\documentstyle{SibMatJ} % \TestXML \Rus \topmatter \Author Chechkina \Initial A. \Initial G. \Gender she \ORCID 0000-0002-8529-9296 \Email chechkina\@gmail.com %\Email sasha.chechkina\@yandex.ru \AffilRef 1 \endAuthor \Affil 1 \Organization Lomonosov Moscow State University \City Moscow \Country Russia \endAffil \opages ???--??? \endopages \datesubmitted January 26, 2026\enddatesubmitted %\daterevised January 26, 2026\enddaterevised \dateaccepted February 12, 2026\enddateaccepted \UDclass 517.956.2 \endUDclass %\dedication %\? находится в \acknowledgments %\enddedication \title Об~оценке спектральной функции задачи Зарембы для дивергентного эллиптического уравнения с~измеримыми коэффициентами \endtitle \abstract Рассматривается задача Зарембы для дивергентного равномерно эллиптического оператора с измеримыми коэффициентами. Найдена оценка спектральной функции. \endabstract \keywords задача Зарембы, эллиптический оператор, спектральная функция \endkeywords \endtopmatter \head 1. Введение \endhead Настоящая работа посвящена оценке спектральной функции для дивергентного эллиптического оператора с измеримыми коэффициентами однородной задачи Зарембы, рассматриваемой в ограниченной строго липшицевой области $D \subset {\Bbb R} ^{n}$, $n\ge2$. Напомним, что область $D$ называется {\it строго липшицевой}, если для каждой точки $x_0\in\partial D$ существует открытый куб $Q$ с центром в $x_0$, грани которого параллельны координатным осям, длина ребра не зависит от $x_0$ и в некоторой декартовой системе координат с началом в $x_0$ множество $Q\cap\partial D$ есть график липшицевой функции %$x_n=g(x_1, \dots, x_{n-1})$ с постоянной Липшица, не зависящей от $x_0$. Для постановки задачи Зарембы введем соболевское пространство функций $W^1_2(D,F)$. Здесь $F\subset \partial D$ --- замкнутое множество, $W^1_2(D,F)$ --- пополнение множества бесконечно дифференцируемых в замыкании $D$ функций, равных нулю в окрестности $F$, по норме пространства $W^1_2(D)$ $$ \|v\|_{W^{1}_2(D,F)}=\biggl (\ \int\limits_{D} |v|^2\,dx+\int\limits_{D}|\nabla v|^2\,dx\biggr )^{1/2}. $$ Априори для функций $v\in W^1_2(D,F)$ требуется выполнение неравенства Фридрихса $$ \int\limits_D |v|^2\,dx\le C\int\limits_D |\nabla v|^2\, dx. \tag1 $$ Приведем необходимое и достаточное условие на множество $F\subset\partial D$, гарантирующее выполнение неравенства \Tag(1). Для этого нам потребуется понятие емкости. Обозначим через ${\Cal Q}_d$ открытый куб с длиной ребра $d$ и гранями, параллельными координатным осям, предполагая, что строго липшицева область $D$ имеет диаметр $d$ и $D\subset {\Cal Q}_d$. Введем понятие емкости $C_p(K,{\Cal Q}_{2d})$ компакта $K\subset\overline {{\Cal Q}}_d$ по отношению к кубу ${\Cal Q}_{2d}$ следующим равенством: $$ C_p(K,{\Cal Q}_{2d})=\inf \biggl \{\ \int\limits_{{\Cal Q}_{2d}}|\nabla\varphi|^p\,dx: \varphi\in C^\infty_0 ({\Cal Q}_{2d}), \ \varphi\ge 1 \text{ на }K\biggr \}. $$ Из результатов Мазьи (см. [1, Section~14.1.2] и комментариев к результатам гл.