]
holds.
Lemma 3.2
Assumeöthatöζ o ¨ \zeta\"{o} ζ o ¨ ö∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) \in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) öandöthe
numbersöη \eta η öandöϵ \epsilon ϵ ösatisfyöη ≥ o ¨ 1 , \eta\geq\"{o}1, η ≥ o ¨ 1 , öϵ o ¨ > 0. \epsilon\"{o}>0. ϵ o ¨ > 0.
Thenöforöeveryöu ∈ L ζ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + ϵ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ u\in L^{\zeta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}+\epsilon\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} u ∈ L ζ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + ϵ o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
[TABLE]
isösatisfied.öHereöN 1 ≡ o ¨ N 1 ( o ¨ ϵ o ¨ , η o ¨ ) o ¨ > 0 N_{1}\equiv\"{o}N_{1}\left(\"{o}\epsilon\"{o},\eta\"{o}\right)\"{o}>0 N 1 ≡ o ¨ N 1 ( o ¨ ϵ o ¨ , η o ¨ ) o ¨ > 0 öandöN 2 ≡ o ¨ N 2 ( o ¨ ϵ o ¨ , η o ¨ , ∣ o ¨ Ω ∣ o ¨ ) o ¨ > 0 N_{2}\equiv\"{o}N_{2}\left(\"{o}\epsilon\"{o},\eta\"{o},\left|\"{o}\Omega\right|\"{o}\right)\"{o}>0 N 2 ≡ o ¨ N 2 ( o ¨ ϵ o ¨ , η o ¨ , ∣ o ¨ Ω ∣ o ¨ ) o ¨ > 0 öareöconstants.
Corollary 3.3
Letöζ o ¨ \zeta\"{o} ζ o ¨ ,öη o ¨ \eta\"{o} η o ¨ ö∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) \in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) .öThenöfor
ϵ > 0 , \epsilon>0, ϵ > 0 , ötheöinequality
[TABLE]
holds.öHereöN 3 ≡ o ¨ N 3 ( o ¨ ϵ o ¨ , o ¨ η + ) o ¨ > 0 N_{3}\equiv\"{o}N_{3}\left(\"{o}\epsilon\"{o},\text{\"{o}}\eta^{+}\right)\"{o}>0 N 3 ≡ o ¨ N 3 ( o ¨ ϵ o ¨ , o ¨ η + ) o ¨ > 0 öandöN 4 ≡ o ¨ N 4 ( o ¨ ϵ o ¨ , o ¨ η o ¨ + , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ ) o ¨ > 0 N_{4}\equiv\"{o}N_{4}\left(\"{o}\epsilon\"{o},\"{o}\eta\"{o}^{+},\left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o}\right)\"{o}>0 N 4 ≡ o ¨ N 4 ( o ¨ ϵ o ¨ , o ¨ η o ¨ + , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ ) o ¨ > 0 öareöconstants.
3.2 GeneralizedöNonlinearöSpacesöandöEmbedding
Theorems
Inöthisösection,öweöexamineötheöpropertiesöofötheöspacesöS 1 , γ o ¨ ( x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ öandötheiröconnectionöwithötheöknownöspaces.öInvestigatingömostöof
boundaryövalueöproblemsöonöitsöownöspaceöleadsötoöobtainöbetteröresults.
Henceforthöconsideredöproblemö(1.1)öisöinvestigatedöonöitsöownöspaceö(i.e.öS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ).öUnlikeölinearöboundaryövalueöproblems,ötheösets
generatedöbyönonlinearöproblemsöareösubsetsöofölinearöspaces,öbutönot
possessingötheölinearöstructureö[21-24].
Noteöthat,öfromönowöonöunlessöadditionalöconditionsöareöimposed,öallöthe
functionsöγ o ¨ , \gamma\"{o}, γ o ¨ , öβ o ¨ \beta\"{o} β o ¨ öandöθ o ¨ \theta\"{o} θ o ¨ öwillösatisfyötheöconditions
givenöinöPropositionö2.2.
Lemma 3.4
Letöu ∈ o ¨ u\in\"{o} u ∈ o ¨ öS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöλ o ¨ u : = [ u ] S γ , β o ¨ , θ o ¨ \lambda\"{o}_{u}:=[u]_{S_{\gamma,\beta\"{o},\theta\"{o}}} λ o ¨ u := [ u ] S γ , β o ¨ , θ o ¨ öthenötheöfollowingöinequality
[TABLE]
holds.
**Proof.**öForöu ∈ o ¨ u\in\"{o} u ∈ o ¨ öS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,
[TABLE]
[TABLE]
iföλ o ¨ u ≥ o ¨ 1 , \lambda\"{o}_{u}\geq\"{o}1, λ o ¨ u ≥ o ¨ 1 , öweöhave
[TABLE]
[TABLE]
fromötheödefinitionöofö[ . ] S γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ [.]_{S_{\gamma\"{o},\beta\"{o}},\theta\"{o}} [ . ] S γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ öandölast
inequality,öweöobtain
[TABLE]
Obviously,öifö0 < λ o ¨ u < 1 0<\lambda\"{o}_{u}<1 0 < λ o ¨ u < 1 öthenöℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ ( u ) o ¨ ≥ o ¨ λ o ¨ u θ o ¨ + . \Re\"{o}^{\gamma\"{o},\beta\"{o},\theta\"{o}}\left(u\right)\"{o}\geq\"{o}\lambda\"{o}_{u}^{\theta\"{o}^{+}}. ℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ ( u ) o ¨ ≥ o ¨ λ o ¨ u θ o ¨ + . öSimilarly,öweöcanöshowötheöother
sideöofötheöinequalityöthus,ötheöprooföisöcomplete.
Theorem 3.5
Assumeöthatöp o ¨ ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) p\"{o}\in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) p o ¨ ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) öandöp ( x ) o ¨ ≥ θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ p\left(x\right)\"{o}\geq\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o} p ( x ) o ¨ ≥ θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ öa.e.öx ∈ o ¨ Ω o ¨ . x\in\"{o}\Omega\"{o}. x ∈ o ¨ Ω o ¨ . öThen,öweöhaveötheöembedding
[TABLE]
**Proof.**öLetöu ∈ o ¨ W 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}W^{1,\text{\"{o}}p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ W 1 , o ¨ p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,
asöaöconsequenceöoföLemmaö3.4ötoöobtainötheöembeddingö(3.4)öitöis
sufficientötoöshowöthatöℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ ( u ) o ¨ \Re\"{o}^{\gamma\"{o},\beta\"{o},\theta\"{o}}\left(u\right)\"{o} ℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ ( u ) o ¨ öisöfiniteö(i.e.öℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ ( u ) o ¨ < ∞ \Re\"{o}^{\gamma\"{o},\beta\"{o},\theta\"{o}}\left(u\right)\"{o}<\infty ℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ o ¨ ( u ) o ¨ < ∞ )
[TABLE]
byöLemmaö3.1öandöusingöYoung’söinequalityöweöget
[TABLE]
estimatingötheöthirdöintegralöonötheörightösideöofötheölastöinequalityöby
usingöLemmaö3.1,öweöobtain
[TABLE]
thus,öweögetötheödesiredöresultöfromötheölastöinequalityöandö(2.2).
Iföp ( o ¨ x ) o ¨ = θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ p\left(\"{o}x\right)\"{o}=\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o} p ( o ¨ x ) o ¨ = θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ öa.e.öx ∈ o ¨ Ω , x\in\"{o}\Omega, x ∈ o ¨ Ω , öbyöusingötheösameöoperationsöasödoneöaboveöweöcanöobtainö(3.4).
öWeöomitötheöprooföofötheöfollowingölemmaöasöitöisöstraightforward.