~14 монографии [1]) следует, что для функций $v \in W^1_2 (D, F)$ неравенство \Tag(1) имеет место тогда и только тогда, когда $$ C_p(F,{\Cal Q}_{2d}) > 0. \tag2 $$ Рассмотрим спектральную задачу Зарембы $$ {\Cal L}u:=-\sum\limits_{i=1}^{n}\frac{\partial }{\partial x_i}\Bigl(a_{ij}(x)\frac{\partial u}{\partial x_j}\Bigr)=\lambda u, \quad u\vert_{F}=0, \quad \frac{\partial u}{\partial \nu}\Bigr|_{G}=0 \tag3 $$ с собственными функциями, нормированными равенством $$ \int\limits_{D}u^{2}\,dx=1. \tag4 $$ Здесь $\{a_{ij}(x,t)\}_{i,j=1}^n$ --- измеримая симметрическая матрица, удовлетворяющая условию равномерной эллиптичности $$ \alpha |\eta|^2 \leq \sum\limits_{i,j=1}^n a_{ij}(x) \eta_i \eta_j\leq \alpha^{- 1}|\eta|^2 , \quad \alpha >0, $$ для всех $\eta \in {\Bbb R}^n$ и почти всех $x \in D$; $G=\partial D\setminus F$, а $\nu=(\nu_1,\dots, \nu_n)$ --- единичная внешняя нормаль к границе $\partial D$. Под {\it решением\/} задачи \Tag(3) понимается ненулевая функция $u\in W^{1}_2(D,F)$, для которой справедливо интегральное тождество $$ \sum\limits_{i,j=1}^{n}\int\limits_{D} a_{ij}(x)\frac{\partial u}{\partial x_i}\frac{\partial \varphi}{\partial x_j}\,dx = \lambda\int\limits_{D}u \varphi \,dx, $$ выполненное на пробных функциях $\varphi \in W_{2}^{1}(D, F)$. Те значения $\lambda$, для которых существуют собственные функции, называются {\it собственными значениями.} Поскольку оператор задачи является самосопряженным в $W^{1}_2(D,F)$ и положительным, при сделанных выше предположениях относительно области $D$ задача \Tag(3) имеет полную ортонормированную систему обобщенных собственных функций. Все собственные функции соответствуют положительным собственным значениям. Оценкам собственных функций задачи Дирихле для равномерно эллиптических операторов посвящены многочисленные исследования (см. [2--7]). В~частности, в работе В.А.~Ильина и И.А.~Шишмарева [5] показано, что если область и коэффициенты $a_{ij}(x)$ достаточно гладкие, то для классической собственной функции $u_{k}(x)$, отвечающей собственному значению $\lambda_{k}$, имеет место оценка $$ \max\limits_{x\in \overline D}\vert u_{k}(x)\vert\leq C(n, D, \alpha)\lambda_{k}^{\frac{n}{4}}. $$ В.Я.~Якубовым показано, что оценка $$ \esssup\limits_{x\in D}\vert u(x)\vert\leq C(n, D, \alpha)\lambda^{\frac{n}{4}} $$ для обобщенной собственной функции является точной. Аналогичные оценки для задачи Зарембы установлены в [8]. Рассмотрим спектральную функцию $$ e_{\lambda}(x,x')=\sum\limits_{\lambda_j<\lambda}u_j(x) u_j(x'), $$ где $u_j$ --- нормированная собственная функция, отвечающая собственному значению $\lambda_j$. Нашей целью является оценка максимума модуля данной функции. Оценки максимума модуля спектральной функции однородной задачи Дирихле можно найти в [9,\,10]. \demo{Remark} Доказываемая в настоящей работе оценка спектральной функции будет впоследствии использоваться для получения асимптотики ``считающей'' функции, которая определяется как число собственных значений (с учетом кратности), меньших данного $\lambda >0$. Для наших дальнейших целей достаточно ``грубой'' оценки спектральной функции. Отметим, что асимптотика считающей функции для задачи Дирихле впервые установлена в [11]. \enddemo Основной результат настоящей работы состоит в следующем утверждении. \proclaim{Theorem 1} Если выполнено условие \Tag(2), то в предположении \Tag(4) для собственных функций задачи \Tag(3) справедлива оценка $$ |e_{\lambda}(x,x')|\le C\lambda^{\frac{n}{4}},\quad n\ge2, \tag5 $$ с константой $C$, не зависящей от $x,x'\in \Omega$ и зависящей только от $n$, области $D$ и компакта $F$. \endproclaim Как отмечалось выше, для функций из пространства $W^1_2(D,F)$ выполнено неравенство Фридрихса \Tag(1), в силу чего это пространство можно снабдить нормой, в которой присутствует только градиент. В~последующих рассуждениях будем использовать теоремы вложения Соболева для строго липшицевых областей, имея в виду такую норму. Кроме того, предполагается выполненным условие \Tag(2), влекущее неравенство Фридрихса \Tag(1). \head 2. Доказательство основного результата \endhead Пусть $E_\lambda$ --- спектральный проектор, другими словами, интегральный оператор с симметричным ядром $e_\lambda(x,x')$: $$ (E_\lambda f)(x) =\int\limits_{D} e_\lambda(x, x')f(x')\,dx',\quad f\in L_2(D). \tag6 $$ Пусть $({\Cal L})^lu=\lambda^l u$, где $u$ --- собственная функция, отвечающая собственному значению $\lambda$, а $({\Cal L})^l$ --- суперпозиция операторов $\underbrace{{\Cal L}\circ{\Cal L}\circ\dots\circ{\Cal L}}\limits_{l}$. Положим $$ u_l=({\Cal L})^l(E_\lambda f), \quad l=1,\dots\,. \tag7 $$ По определению ${\Cal L} u_l=u_{l+1}$, поэтому справедливо интегральное тождество $$ \sum\limits_{i,j=1}^{n}\int\limits_{D} a_{ij}(x)\frac{\partial u_l}{\partial x_i}\frac{\partial \varphi}{\partial x_j}\,dx=\int\limits_{D} u_{l+1}\varphi \,dx, \quad \varphi\in W^1_2(D,F). $$ Выберем пробную функцию $\varphi=u_l |u_l|^\beta$, $\beta\geq 0$. Применяя неравенство Г\"ельдера к интегралу в правой части равенства и используя условие эллиптичности, получим $$ (\beta+1)\int\limits_{D}|u_l|^\beta |\nabla u_l|^2 \,dx\le \widetilde C(\alpha)\biggl(\ \int\limits_{D}|u_{l+1}|^{\beta+2} \, dx\biggr)^{\frac{1}{\beta+2}} \biggl(\ \int\limits_{D}|u_l|^{\beta+2}\,dx\biggr)^{\frac{\beta+1}{\beta+2}} . $$ Сначала предположим, что $n>2$. Далее будем пользоваться условием \Tag(2). Поскольку $11. $$ Повторяя предыдущие рассуждения, придем к оценке \Tag(18). Следовательно, $$ \sup\limits_{D} |E_\lambda f|\le C(n,\alpha)\lambda^{\frac{\varkappa}{2(\varkappa-1)}}\|E_\lambda f\|_{L_2(D)}. $$ Отсюда, как и выше при $n>2$, приходим к оценке, аналогичной \Tag(20), вида $$ \|e_\lambda(x, \cdot)\|_{L_2(D)} \le C \lambda^{\frac{\varkappa}{2(\varkappa-1)}}, $$ в силу которой получаем соотношение $$ |e_{\lambda}(x,x')|\le C\lambda^{\frac{\varkappa}{2(\varkappa-1)}}, \quad \varkappa>1,\ n=2. $$ Уточним эту оценку. Поскольку