Lemma 3.6
Letöγ o ¨ , \gamma\"{o}, γ o ¨ , öβ o ¨ : Ω o ¨ ⟶ o ¨ [ o ¨ 1 , o ¨ ∞ ) o ¨ \beta\"{o}:\Omega\"{o}\longrightarrow\"{o}\left[\"{o}1,\text{\"{o}}\infty\right)\"{o} β o ¨ : Ω o ¨ ⟶ o ¨ [ o ¨ 1 , o ¨ ∞ ) o ¨ öbeöfunctionsösatisfyingö1 ≤ o ¨ γ o ¨ − ≤ o ¨ γ o ¨ ( x ) o ¨ ≤ o ¨ γ o ¨ + < ∞ o ¨ 1\leq\"{o}\gamma\"{o}^{-}\leq\"{o}\gamma\"{o}\left(x\right)\"{o}\leq\"{o}\gamma\"{o}^{+}<\infty\"{o} 1 ≤ o ¨ γ o ¨ − ≤ o ¨ γ o ¨ ( x ) o ¨ ≤ o ¨ γ o ¨ + < ∞ o ¨ ,ö1 ≤ o ¨ β o ¨ − ≤ o ¨ β o ¨ ( x ) o ¨ ≤ o ¨ β o ¨ + < ∞ o ¨ 1\leq\"{o}\beta\"{o}^{-}\leq\"{o}\beta\"{o}\left(x\right)\"{o}\leq\"{o}\beta\"{o}^{+}<\infty\"{o} 1 ≤ o ¨ β o ¨ − ≤ o ¨ β o ¨ ( x ) o ¨ ≤ o ¨ β o ¨ + < ∞ o ¨ öa.e.öx ∈ o ¨ Ω o ¨ x\in\"{o}\Omega\"{o} x ∈ o ¨ Ω o ¨ öandöγ o ¨ , \gamma\"{o}, γ o ¨ , öβ ∈ o ¨ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ \beta\in\"{o}C^{1}\left(\"{o}\bar{\Omega}\right)\"{o} β ∈ o ¨ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ .öThenötheöfunctionöφ o ¨ : Ω × R ⟶ R , \varphi\"{o}:\Omega\times\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R}, φ o ¨ : Ω × R ⟶ R , öφ o ¨ ( o ¨ x , t ) o ¨ : = ∣ o ¨ t ∣ o ¨ γ ( o ¨ x ) o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ t \varphi\"{o}\left(\"{o}x,t\right)\"{o}:=\left|\"{o}t\right|\"{o}^{\frac{\gamma\left(\"{o}x\right)\"{o}}{\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}}t φ o ¨ ( o ¨ x , t ) o ¨ := ∣ o ¨ t ∣ o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ γ ( o ¨ x ) o ¨ t ösatisfiesötheöfollowing:
(i)
öForöeveryöfixedö x 0 ∈ o ¨ Ω o ¨ , x_{0}\in\"{o}\Omega\"{o}, x 0 ∈ o ¨ Ω o ¨ , ö φ o ¨ ( x 0 , . ) o ¨ : R ⟶ R \varphi\"{o}\left(x_{0},.\right)\"{o}:\mathbb{R}\longrightarrow\mathbb{R} φ o ¨ ( x 0 , . ) o ¨ : R ⟶ R öisöcontinuouslyödifferentiable;öhasöanöinverseöandöinverseöfunctionöis
alsoöcontinuouslyödifferentiable.
2. (ii)
öForöeveryöfixedö t 0 ∈ R − { o ¨ 0 } o ¨ , t_{0}\in\mathbb{R}-\left\{\"{o}0\right\}\"{o}, t 0 ∈ R − { o ¨ 0 } o ¨ , ö φ o ¨ \varphi\"{o} φ o ¨ öandö φ o ¨ − 1 \varphi\"{o}^{-1} φ o ¨ − 1 öisöcontinuousöonö Ω o ¨ , \Omega\"{o}, Ω o ¨ , öandöforö ∀ o ¨ i = 1 , n ‾ , \forall\"{o}i=\overline{1,n}, ∀ o ¨ i = 1 , n , öpartialöderivativesö φ x i ( o ¨ x , t 0 ) o ¨ , \varphi_{x_{i}}\left(\"{o}x,t_{0}\right)\"{o}, φ x i ( o ¨ x , t 0 ) o ¨ , ö φ o ¨ x i − 1 ( o ¨ x , t 0 ) \varphi\"{o}_{x_{i}}^{-1}\left(\"{o}x,t_{0}\right) φ o ¨ x i − 1 ( o ¨ x , t 0 ) öexistöandöareöcontinuous.
Definition 3.7
Letöη o ¨ \eta\"{o} η o ¨ ö∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) , \in\"{o}M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right), ∈ o ¨ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) , öweöintroduceöL 1 , o ¨ η o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) L^{1,\text{\"{o}}\eta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) L 1 , o ¨ η o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ,ötheötheöclassöoföfunctionsöu : Ω o ¨ → o ¨ R o ¨ u:\Omega\"{o}\rightarrow\"{o}\mathbb{R}\"{o} u : Ω o ¨ → o ¨ R o ¨
[TABLE]
Theorem 3.8
Letötheöfunctionsöγ o ¨ , \gamma\"{o}, γ o ¨ , öβ o ¨ \beta\"{o} β o ¨ öandöφ o ¨ \varphi\"{o} φ o ¨ ösatisfyöthe
conditionsöoföLemmaö3.6öandöL 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öbeötheöspaceögivenöinöDefinitionö3.7.
Then,öφ o ¨ \varphi\"{o} φ o ¨ öisöaöbijectiveömappingöbetweenöS 1 , γ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöL 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öwhereöψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ : = θ o ¨ ( x ) o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + β o ¨ ( x ) o ¨ . \psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}:=\frac{\theta\"{o}\left(x\right)\"{o}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}+\beta\"{o}\left(x\right)\"{o}}. ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ := γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + β o ¨ ( x ) o ¨ θ o ¨ ( x ) o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ .
**Proof.**öFirstöletöusöverifyöthatöforöeveryöu ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,
[TABLE]
toöshowöthis,öfromötheödefinitionöofötheöspacesöL 1 , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{1,\text{
}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L 1 , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöL ψ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , L^{\psi\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, L ψ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öitöisösufficientöto
proveöthatö∀ o ¨ i = 1 , n ‾ , \forall\"{o}i=\overline{1,n}, ∀ o ¨ i = 1 , n , öσ o ¨ β o ¨ ( D i v ) o ¨ \sigma\"{o}_{\beta\"{o}}\left(D_{i}v\right)\"{o} σ o ¨ β o ¨ ( D i v ) o ¨ öandöσ o ¨ ψ o ¨ ( o ¨ v ) o ¨ \sigma\"{o}_{\psi\"{o}}\left(\"{o}v\right)\"{o} σ o ¨ ψ o ¨ ( o ¨ v ) o ¨ öareöfinite.
As
[TABLE]
theöaboveöequationöensuresöthatöσ o ¨ ψ o ¨ ( o ¨ v ) o ¨ \sigma\"{o}_{\psi\"{o}}\left(\"{o}v\right)\"{o} σ o ¨ ψ o ¨ ( o ¨ v ) o ¨ öisöfinite.
öNowöforö∀ o ¨ i = 1 , n ‾ , \forall\"{o}i=\overline{1,n}, ∀ o ¨ i = 1 , n , öletöusöshowöthat
σ o ¨ β o ¨ ( o ¨ D i v ) o ¨ \sigma\"{o}_{\beta\"{o}}\left(\"{o}D_{i}v\right)\"{o} σ o ¨ β o ¨ ( o ¨ D i v ) o ¨ öisöfinite,
[TABLE]
estimatingötheöcorrespondingöcoefficientsöandörightöhandösideöoföabove
equationöbyöusingöCorollaryö3.3,öweöobtain
[TABLE]
hereöC 1 = C 1 ( o ¨ β o ¨ ± o ¨ , γ o ¨ + ) o ¨ , C_{1}=C_{1}\left(\"{o}\beta\"{o}^{\pm\"{o}},\gamma\"{o}^{+}\right)\"{o}, C 1 = C 1 ( o ¨ β o ¨ ± o ¨ , γ o ¨ + ) o ¨ , öC 2 = C 2 ( o ¨ β o ¨ ± o ¨ , γ o ¨ + , o ¨ ∥ o ¨ γ ∥ o ¨ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , ∥ o ¨ β o ¨ ∥ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , ε o ¨ 0 ) o ¨ C_{2}=C_{2}\left(\"{o}\beta\"{o}^{\pm\"{o}},\gamma\"{o}^{+},\text{\"{o}}\left\|\"{o}\gamma\right\|\"{o}_{C^{1}\left(\"{o}\bar{\Omega}\right)\"{o}},\left\|\"{o}\beta\"{o}\right\|_{C^{1}\left(\"{o}\bar{\Omega}\right)\"{o}},\varepsilon\"{o}_{0}\right)\"{o} C 2 = C 2 ( o ¨ β o ¨ ± o ¨ , γ o ¨ + , o ¨ ∥ o ¨ γ ∥ o ¨ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , ∥ o ¨ β o ¨ ∥ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , ε o ¨ 0 ) o ¨ öandöC 3 = C 3 ( o ¨ β o ¨ + , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ , ε 0 ) o ¨ > 0 C_{3}=C_{3}\left(\"{o}\beta\"{o}^{+},\left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o},\varepsilon_{0}\right)\"{o}>0 C 3 = C 3 ( o ¨ β o ¨ + , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ , ε 0 ) o ¨ > 0 öareöconstants.ö(ε o ¨ 0 > 0 , \varepsilon\"{o}_{0}>0, ε o ¨ 0 > 0 , öcomesöfromöthe
Propositionö2.2öwhichösatisfyöθ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ≥ o ¨ γ o ¨ ( x ) o ¨ + β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ 0 \theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}\geq\"{o}\gamma\"{o}\left(x\right)\"{o}+\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}+\varepsilon\"{o}_{0} θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ≥ o ¨ γ o ¨ ( x ) o ¨ + β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ 0 ).