функция $e_{\lambda}(x,x')$ ограничена и непрерывна в области $D$, найдется точка $x_0$ в $D$ такая, что $$ |e_{\lambda}(x,\cdot)|\ge |e_{\lambda}(x_0,\cdot)|-\varepsilon $$ для некоторого положительного $\varepsilon$. Сделаем замену переменных (гомотетию) $$ y=(x-x_0)\lambda^{\frac12}, \quad v(y)=u(x_0+y\lambda^{-\frac12}), $$ где $y\in D^1$, а $D^1$ --- образ области $D$ при таком преобразовании. Задача \Tag(3) переписывается в виде $$ {\Cal L}^1v:=\sum\limits_{i,j=1}^{n}\frac{\partial}{\partial y_{i}} \Bigl(b_{ij}(y)\frac{\partial v}{\partial y_{j}} \Bigr)=-v \text{ в } D^1, \quad v\vert_{\widetilde F}=0, \quad \frac{\partial v}{\partial \mu}\Bigr|_{\widetilde G}=0, $$ где $$ \frac{\partial v}{\partial \mu} =\sum\limits_{i,j=1}^{n}b_{ij}(y)\frac{\partial v}{\partial y_i} \nu_j, $$ а $\widetilde F$ и $\widetilde G$ --- образы $F$ и $G$ при этом преобразовании. Ясно, что коэффициенты $b_{ij}(y)$ удовлетворяют условию эллиптичности с той же константой $\alpha$, что и коэффициенты $a_{ij}(x)$, матрица остается симметрической. Решение понимается в обобщенном смысле, т.~е. $v\in W^1_2(D^1, \widetilde F)$ является решением, если имеет место интегральное тождество $$ \sum\limits_{i,j=1}^{2}\int\limits_{D^1} b_{ij}(y)v_{y_i}\varphi_{y_j}\,dy = \int\limits_{D^1}v \varphi \,dy $$ для любой функции $\varphi\in W^1_2(D^1, \widetilde F)$. Пусть $({\Cal L}^1)^lv=v$, где $v$ --- собственная функция, отвечающая собственному значению $1$, а $({\Cal L}^1)^l$ --- суперпозиция операторов $\underbrace{{\Cal L}^1\circ{\Cal L}^1\circ\dots\circ{\Cal L}^1}\limits _{l}$. Положим $$ v_l=({\Cal L}^1)^l(E_\lambda f), \quad l=1,\dots\,. $$ По определению ${\Cal L}^1 v_l=v_{l+1}$, поэтому справедливо интегральное тождество $$ \sum\limits_{i,j=1}^{n}\int\limits_{D} b_{ij}(y)\frac{\partial v_l}{\partial y_i}\frac{\partial \varphi}{\partial y_j}\,dy=\int\limits_{D} v_{l+1}\varphi \,dy, \quad \varphi\in W^1_2(D,F). $$ Выберем пробную функцию $\varphi=v_l |v_l|^\beta$, $\beta\geq 0$. Применяя неравенство Г\"ельдера к интегралу в правой части равенства и используя условие эллиптичности, получаем $$ (\beta+1)\int\limits_{D}|v_l|^\beta |\nabla v_l|^2 \,dy\le \widetilde C(\alpha)\biggl(\ \int\limits_{D}|v_{l+1}|^{\beta+2} \, dy\biggr)^{\frac{1}{\beta+2}}\biggl(\ \int\limits_{D} |v_l|^{\beta+2}\,dy\biggr)^{\frac{\beta+1}{\beta+2}}. $$ Далее будем пользоваться условием \Tag(2). Имеем оценку \Tag(8), поэтому $$ \biggl(\ \int\limits_{D}|v_l|^{\varkappa(\beta+2)}\,dy\biggr)^{\frac{1}{\varkappa(\beta+2)}} \le \Bigl(\frac{C(\alpha)(\beta+2)^2}{4(\beta+1)}\Bigr)^{\frac{1}{\beta+2}} \biggl(\ \int\limits_{D}|v_{l+1}|^{\beta+2}\, dy\biggr)^{\frac{1}{(\beta+2)^2}} \biggl(\ \int\limits_{D}|v_{l}|^{\beta+2}\,dy\biggr)^{\frac{\beta+1}{(\beta+2)^2}}. $$ Дальнейшие рассуждения повторяют те, которые приведены в случае $n>2$. После этого делаем обратную замену переменных. Имеем $$ \sup\limits_{D} |E_\lambda f|\le C(n,\alpha) \lambda^{\frac{1}{2}}\|E_\lambda