ForöC 4 : = max o ¨ { o ¨ C 1 , C 2 } o ¨ , C_{4}:=\max\"{o}\left\{\"{o}C_{1},C_{2}\right\}\"{o}, C 4 := max o ¨ { o ¨ C 1 , C 2 } o ¨ , öweöhave
[TABLE]
sinceöu ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right),\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , ösoöweögetöthe
desiredöresultöbyö(3.5).
öNow,öconverselyöweöneedötoöshowöthatöforö∀ o ¨ v ∈ o ¨ L 1 , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \forall\"{o}v\in\"{o}L^{1,\text{
}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} ∀ o ¨ v ∈ o ¨ L 1 , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
[TABLE]
FromötheödefinitionöofötheöspaceöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ , S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right),\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}, S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ , öitöisösufficientötoöproveöℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ ( o ¨ w ) o ¨ \Re\"{o}^{\gamma\"{o},\beta\"{o},\theta}\left(\"{o}w\right)\"{o} ℜ o ¨ γ o ¨ , β o ¨ , θ ( o ¨ w ) o ¨ öisöfinite.öByöusingösimilaröprocessöandöresults
asömentionedöabove,öweöobtain
[TABLE]
hereöC 5 = C 5 ( o ¨ β o ¨ + ) o ¨ > 0 , C_{5}=C_{5}\left(\"{o}\beta\"{o}^{+}\right)\"{o}>0, C 5 = C 5 ( o ¨ β o ¨ + ) o ¨ > 0 , öC 6 = C 6 ( o ¨ β + , ε o ¨ 1 , ∥ o ¨ γ o ¨ ∥ o ¨ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , ∥ o ¨ β o ¨ ∥ o ¨ C 1 ( Ω ˉ ) o ¨ ) o ¨ > 0 C_{6}=C_{6}\left(\"{o}\beta^{+},\varepsilon\"{o}_{1},\left\|\"{o}\gamma\"{o}\right\|\"{o}_{C^{1}\left(\"{o}\bar{\Omega}\right)\"{o}},\left\|\"{o}\beta\"{o}\right\|\"{o}_{C^{1}\left(\bar{\Omega}\right)\"{o}}\right)\"{o}>0 C 6 = C 6 ( o ¨ β + , ε o ¨ 1 , ∥ o ¨ γ o ¨ ∥ o ¨ C 1 ( o ¨ Ω ˉ ) o ¨ , ∥ o ¨ β o ¨ ∥ o ¨ C 1 ( Ω ˉ ) o ¨ ) o ¨ > 0 öandöC 7 = C 7 ( o ¨ β + , ε o ¨ 1 , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ ) o ¨ > 0 C_{7}=C_{7}\left(\"{o}\beta^{+},\varepsilon\"{o}_{1},\left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o}\right)\"{o}>0 C 7 = C 7 ( o ¨ β + , ε o ¨ 1 , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ ) o ¨ > 0
areöconstants.ö
öSinceöv ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , v\in\"{o}L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, v ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öthusöw ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) w\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right),\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right) w ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) öbyö(3.6).
Toöendötheöproof,öitönowöremainsötoöverifyöthatöφ \varphi φ öis
bijective,öasöweöhaveöshownöinöLemmaö3.6öthatöforöfixedöx 0 ∈ Ω o ¨ x_{0}\in\Omega\"{o} x 0 ∈ Ω o ¨ ,öφ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ : = φ o ¨ ( x 0 , t ) \varphi\"{o}\left(\"{o}t\right)\"{o}:=\varphi\"{o}\left(x_{0},t\right) φ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ := φ o ¨ ( x 0 , t ) öandöφ o ¨ − 1 ( τ o ¨ ) o ¨ : = φ o ¨ − 1 ( o ¨ x 0 , τ o ¨ ) o ¨ \varphi\"{o}^{-1}\left(\tau\"{o}\right)\"{o}:=\varphi\"{o}^{-1}\left(\"{o}x_{0},\tau\"{o}\right)\"{o} φ o ¨ − 1 ( τ o ¨ ) o ¨ := φ o ¨ − 1 ( o ¨ x 0 , τ o ¨ ) o ¨ öareöstrictlyömonotoneöthenöforöeveryöv ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , v\in\"{o}L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, v ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öthereöexistsöanöunique
u ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ u\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o} u ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ösuchöthatöu = φ o ¨ − 1 ( o ¨ v ) o ¨ , u=\varphi\"{o}^{-1}\left(\"{o}v\right)\"{o}, u = φ o ¨ − 1 ( o ¨ v ) o ¨ , öandöforöeveryöu ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öthereöexistsöanöuniqueöv ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ v\in\"{o}L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} v ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ösuchöthatöv = φ o ¨ ( o ¨ u ) o ¨ v=\varphi\"{o}\left(\"{o}u\right)\"{o} v = φ o ¨ ( o ¨ u ) o ¨ ösoöthat
showsötheöbijectivityöoföφ \varphi φ .
öNow,öweögiveötwoöimportantöresultsöofötheöTheoremö3.8öwhichöhelpöus
toöunderstandötheötopologyöofötheöspaceöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
Corollary 3.9
*Letöβ o ¨ , \beta\"{o}, β o ¨ , öγ o ¨ \gamma\"{o} γ o ¨ öandöψ o ¨ \psi\"{o} ψ o ¨ ösatisfyötheöconditionsöof
Theoremö3.8,öthenö
öS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
isöaöcompleteömetricöspaceöwithötheömetricöwhichöisödefinedöbelow:
∀ o ¨ u , \forall\"{o}u, ∀ o ¨ u , öv ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ v\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(x\right),\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} v ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ *
[TABLE]
hereöφ o ¨ ( o ¨ x , t ) o ¨ = ∣ o ¨ t ∣ o ¨ γ ( o ¨ x ) o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ t \varphi\"{o}\left(\"{o}x,t\right)\"{o}=\left|\"{o}t\right|\"{o}^{\frac{\gamma\left(\"{o}x\right)\"{o}}{\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}}t φ o ¨ ( o ¨ x , t ) o ¨ = ∣ o ¨ t ∣ o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ γ ( o ¨ x ) o ¨ t öandöforöeveryöfixedöx ∈ Ω x\in\Omega x ∈ Ω ,öφ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ = ( o ¨ γ o ¨ ( x ) o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + 1 ) o ¨ ∣ o ¨ t ∣ o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ . \varphi\"{o}_{t}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}t\right)\"{o}=\left(\"{o}\frac{\gamma\"{o}\left(x\right)\"{o}}{\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}+1\right)\"{o}\left|\"{o}t\right|\"{o}^{\frac{\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}}. φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ = ( o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ γ o ¨ ( x ) o ¨ + 1 ) o ¨ ∣ o ¨ t ∣ o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ .
Corollary 3.10
UnderötheöconditionsöoföCorollaryö3.9,öφ o ¨ \varphi\"{o} φ o ¨ öisöa
homeomorphismöbetweenötheöspacesöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right),\beta\"{o}\left(x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöL 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
**Proof.**ö(Sketchöofötheöproof)öSinceöweöhaveöshowedöthatöφ o ¨ \varphi\"{o} φ o ¨ öisöa
bijectionöbetweenöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right),\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöL 1 , o ¨ β ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ , L^{1,\text{\"{o}}\beta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}, L 1 , o ¨ β ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ , öitöisösufficientötoöproveötheöcontinuityöoföφ o ¨ \varphi\"{o} φ o ¨ öas
wellöasöφ o ¨ − 1 \varphi\"{o}^{-1} φ o ¨ − 1 öinötheösenseöofötopologyöinducedöbyötheömetricöd S 1 ( o ¨ . , . ) o ¨ . d_{S_{1}}\left(\"{o}.,.\right)\"{o}. d S 1 ( o ¨ . , . ) o ¨ . öForöthis,öweöneedötoöshowöthatö
**(a)**öd S 1 ( o ¨ u m , u 0 ) o ¨ ⟶ o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ 0 ⇒ o ¨ φ o ¨ ( o ¨ u m ) o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ φ o ¨ ( o ¨ u 0 ) o ¨ d_{S_{1}}\left(\"{o}u_{m},u_{0}\right)\"{o}\underset{m\nearrow\"{o}\infty\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}0\Rightarrow\"{o}\varphi\"{o}\left(\"{o}u_{m}\right)\"{o}{\underset{m\nearrow\"{o}\infty\"{o}}{\overset{L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}}\varphi\"{o}\left(\"{o}u_{0}\right)\"{o}} d S 1 ( o ¨ u m , u 0 ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ ⟶ o ¨ 0 ⇒ o ¨ φ o ¨ ( o ¨ u m ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ φ o ¨ ( o ¨ u 0 ) o ¨ öforöeveryö
{ o ¨ u m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \left\{\"{o}u_{m}\right\}\"{o}_{m=1}^{\infty\"{o}}\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right),\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} { o ¨ u m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
whichöconvergesötoöu 0 u_{0} u 0 öandöö
**(b)**öv m ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ v 0 ⇒ o ¨ d S 1 ( o ¨ φ − 1 ( o ¨ v m ) o ¨ , φ o ¨ − 1 ( o ¨ v 0 ) o ¨ ) o ¨ ⟶ o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ 0 v_{m}{\underset{m\nearrow\"{o}\infty\"{o}}{\overset{L^{1,\text{\"{o}}\beta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}}}v_{0}\Rightarrow\"{o}d_{S_{1}}\left(\"{o}\varphi^{-1}\left(\"{o}v_{m}\right)\"{o},\varphi\"{o}^{-1}\left(\"{o}v_{0}\right)\"{o}\right)\"{o}\underset{m\nearrow\"{o}\infty\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}0 v m m ↗ o ¨ ∞ o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ v 0 ⇒ o ¨ d S 1 ( o ¨ φ − 1 ( o ¨ v m ) o ¨ , φ o ¨ − 1 ( o ¨ v 0 ) o ¨ ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ ⟶ o ¨ 0 öforöeveryö{ o ¨ v m } m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \left\{\"{o}v_{m}\right\}_{m=1}^{\infty\"{o}}\in\"{o}L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} { o ¨ v m } m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öwhich
convergesötoöv 0 . v_{0}. v 0 .
öSinceöforöeveryöv m v_{m} v m öandöv 0 v_{0} v 0 ,öthereöexistöuniqueöu m u_{m} u m
andöu 0 ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ u_{0}\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} u 0 ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ösuchöthatöφ o ¨ ( u m ) o ¨ = v m \varphi\"{o}\left(u_{m}\right)\"{o}=v_{m} φ o ¨ ( u m ) o ¨ = v m öandöφ o ¨ ( o ¨ u 0 ) o ¨ = v 0 , \varphi\"{o}\left(\"{o}u_{0}\right)\"{o}=v_{0}, φ o ¨ ( o ¨ u 0 ) o ¨ = v 0 , öthe
implicationö**(b)**öcanöbeöwrittenöequivalently,ö
φ o ¨ ( o ¨ u m ) o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ φ o ¨ ( u 0 ) o ¨ ⇒ o ¨ d S 1 ( o ¨ u m , u 0 ) o ¨ ⟶ o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ 0 \varphi\"{o}\left(\"{o}u_{m}\right)\"{o}{\underset{m\nearrow\"{o}\infty\"{o}}{\overset{L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}}\varphi\"{o}}\left(u_{0}\right)\"{o}\Rightarrow\"{o}d_{S_{1}}\left(\"{o}u_{m},u_{0}\right)\"{o}\underset{m\nearrow\"{o}\infty\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}0 φ o ¨ ( o ¨ u m ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ φ o ¨ ( u 0 ) o ¨ ⇒ o ¨ d S 1 ( o ¨ u m , u 0 ) o ¨ m ↗ o ¨ ∞ o ¨ ⟶ o ¨ 0 öforöeveryö{ u m } ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \left\{u_{m}\right\}\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} { u m } ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öwhich
convergesötoöu 0 . u_{0}. u 0 . öSinceötheöproofsöofö**(a)**öand
**(b)**öareösimilar,öweöonlyöprove
(b) :öLetöv 0 , v_{0}, v 0 , ö{ o ¨ v m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \left\{\"{o}v_{m}\right\}\"{o}_{m=1}^{\infty\"{o}}\in\"{o}L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} { o ¨ v m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöv m ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ v 0 ⇔ o ¨ φ o ¨ ( u m ) o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ φ o ¨ ( o ¨ u 0 ) o ¨ . v_{m}\overset{L^{1,\text{\"{o}}\beta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}}{{\longrightarrow\"{o}}}v_{0}\Leftrightarrow\"{o}\varphi\"{o}\left(u_{m}\right)\"{o}\overset{L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}}{{\longrightarrow\"{o}}}{\varphi\"{o}}\left(\"{o}u_{0}\right)\"{o}. v m ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ v 0 ⇔ o ¨ φ o ¨ ( u m ) o ¨ ⟶ o ¨ L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ φ o ¨ ( o ¨ u 0 ) o ¨ . ö
öTo
verifyöd S 1 ( o ¨ u m , u 0 ) o ¨ → o ¨ 0 , d_{S_{1}}\left(\"{o}u_{m},u_{0}\right)\"{o}\rightarrow\"{o}0, d S 1 ( o ¨ u m , u 0 ) o ¨ → o ¨ 0 , öby
definitionöoföd S 1 d_{S_{1}} d S 1 öitöisösufficientötoöestablishöthat
[TABLE]
asöm ↗ o ¨ ∞ o ¨ . m\nearrow\"{o}\infty\"{o}. m ↗ o ¨ ∞ o ¨ . öTheösecondöconvergenceöaboveöisöobviousöby
definitionöoföd S 1 d_{S_{1}} d S 1 öandötheöfirstöoneöcanöbeöprovedöby
applyingöTheoremö3.8öandöVitaliöconvergenceötheoremöbyövirtueöof
theöequivalenceö∥ o ¨ φ o ¨ t ′ o ¨ ( u m ) o ¨ D i u m − φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ u 0 ) D i u 0 ∥ o ¨ L β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ → o ¨ 0 o ¨ ⇔ o ¨ σ o ¨ β ( o ¨ φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ u m ) D i u m − φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ u 0 ) D i u 0 ) o ¨ → o ¨ 0 o ¨ \left\|\"{o}\varphi\"{o}_{t}^{\prime\"{o}}\left(u_{m}\right)\"{o}D_{i}u_{m}-\varphi\"{o}_{t}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}u_{0}\right)D_{i}u_{0}\right\|\"{o}_{L^{\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}}\rightarrow\"{o}0\text{\"{o}}\Leftrightarrow\"{o}\sigma\"{o}_{\beta}\left(\"{o}\varphi\"{o}_{t}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}u_{m}\right)D_{i}u_{m}-\varphi\"{o}_{t}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}u_{0}\right)D_{i}u_{0}\right)\"{o}\rightarrow\"{o}0\"{o} o ¨ φ o ¨ t ′ o ¨ ( u m ) o ¨ D i u m − φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ u 0 ) D i u 0 o ¨ L β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ → o ¨ 0 o ¨ ⇔ o ¨ σ o ¨ β ( o ¨ φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ u m ) D i u m − φ o ¨ t ′ o ¨ ( o ¨ u 0 ) D i u 0 ) o ¨ → o ¨ 0 o ¨ .
Theorem 3.11
SupposeöthatöconditionsöoföTheoremö3.8öareösatisfied.öLetöp ∈ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ p\in M_{0}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} p ∈ M 0 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöadditionallyöβ o ¨ \beta\"{o} β o ¨ ösatisfies
1 ≤ o ¨ β o ¨ − ≤ o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ < n , 1\leq\"{o}\beta\"{o}^{-}\leq\"{o}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}<n, 1 ≤ o ¨ β o ¨ − ≤ o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ < n , öx ∈ o ¨ Ω o ¨ x\in\"{o}\Omega\"{o} x ∈ o ¨ Ω o ¨ .
Assumeöthatöforöε o ¨ > 0 , \varepsilon\"{o}>0, ε o ¨ > 0 , ötheöinequality
[TABLE]
holds.öThenöweöhaveötheöcompactöembedding
[TABLE]
**Proof.**öFirst,öweöshowöthatöS 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\subset L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öafteröthatöweöprove
theöcompactnessöoföthisöembedding.