f\|_{L_2(D)}. \tag21 $$ Заметим, что $\|E_\lambda f\|_{L_2(D)}\le\|f\|_{L_2(D)}$. Значит, из \Tag(6) и \Tag(21) непосредственно следует оценка $$ \|e_\lambda(x, \cdot)\|_{L_2(D)}\le C \lambda^{\frac{1}{2}}. $$ Выбирая в \Tag(19) $f=e_\lambda(x,\cdot)$, ввиду равенства $E_\lambda f=e_\lambda(x, \cdot)$ получаем искомое соотношение \Tag(5), что и доказывает \Par*{Theorem 1} при $n=2$. \acknowledgment Работа посвящается юбилею Геннадия Владимировича Демиденко и вдохновлена участием автора в конференции в Новосибирске осенью 2025~г. с ее атмосферой научного поиска и плодотворными дискуссиями, которые были бы невозможны без деятельного участия, энтузиазма и поддержки Геннадия Владимировича. \Refs \ref\no 1 \by Maz'ya~V. \book Sobolev Spaces with Applications to Elliptic Partial Differential Equations %\bookinfo Second, revised and augmented edition \publaddr Berlin \publ Springer \yr 2011 \finalinfo Grundlehren Math. Wiss., 342 %[Fundamental Principles of Mathematical Sciences] \endref \ref\no 2 \by Smolitskii Kh.L. %Smolickii H.L. \paper Estimates of derivatives of fundamental functions \jour Dokl. Akad. Nauk SSSR \yr 1950 \vol 74 \issue 2 \pages 205--208 \endref \ref\no 3 \by \'Eidus~D.M. \paper Estimates of the moduli of eigenfunctions \jour Dokl. Akad. Nauk SSSR \yr 1953 \vol 90 \issue 6 \pages 973--974 \endref \ref\no 4 \by \'Eidus~D.M. \paper Some inequalities for eigenfunctions \jour Dokl. Akad. Nauk SSSR \yr 1956 \vol 107 \issue 6 \pages 796--798 \endref \ref\no 5 \by Il'in~V.A. and Shishmarev~I.A. \paper Uniform estimates in a closed domain for the eigenfunctions of an elliptic operator and their derivatives \jour Izv. Akad. Nauk SSSR \yr 1960 \vol 24 \issue 6 \pages 883--896 \endref \ref\no 6 \by Yakubov~V.Ya. \paper Sharp estimates for $L_2$-normalized eigenfunctions of an elliptic operator \jour Russian Acad. Sci. Dokl. Math. \yr 1994 \vol 48 \issue 1 \pages 92--94 \endref \ref\no 7 \by Yakubov~V.Ya. \paper Estimates for eigenfunctions of elliptic operators with respect to the spectral parameter \jour Funct. Anal. Appl. \yr 1999 \vol 33 \issue 2 \pages 128--136 \endref %pr \ref\no 8 \by Chechkina~A.G. \paper Estimate for the maximum of the absolute value of eigenfunctions of the Zaremba problem for a~second order elliptic equation in divergence form \jour J.~Math. Sci. (N.Y.) \yr 2025 \vol 292 \issue 2 \pages 218--225 \endref \ref\no 9 \by Avakumovi\v{c}~V.G. \paper \"Uber die Eigenfunktionen auf geschlossenen Riemannschen Mannigfaltigkeiten \jour Math.~Z. \yr 1956 \vol 65 %\issue - \pages 327--344 \endref \ref\no 10 \by H\"ormander~L. \paper The spectral function of an elliptic operator \jour Acta Math. \yr 1968 \vol 121 %\issue - \pages 193--218 \endref \ref\no 11 \by Weyl~H. \paper Das asimptotishe Verteilungsgesetz der Eigenwerte linearer partieller Differntialeichungen (miteiner Anuendung auf die Theorie Hohlraumstranhlung) \jour Math. Ann. \yr 1912 \vol 71 \pages 441--449 \endref \endRefs \enddocument