Foröeveryöu ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öbyöTheoremö3.8
[TABLE]
SinceöL 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ W 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) L^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\cap\"{o}L^{\psi\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\subset W^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) L 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ∩ o ¨ L ψ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ⊂ W 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) öandöthe
embeddingö[8]öW 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ⊂ o ¨ L β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) W^{1,\text{\"{o}}\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}\subset\"{o}L^{\beta\"{o}^{\ast\"{o}}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) W 1 , o ¨ β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ⊂ o ¨ L β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) öexistsöforöβ o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ = n β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ n − β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , \beta\"{o}^{\ast\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}=\frac{n\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{n-\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}, β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ = n − β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ n β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , ötherefore,öweögetöthatöv ∈ o ¨ L β ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) . v\in\"{o}L^{\beta^{\ast\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right). v ∈ o ¨ L β ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) . öSoöfromöthe
definitionöoföv v v öandötheöspaceöL β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{\beta\"{o}^{\ast\"{o}}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öwe
attain
[TABLE]
As,öbyötheöconditionsöofötheorem
[TABLE]
thus,öu ∈ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . u\in\"{o}L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. u ∈ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
öNow
letöusöproveöthatöthisöembeddingöisöcompact.ö
öLetö{ u m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ \left\{u_{m}\right\}\"{o}_{m=1}^{\infty\"{o}}\in\"{o}S_{1,\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right),\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o},\theta\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o} { u m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ∈ o ¨ S 1 , γ o ¨ ( o ¨ x ) , β o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ , θ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ öbeöboundedösequenceö(i.e.ö[ u m ] γ o ¨ , β , θ o ¨ < ∞ o ¨ , [u_{m}]_{\gamma\"{o},\beta,\theta\"{o}}<\infty\"{o}, [ u m ] γ o ¨ , β , θ o ¨ < ∞ o ¨ , ö∀ o ¨ m ≥ o ¨ 1 \forall\"{o}m\geq\"{o}1 ∀ o ¨ m ≥ o ¨ 1 ).
öFromöTheoremö3.8,öweöhave
[TABLE]
sinceöweöhaveötheöcompactöembeddingö[8]
[TABLE]
whereöq ( o ¨ x ) o ¨ < β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ − ε ~ , q\left(\"{o}x\right)\"{o}<\beta\"{o}^{\ast\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}-\tilde{\varepsilon}, q ( o ¨ x ) o ¨ < β o ¨ ∗ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ − ε ~ ,
x ∈ o ¨ Ω o ¨ x\in\"{o}\Omega\"{o} x ∈ o ¨ Ω o ¨ öandöε ~ ∈ o ¨ ( o ¨ 0 , n ′ o ¨ ) o ¨ \tilde{\varepsilon}\in\"{o}\left(\"{o}0,n^{\prime\"{o}}\right)\"{o} ε ~ ∈ o ¨ ( o ¨ 0 , n ′ o ¨ ) o ¨ ö(n ′ o ¨ = n n − 1 n^{\prime\"{o}}=\frac{n}{n-1} n ′ o ¨ = n − 1 n ).öThus,öthereöexistsöaösubsequenceö{ v m j } o ¨ ⊂ o ¨ { o ¨ v m } o ¨ , \left\{v_{m_{j}}\right\}\"{o}\subset\"{o}\left\{\"{o}v_{m}\right\}\"{o}, { v m j } o ¨ ⊂ o ¨ { o ¨ v m } o ¨ , ösuchöthat
[TABLE]
henceöbyö(3.7),öweöobtain
[TABLE]
asöfromöLemmaö3.6,öφ o ¨ − 1 ( x , τ o ¨ ) = ∣ o ¨ τ o ¨ ∣ o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + β o ¨ ( o ¨ x ) τ o ¨ \varphi\"{o}^{-1}(x,\tau\"{o})=\left|\"{o}\tau\"{o}\right|\"{o}^{\frac{\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{\gamma\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}+\beta\"{o}\left(\"{o}x\right)}}\tau\"{o} φ o ¨ − 1 ( x , τ o ¨ ) = ∣ o ¨ τ o ¨ ∣ o ¨ γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ + β o ¨ ( o ¨ x ) γ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ τ o ¨ öisöcontinuousö(withörespectötoöτ o ¨ \tau\"{o} τ o ¨ öandöx x x )ösoöweöhave
[TABLE]
Toöendötheöproof,öweöuseöLemmaö3.12‡‡‡Lemmaö3.12 öLetöΛ o ¨ \Lambda\"{o} Λ o ¨ öbeöaöfamilyöoförealöfunctions
definedöonöbounded
domainöΩ o ¨ . \Omega\"{o}. Ω o ¨ . öIföthereöisöanöincreasingöfunctionöΦ o ¨ : [ o ¨ 0 , o ¨ ∞ o ¨ ) o ¨ → o ¨ [ o ¨ 0 , o ¨ ∞ o ¨ ) o ¨ \Phi\"{o}:\left[\"{o}0,\text{\"{o}}\infty\"{o}\right)\"{o}\rightarrow\"{o}\left[\"{o}0,\text{\"{o}}\infty\"{o}\right)\"{o} Φ o ¨ : [ o ¨ 0 , o ¨ ∞ o ¨ ) o ¨ → o ¨ [ o ¨ 0 , o ¨ ∞ o ¨ ) o ¨ öthat
satisfies
lim t → o ¨ + ∞ o ¨ Φ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ = + ∞ \lim_{t\rightarrow\"{o}+\infty\"{o}}\Phi\"{o}\left(\"{o}t\right)\"{o}=+\infty lim t → o ¨ + ∞ o ¨ Φ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ = + ∞
andöthereöisöaöpositiveöconstantöL L L ösuchöthat
∫ Ω o ¨ ∣ o ¨ f α o ¨ ( o ¨ x ) ∣ o ¨ Φ ( o ¨ ∣ o ¨ f α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ∣ o ¨ ) o ¨ d x ≤ o ¨ L , o ¨ ∀ o ¨ f α o ¨ ∈ o ¨ Λ o ¨ , \int\limits_{\Omega\"{o}}\left|\"{o}f_{\alpha\"{o}}\left(\"{o}x\right)\right|\"{o}\Phi\left(\"{o}\left|\"{o}f_{\alpha\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}\right|\"{o}\right)\"{o}dx\leq\"{o}L,\text{\"{o}\ \ }\forall\"{o}f_{\alpha\"{o}}\in\"{o}\Lambda\"{o}, Ω o ¨ ∫ ∣ o ¨ f α o ¨ ( o ¨ x ) ∣ o ¨ Φ ( o ¨ ∣ o ¨ f α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ∣ o ¨ ) o ¨ d x ≤ o ¨ L , o ¨ ∀ o ¨ f α o ¨ ∈ o ¨ Λ o ¨ ,
thenöeveryöfunctionöinöΛ o ¨ \Lambda\"{o} Λ o ¨ öisöLebesgueöintegrable,öandöthe
functionsöfamilyöΛ o ¨ \Lambda\"{o} Λ o ¨ öpossessesöabsolutelyöequicontinuous
integralsöonöΩ o ¨ . \Omega\"{o}. Ω o ¨ . ö[16,öTheoremö7].
öDenoteöu 0 : = φ o ¨ − 1 ( o ¨ v 0 ) o ¨ u_{0}:=\varphi\"{o}^{-1}\left(\"{o}v_{0}\right)\"{o} u 0 := φ o ¨ − 1 ( o ¨ v 0 ) o ¨ öandötheöset
[TABLE]
andötheöfunction
[TABLE]
ClearlyöΦ o ¨ : [ 0 , ∞ o ¨ ) → o ¨ [ o ¨ 0 , ∞ o ¨ ) \Phi\"{o}:[0,\infty\"{o})\rightarrow\"{o}[\"{o}0,\infty\"{o}) Φ o ¨ : [ 0 , ∞ o ¨ ) → o ¨ [ o ¨ 0 , ∞ o ¨ ) öisöincreasingöandölim o ¨ t → o ¨ + ∞ o ¨ Φ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ = + ∞ o ¨ \underset{t\rightarrow\"{o}+\infty\"{o}}{\lim\"{o}}\Phi\"{o}\left(\"{o}t\right)\"{o}=+\infty\"{o} t → o ¨ + ∞ o ¨ lim o ¨ Φ o ¨ ( o ¨ t ) o ¨ = + ∞ o ¨
Furthermoreöforöeveryöf j ∈ o ¨ Λ o ¨ f_{j}\in\"{o}\Lambda\"{o} f j ∈ o ¨ Λ o ¨ öweöhave,
[TABLE]
[TABLE]
EstimatingötheölastöintegralöbyöusingöLemmaö3.1,öweöarriveöat
[TABLE]
usingötheöwellöknownöinequalityöforöabsoluteövalueöabove,öweöget
[TABLE]
Sinceöu 0 , { o ¨ u m j } o ¨ ⊂ o ¨ L p ( o ¨ x ) + ε o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ u_{0},\left\{\"{o}u_{m_{j}}\right\}\"{o}\subset\"{o}L^{p\left(\"{o}x\right)+\varepsilon\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} u 0 , { o ¨ u m j } o ¨ ⊂ o ¨ L p ( o ¨ x ) + ε o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öisöbounded,öfromö(3.8),öthereöexistsöa
numberöL > 0 L>0 L > 0 ösuchöthat
[TABLE]
hereöL = L ( o ¨ ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ , p + , ε o ¨ , ∥ u 0 ∥ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) , ∥ o ¨ u m j ∥ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ . L=L\left(\"{o}\left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o},p^{+},\varepsilon\"{o},\left\|u_{0}\right\|\"{o}_{L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}+\varepsilon\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)},\left\|\"{o}u_{m_{j}}\right\|\"{o}_{L^{p\left(\"{o}x\right)\"{o}+\varepsilon\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}}\right)\"{o}. L = L ( o ¨ ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ , p + , ε o ¨ , ∥ u 0 ∥ o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) , o ¨ u m j o ¨ L p ( o ¨ x ) o ¨ + ε o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ) o ¨ .
Consequentlyöbyö(3.9),öweöobtainöthatötheöfamilyöoföfunctions
Λ o ¨ \Lambda\"{o} Λ o ¨ öpossessesöabsolutelyöequicontinuousöintegralsöon
Ω o ¨ . \Omega\"{o}. Ω o ¨ . öHenceöusing
thisöandöu m j ⟶ o ¨ Ω o ¨ a . e . u 0 , o ¨ u_{m_{j}}\overset{a.e.}{\underset{\Omega\"{o}}{\longrightarrow\"{o}}}u_{0},\"{o} u m j Ω o ¨ ⟶ o ¨ a . e . u 0 , o ¨ öweöhaveö[16]
[TABLE]
thatöimpliesö∥ o ¨ u m j − u 0 ∥ o ¨ L p ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ → o ¨ 0 \left\|\"{o}u_{m_{j}}-u_{0}\right\|\"{o}_{L^{p\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}}{\rightarrow\"{o}}0 o ¨ u m j − u 0 o ¨ L p ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ → o ¨ 0 ,ösoötheöprooföis
complete.
4 ProoföoföTheöExistenceöTheorem
öTheöprooföisöbasedöonöTheoremö2.5.öWeöintroduceötheöfollowing
spacesöandömappingsöinöorderötoöapplyöTheoremö2.5ötoöproveöTheoremö2.4.
[TABLE]
[TABLE]
[TABLE]
[TABLE]
and
[TABLE]
[TABLE]
[TABLE]
WeöshowöthatöallötheöconditionsöoföTheoremö2.5öareösatisfiedöby
provingösomeölemmas.öThenöbasedöonötheseölemmas,öweöestablishöthe
prooföoföTheoremö2.4.
Lemma 4.1
UnderötheöconditionsöoföTheoremö2.4,ötheöoperatoröT T T ödefinedöbyö(4.3)öis
coerciveöinötheögeneralizedösenseöonöX 0 . X_{0}. X 0 .
**Proof.**öForöeveryöu ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ∩ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\cap\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap L^{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) ∩ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ∩ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öweöhave
[TABLE]
[TABLE]
Iföweötakeöaccountötheöconditionö*(U2)*öintoötheöthird
integralöofö(4.4)öandöapplyötheöfollowingösimpleöcalculated
inequality
[TABLE]
weöget,
[TABLE]
hereöC 8 = C 8 ( o ¨ n , C ~ ) o ¨ > 0 C_{8}=C_{8}\left(\"{o}n,\tilde{C}\right)\"{o}>0 C 8 = C 8 ( o ¨ n , C ~ ) o ¨ > 0 öandöC 9 = C_{9}= C 9 =
C 9 ( o ¨ n , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ , C ~ ) o ¨ > 0 C_{9}\left(\"{o}n,\left|\"{o}\Omega\"{o}\right|\"{o},\tilde{C}\right)\"{o}>0 C 9 ( o ¨ n , ∣ o ¨ Ω o ¨ ∣ o ¨ , C ~ ) o ¨ > 0
areöconstants.
öApplyingöLemmaö3.4ötoöestimateöthe
right-handösideöofötheöinequalityö(4.6),öweöobtain
[TABLE]
byötheödefinitionsöoföo ¨ [ . ] S q 0 ( o ¨ p 0 − 2 ) , q 0 , α o ¨ \"{o}[.]_{S_{q_{0}\left(\"{o}p_{0}-2\right),q_{0},\alpha\"{o}}} o ¨ [ . ] S q 0 ( o ¨ p 0 − 2 ) , q 0 , α o ¨ öandö∥ o ¨ . ∥ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) . \left\|\"{o}.\right\|\"{o}_{W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)}. ∥ o ¨ . ∥ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) . ö
öSinceöq 0 − + 1 > 2 q_{0}^{-}+1>2 q 0 − + 1 > 2 öandöp 1 − > 1 p_{1}^{-}>1 p 1 − > 1 öthus,öλ o ¨ 0 ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ = τ o ¨ q 0 − \lambda\"{o}_{0}\left(\"{o}\tau\"{o}\right)\"{o}=\tau\"{o}^{q_{0}^{-}} λ o ¨ 0 ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ = τ o ¨ q 0 − öandöλ o ¨ 1 ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ = τ o ¨ p 1 − − 1 \lambda\"{o}_{1}\left(\"{o}\tau\"{o}\right)\"{o}=\tau\"{o}^{p_{1}^{-}-1} λ o ¨ 1 ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ = τ o ¨ p 1 − − 1 ötendsöto
infinityöwhenöτ o ¨ ↗ o ¨ ∞ o ¨ , \tau\"{o}\nearrow\"{o}\infty\"{o}, τ o ¨ ↗ o ¨ ∞ o ¨ , ö(seeöTheoremö2.5)ösoöthat
meansöoperatoröT T T öisöcoerciveöinötheögeneralizedösenseöon
X 0 . X_{0}. X 0 .
Lemma 4.2
UnderötheöconditionsöoföTheoremö2.4,ötheöoperatoröA A A öisömonotone
andöboundedöfrom
W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öintoöW − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
**Proof.**öFirstöweöproveöthatöA : A: A : öW 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ö→ o ¨ W − 1 , o ¨ q 1 ( x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ \rightarrow\"{o}W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o} → o ¨ W − 1 , o ¨ q 1 ( x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ öisöbounded.öForöthis,öitöisösufficientötoöinvestigateötheödualöformö⟨ o ¨ A ( o ¨ u ) o ¨ , v ⟩ o ¨ \langle\"{o}A\left(\"{o}u\right)\"{o},v\rangle\"{o} ⟨ o ¨ A ( o ¨ u ) o ¨ , v ⟩ o ¨ öforöeveryöv ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , v\in\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, v ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ,
[TABLE]
usingötheögeneralizedöHölderöinequalityötoötheörightöhandösideöoföthe
aboveöequation,öweöget
[TABLE]
Thusöbyö(4.8)öweödemonstrateötheöboundednessöoföA A A öfrom
W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öto
W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
öNowöletöusöshowöthatöA : A: A : öW 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ö→ o ¨ W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \rightarrow\"{o}W^{-1,\text{\"{o}}q_{1}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} → o ¨ W − 1 , o ¨ q 1 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öisöaömonotoneöoperator.
Indeedöforöeveryöu , u, u , öv ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ v\in\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{1}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o} v ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 1 ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ öweöhave,
[TABLE]
Sinceötheöinequalityöo ¨ ( o ¨ ∣ o ¨ a ∣ p − 2 a − ∣ b ∣ o ¨ p − 2 b ) ⋅ ( o ¨ a − b ) ≥ o ¨ 0 o ¨ \"{o}\left(\"{o}\left|\"{o}a\right|^{p-2}a-\left|b\right|\"{o}^{p-2}b\right)\cdot\left(\"{o}a-b\right)\geq\"{o}0\"{o} o ¨ ( o ¨ ∣ o ¨ a ∣ p − 2 a − ∣ b ∣ o ¨ p − 2 b ) ⋅ ( o ¨ a − b ) ≥ o ¨ 0 o ¨ öisövalidöforö1 < o ¨ p < ∞ , 1<\"{o}p<\infty, 1 < o ¨ p < ∞ , öa , a, a , öb ∈ o ¨ R n b\in\"{o}\mathbb{R}^{n} b ∈ o ¨ R n öfromötheölastöequality,öweöattain
[TABLE]
whichöcompletesötheöproof.ö§§§Here,öweönoteöthatösinceöA A A öisömonotoneöandöhemicontinuousöthen
itöisöpseudo-monotoneö[25].
Lemma 4.3
UnderötheöconditionsöoföTheoremö2.4,öB B B öisöaöboundedöoperatoröfromöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right),q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öintoöW − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+L^{\alpha^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
**Proof.**öSinceöB = B 1 + B 2 , B=B_{1}+B_{2}, B = B 1 + B 2 , öweöshallöshowöthatöbothöB 1 B_{1} B 1 öandöB 2 B_{2} B 2 öare
bounded.
FirstöletöusöverifyöB 2 : B_{2}: B 2 : öS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ö→ o ¨ W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ \rightarrow\"{o}W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o} → o ¨ W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ öisöbounded:
AsöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ⊂ o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}\subset\"{o}L^{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ ⊂ o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öitöis
sufficientötoöshowötheöboundednessöoföB 2 , B_{2}, B 2 , öfromöL α o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{\alpha\"{o}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L α o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ötoöL α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
Foröeveryöu ∈ o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ u\in\"{o}L^{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} u ∈ o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
[TABLE]
hereötakingötheöconditionsöoföTheoremö2.4öintoöaccountöand
estimatingötheöaboveöintegral,öweöobtain
[TABLE]
Soöfromö(4.9),öweöarriveöatöB 2 B_{2} B 2 öisöbounded.
NowöletöusöproveöthatöB 1 : B_{1}: B 1 : öS ˚ 1 , q 0 ( x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \mathring{S}_{1,q_{0}\left(x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S ˚ 1 , q 0 ( x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
→ o ¨ W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ \rightarrow\"{o}W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o}+L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\right)\"{o} → o ¨ W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω ) o ¨ öisöbounded:ö∀ o ¨ i = 1 , n ‾ , \forall\"{o}i=\overline{1,n}, ∀ o ¨ i = 1 , n , ödenote
b i ( o ¨ x ) o ¨ : = ∣ o ¨ u ∣ o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ∣ o ¨ D i u ( o ¨ x ) o ¨ ∣ o ¨ , b_{i}\left(\"{o}x\right)\"{o}:=\left|\"{o}u\right|\"{o}^{p_{0}\left(x\right)\"{o}-2}\left|\"{o}D_{i}u\left(\"{o}x\right)\"{o}\right|\"{o}, b i ( o ¨ x ) o ¨ := ∣ o ¨ u ∣ o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ∣ o ¨ D i u ( o ¨ x ) o ¨ ∣ o ¨ , öforöeveryöv ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) v\in\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) v ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ )
[TABLE]
applyingötheögeneralizedöHölderöinequalityötoötheörightöhandösideöoföthe
aboveöequation,öweöarriveöat
[TABLE]
Sinceöu ∈ o ¨ S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , u\in\"{o}\mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}, u ∈ o ¨ S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ , öfromö(2.3)öandöthe
definitionöofötheöfunctionsöb i ( o ¨ x ) b_{i}\left(\"{o}x\right) b i ( o ¨ x ) ,öobviously
∑ i = 1 n ∥ o ¨ b i ∥ o ¨ L q 0 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ < ∞ o ¨ . \sum\limits_{i=1}^{n}\left\|\"{o}b_{i}\right\|\"{o}_{L^{q_{0}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}}<\infty\"{o}. i = 1 ∑ n ∥ o ¨ b i ∥ o ¨ L q 0 ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ < ∞ o ¨ . öThusöweöverifyöthat
B 1 B_{1} B 1 öisöbounded.ö
Consequently,öweöproveöthatöB B B öisöaöboundedöoperatoröfromöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ötoöW − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
Lemma 4.4
UnderötheöconditionsöoföTheoremö2.4,öB B B öisöaöweaklyöcompactöoperatoröfromöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right),q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öintoöW − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+L^{\alpha^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α ′ o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
**Proof.**öSinceöB = B 1 + B 2 , B=B_{1}+B_{2}, B = B 1 + B 2 , öweöshallöshowöthatöbothöB 1 B_{1} B 1 öandöB 2 B_{2} B 2
areöweaklyöcompact.ö
öFirstöweöshowötheöweaköcompactnessöof
B 1 : B_{1}: B 1 : öLetö{ o ¨ u m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ , \left\{\"{o}u_{m}\right\}\"{o}_{m=1}^{\infty\"{o}}, { o ¨ u m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ , öu 0 u_{0} u 0
∈ o ¨ S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \in\"{o}\mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\Omega\"{o}\right)\"{o}\cap\"{o}L^{\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} ∈ o ¨ S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( Ω o ¨ ) o ¨ ∩ o ¨ L α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öandöu m ⇀ o ¨ S g Y 0 u 0 . u_{m}\overset{S_{gY_{0}}}{\rightharpoonup\"{o}}u_{0}. u m ⇀ o ¨ S g Y 0 u 0 . öByöTheoremö3.8öweöhave
[TABLE]
Asöq 0 − > 1 q_{0}^{-}>1 q 0 − > 1 öthatöimpliesöW 0 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öisöaöreflexiveöspaceöthus,
thereöexistsöaösubsequenceö{ o ¨ w m j } o ¨ j = 1 ∞ o ¨ \left\{\"{o}w_{m_{j}}\right\}\"{o}_{j=1}^{\infty\"{o}} { o ¨ w m j } o ¨ j = 1 ∞ o ¨ öofö{ o ¨ w m } o ¨ \left\{\"{o}w_{m}\right\}\"{o} { o ¨ w m } o ¨ ösuchöthat
[TABLE]
Letöusöverifyöξ o ¨ = ∣ o ¨ u 0 ∣ o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 u 0 \xi\"{o}=\left|\"{o}u_{0}\right|\"{o}^{p_{0}\left(x\right)\"{o}-2}u_{0} ξ o ¨ = ∣ o ¨ u 0 ∣ o ¨ p 0 ( x ) o ¨ − 2 u 0 .öSinceöW 0 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ↪ o ¨ L q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ W_{0}^{1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}\hookrightarrow\"{o}L^{q_{0}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} W 0 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ↪ o ¨ L q 0 ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öthereforeöthereöexistöaösubsequence
{ o ¨ w m j k } o ¨ ⊂ o ¨ { o ¨ w m j } o ¨ \left\{\"{o}w_{m_{j_{k}}}\right\}\"{o}\subset\"{o}\left\{\"{o}w_{m_{j}}\right\}\"{o} { o ¨ w m j k } o ¨ ⊂ o ¨ { o ¨ w m j } o ¨
(denote
thisösubsequenceöbyöw m j w_{m_{j}} w m j öinöorderötoöavoidönotationöconfusion)ösuchöthat
[TABLE]
hence
[TABLE]
asöfromöLemmaö3.6,öφ o ¨ − 1 ( x , τ o ¨ ) = ∣ o ¨ τ o ¨ ∣ o ¨ − p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 1 τ o ¨ \varphi\"{o}^{-1}(x,\tau\"{o})=\left|\"{o}\tau\"{o}\right|\"{o}^{-\frac{p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2}{p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-1}}\tau\"{o} φ o ¨ − 1 ( x , τ o ¨ ) = ∣ o ¨ τ o ¨ ∣ o ¨ − p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 1 p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 τ o ¨ öisöcontinuous
(withörespectötoöτ o ¨ \tau\"{o} τ o ¨ öandöx x x )ösoöusingö(4.10)öweöobtain
[TABLE]
henceöbyö(4.11),öweöarriveöatöφ o ¨ − 1 ( ξ o ¨ ) = u 0 \varphi\"{o}^{-1}(\xi\"{o})=u_{0} φ o ¨ − 1 ( ξ o ¨ ) = u 0 ,öequivalentlyöξ o ¨ = ∣ o ¨ u 0 ∣ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 u 0 . \xi\"{o}=\left|\"{o}u_{0}\right|\"{o}^{p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2}u_{0}. ξ o ¨ = ∣ o ¨ u 0 ∣ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 u 0 .
Toöverifyötheöweaköcompactnessöof
B 1 B_{1} B 1 ,öweömustöshowöthatöforöarbitraryöv ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ v\in\"{o}W_{0}^{1,\text{\"{o}}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} v ∈ o ¨ W 0 1 , o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨
[TABLE]
ByötheödefinitionöoföoperatoröB 1 , B_{1}, B 1 ,
[TABLE]
UsingöLemmaö3.6öandöchainöruleöweöhaveötheöfollowingöequality
[TABLE]
iföweöinsertötheöequalityö(4.13)öintoö(4.12),öweöobtain
[TABLE]
Letöusödenoteötheöfirstösumöinö(4.14)öbyöI 1 I_{1} I 1 öandötheösecondöoneöbyöI 2 o ¨ I_{2}\"{o} I 2 o ¨ öi.e.
[TABLE]
iföweöuseötheösameömanneröinö[20,öLemmaö3.3]öandöpassötoötheölimitöinöI 1 , o ¨ I_{1},\"{o} I 1 , o ¨ öweöobtain
[TABLE]
ConsideringöLemmaö3.2ötogetheröwithöTheoremö3.11öandöcontinuityöof
theöfunctionö∣ o ¨ t ∣ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) − 2 t ln o ¨ ∣ o ¨ t ∣ o ¨ \left|\"{o}t\right|\"{o}^{p_{0}\left(\"{o}x\right)-2}t\ln\"{o}\left|\"{o}t\right|\"{o} ∣ o ¨ t ∣ o ¨ p 0 ( o ¨ x ) − 2 t ln o ¨ ∣ o ¨ t ∣ o ¨ öwithörespectötoöt t t öandöpassöto
theölimitöinöI 2 I_{2} I 2 ,öwe
obtain
[TABLE]
Henceöfromö(4.15)öandö(4.16),öweöhave
[TABLE]
Therefore,öweöproveötheöweaköcompactnessöoföB 1 B_{1} B 1 öfromöS ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ \mathring{S}_{1,q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}\left(\"{o}p_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}-2\right)\"{o},q_{0}\left(x\right)\"{o},\alpha\"{o}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} S ˚ 1 , q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ p 0 ( o ¨ x ) o ¨ − 2 ) o ¨ , q 0 ( x ) o ¨ , α o ¨ ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ ötoöW − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}+L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ q 0 ( o ¨ x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ + L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ .
NowöweöproveötheöweaköcompactnessöoföB 2 . B_{2}. B 2 . öAsö( o ¨ α ′ o ¨ ) o ¨ − > 1 , \left(\"{o}\alpha^{\prime\"{o}}\right)\"{o}^{-}>1, ( o ¨ α ′ o ¨ ) o ¨ − > 1 , öL α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(\"{o}x\right)}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o} L α o ¨ ′ o ¨ ( o ¨ x ) ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ öisöaöreflexiveöspaceöandö{ B 2 ( o ¨ u m ) o ¨ } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ : = { o ¨ η m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ⊂ o ¨ L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) \left\{B_{2}\left(\"{o}u_{m}\right)\"{o}\right\}\"{o}_{m=1}^{\infty\"{o}}:=\left\{\"{o}\eta_{m}\right\}\"{o}_{m=1}^{\infty\"{o}}\subset\"{o}L^{\alpha\"{o}^{\prime\"{o}}\left(x\right)\"{o}}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right) { B 2 ( o ¨ u m ) o ¨ } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ := { o ¨ η m } o ¨ m = 1 ∞ o ¨ ⊂ o ¨ L α o ¨ ′ o ¨ ( x ) o ¨ ( o ¨ Ω o ¨ ) öisöboundedö(see,öLemmaö4.3),öthen
thereöexistsöaösubsequenceö{ o ¨ η o ¨ m j } o ¨ ⊂ { o ¨ η o ¨ m } \left\{\"{o}\eta\"{o}_{m_{j}}\right\}\"{o}\subset\left\{\"{o}\eta\"{o}_{m}\right\} { o ¨ η o ¨ m j } o ¨ ⊂ { o ¨ η o ¨ m } ösuchöthat
[TABLE]
ByöTheoremö3.11,ötheöembedding
[TABLE]
isöcompactöforös ( o ¨ . ) o ¨ s\left(\"{o}.\right)\"{o} s ( o ¨ . ) o ¨ öwhichösatisfiesötheöinequalityös ( o ¨ x ) o ¨ < n p 0 ( o ¨ x ) o ¨ n − q 0 ( o ¨ x ) o ¨ , s\left(\"{o}x\right)\"{o}<\frac{np_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}{n-q_{0}\left(\"{o}x\right)\"{o}}, s ( o ¨ x ) o ¨ < n − q 0 ( o ¨ x ) o ¨ n p 0 ( o ¨ x ) o ¨ , öx ∈ o ¨ Ω o ¨ . x\in\"{o}\Omega\"{o}. x ∈ o ¨ Ω o ¨ .
Thus,öbyö(4.17)öthereöexistsöaösubsequenceö{ o ¨ u m j k } ⊂ o ¨ { o ¨ u m j } o ¨ \left\{\"{o}u_{m_{j_{k}}}\right\}\subset\"{o}\left\{\"{o}u_{m_{j}}\right\}\"{o} { o ¨ u m j k } ⊂ o ¨ { o ¨ u m j } o ¨ ö(letöusödenoteöthisösubsequenceöbyöu m j u_{m_{j}} u m j öinöorderötoöavoidönotationöconfusion.)ösuchöthat
[TABLE]
so
[TABLE]
Sinceötheöfunctionöc ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ c\left(\"{o}x,\tau\"{o}\right)\"{o} c ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ öisöcontinuousöwithörespectöto
variableöτ o ¨ \tau\"{o} τ o ¨ ö(c ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ c\left(\"{o}x,\tau\"{o}\right)\"{o} c ( o ¨ x , τ o ¨ ) o ¨ öisöCarathèdoryöfunction),
byö(4.18)
[TABLE]
Therefore,öfromö(4.19)öweöobtainöthatöψ o ¨ = B 2 ( o ¨ u 0 ) o ¨ . \psi\"{o}=B_{2}\left(\"{o}u_{0}\right)\"{o}. ψ o ¨ = B 2 ( o ¨ u 0 ) o ¨ .
Finally,öweöarriveöat
[TABLE]
whichöimpliesöthat
[TABLE]
So,öfromö(4.20)öweöobtainötheöweaköcompactnessöoföB 2 B_{2} B 2 öwhichöprovides,öas
aöresult,ötheöweaköcompactnessöofötheöoperatoröB . B. B .
öItönowöremainsötoödefineötheöcorrespondingöoperatorsöforöB B B öinöconditionö”2)”öoföTheorem
2.5ötoöapplyöthisötheoremötoötheöproblemö(1.1).
öSinceöB = B 1 + B 2 , B=B_{1}+B_{2}, B = B 1 + B 2 , öaccordingötoöconditionö”2)”öweödefine
correspondingöB 01 B_{01} B 01 öwithöregardötoöB 1 B_{1} B 1 öandöcorresponding
B 02 B_{02} B 02
withöregardötoöB 2 B_{2} B 2 öasöbelow:
[TABLE]
and
[TABLE]
Noteöthatöhereöc ( o ¨ x , τ ) τ > 0 c\left(\"{o}x,\tau\right)\tau>0 c ( o ¨ x , τ ) τ > 0 öbyötheöcondition
(U2) .
ByötheösameöargumentsöwhichöareöusedöinötheöprooföoföLemmaö4.3öto
establishötheöboundednessöofötheöoperatorsöB 1 B_{1} B 1 öandöB 2 , B_{2}, B 2 , öwe
canöshowöthatötheöoperatorsöB 01 B_{01} B 01 öandöB 02 B_{02} B 02 öareöbounded
betweenötheöspaces
whichöareöintroducedöbelow:
[TABLE]
and
[TABLE]
öHere,öweöhaveötoöproveötheöweaköcompactnessöoföB 01 B_{01} B 01
andöB 02 B_{02} B 02 ötoöshowöthatöconditionö”2)”öinöTheoremö2.5öis
satisfied.
Byöusingötheösimilarömanneröwhichöhasöbeenöestablishedöinöthe
prooföoföLemmaö4.4öandöbyötheödefinitionöofötheöfunctionals
correspondingötoöoperatorsöB 01 B_{01} B 01 öandöB 02 B_{02} B 02 ö(seeö(4.21),
(4.22)),öfollowingölemmasöcanöbeöprovedöstraightforwardly,ösoöwe
omitötheöproofsöoföthem.
Lemma 4.5
UnderötheöconditionsöoföTheoremö2.4,öB 01 B_{01} B 01 öisöweaklyöcompactöoperator
fromöX 0 X_{0} X 0 öintoöW − 1 , o ¨ 2 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . W^{-1,\text{\"{o}}2}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. W − 1 , o ¨ 2 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . öMoreoveröforöthe
functionöμ o ¨ ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ = τ o ¨ 2 \mu\"{o}\left(\"{o}\tau\"{o}\right)\"{o}=\tau\"{o}^{2} μ o ¨ ( o ¨ τ o ¨ ) o ¨ = τ o ¨ 2 öandöforöeveryöu ∈ o ¨ X 0 , u\in\"{o}X_{0}, u ∈ o ¨ X 0 ,
theöequality
[TABLE]
holds.
Lemma 4.6
UnderötheöconditionsöoföTheoremö2.4,öB 02 B_{02} B 02 öisöweaklyöcompactöoperator
fromöX 0 X_{0} X 0 öintoöL 2 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . L^{2}\left(\"{o}\Omega\"{o}\right)\"{o}. L 2 ( o ¨ Ω o ¨ ) o ¨ . öMoreoveröforöeveryöu ∈ X 0 , u\in X_{0}, u ∈ X 0 , ötheöequality
[TABLE]
holds.
öNowöweöcanögiveötheöprooföoföTheoremö2.4.
**Proof.ö (ProoföoföTheoremö2.4)**öInöLemmasö4.1-4.6,öweöshowöthat
allötheöconditionsöoföTheoremö2.5öareösatisfiedöforöproblemö(1.1)
underötheöconditionsöoföTheoremö2.4.öConsequently,öweöestablish
thatöTheoremö2.5öcanöbeöappliedötoötheöproblemö(1.1).öHenceöusing
thisötheorem,öweöobtainötheöexistenceöoföaöweakösolutionöof
problemö(1.1)öinötheösenseöoföDefinitionö2.3.