Embedding theorems related to torsional rigidity and principal frequency
- Authors: Avkhadiev F.G.1
-
Affiliations:
- Kazan (Volga Region) Federal University
- Issue: Vol 86, No 1 (2022)
- Pages: 3-35
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/1607-0046/article/view/142264
- DOI: https://doi.org/10.4213/im9085
- ID: 142264
Cite item
Abstract
We study criteria for the finiteness of the constants $C$ in integral inequalities generalizing the Poincare–Friedrichs inequality and Saint-Venant's variational definition of torsional rigidity. The Rayleigh–Faber–Krahn isoperimetric inequality and the Saint-Venant–Polya inequality guarantee the existence of finite constants $C$ for domains of finite volume. Criteria for the existence of finite constants $C$ for unbounded domains of infinite volume were known only in the cases of planar simply connected and spatial convex domains. We generalize and strengthen some known results and extend them to the case when $1< p<2$. Here is one of our results.
Suppose that $1\leqslant p <2$ and $\Omega=\Omega^0\setminus K$, where $K\subset \Omega^0$ is a compact set and $\Omega^0$ is either a planar domain with uniformly perfect boundary or a spatial domain satisfying the exterior sphere condition. Under these assumptions, a finite constant $\Lambda_{p-1}(\Omega)$ exists if and only if the integral $\int_\Omega\rho^{{2p}/{(2-p)}}(x,\Omega) dx$ is finite, where $\rho(x,\Omega)$ is the distance from the point $x$ to the boundary of $\Omega$.
About the authors
Farit Gabidinovich Avkhadiev
Kazan (Volga Region) Federal University
Author for correspondence.
Email: avkhadiev47@mail.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor
References
- E. Gagliardo, “Ulteriori proprieta di alcune classi di funzioni in piu variabili”, Ricerche Mat., 8 (1959), 24–51
- L. Nirenberg, “On elliptic partial differential equations”, Ann. Scuola Norm. Sup. Pisa Cl. Sci. (3), 13 (1959), 115–162
- О. В. Бесов, “Интегральные оценки дифференцируемых функций на нерегулярных областях”, Матем. сб., 201:12 (2010), 69–82
- Г. Полиа, Г. Сегe, Изопериметрические неравенства в математической физике, Физматгиз, М., 1962, 336 с.
- C. Bandle, Isoperimetric inequalities and applications, Monogr. Stud. Math., 7, Pitman (Advanced Publishing Program), Boston, MA–London, 1980, x+228 pp.
- E. Makai, “A lower estimation of the principal frequencies of simply connected membranes”, Acta Math. Acad. Sci. Hungar., 16 (1965), 319–323
- W. K. Hayman, “Some bounds for principal frequency”, Appl. Anal., 7:3 (1978), 247–254
- R. Osserman, “A note on Hayman's theorem on the bass note of a drum”, Comment. Math. Helv., 52:4 (1977), 545–555
- L. E. Payne, I. Stakgold, “On the mean value of the fundamental mode in the fixed membrane problem”, Appl. Anal., 3:3 (1973), 295–303
- F. G. Avkhadiev, K.-J. Wirths, “Unified Poincare and Hardy inequalities with sharp constants for convex domains”, ZAMM Z. Angew. Math. Mech., 87:8-9 (2007), 632–642
- Ф. Г. Авхадиев, “Вариационные конформно-инвариантные неравенства и их приложения”, Докл. РАН, 359:6 (1998), 727–730
- Ф. Г. Авхадиев, “Решение обобщенной задачи Сен-Венана”, Матем. сб., 189:12 (1998), 3–12
- R. Bañuelos, M. van den Berg, T. Carroll, “Torsional rigidity and expected lifetime of Brownian motion”, J. London Math. Soc. (2), 66:2 (2002), 499–512
- Ф. Г. Авхадиев, Конформно инвариантные неравенства, Изд-во Казанского ун-та, Казань, 2020, 260 с.
- H. Rademacher, “Über partielle und totale differenzierbarkeit von Funktionen mehrerer Variabeln und uber die Transformation der Doppelintegrale”, Math. Ann., 79:4 (1919), 340–359
- Г. Федерер, Геометрическая теория меры, Наука, М., 1987, 760 с.
- A. A. Balinsky, W. D. Evans, R. T. Lewis, The analysis and geometry of Hardy's inequality, Universitext, Springer, Cham, 2015, xv+263 pp.
- Ф. Г. Авхадиев, “Свойства и применения функции расстояния открытого подмножества в евклидовом пространстве”, Изв. вузов. Матем., 2020, № 4, 87–92
- А. И. Назаров, С. В. Поборчий, Неравенство Пуанкаре и его приложения, учебное пособие, Изд-во С.-Петербургского ун-та, СПб., 2012, 126 с.
- C. Loewner, L. Nirenberg, “Partial differential equations invariant under conformal or projective transformations”, Contribution to analysis, A collection of papers dedicated to L. Bers, Academic Press, New York, 1974, 245–272
- C. Bandle, M. Flucher, “Harmonic radius and concentration of energy; hyperbolic radius and Liouville's equations $Delta U=e^U$ and $Delta U =U^{frac {n+2}{n-2}}$”, SIAM Rev., 38:2 (1996), 191–238
- Ф. Г. Авхадиев, “Конформно инвариантные неравенства в областях евклидова пространства”, Изв. РАН. Сер. матем., 83:5 (2019), 3–26
- Дж. Н. Ватсон, Теория бесселевых функций, т. 1, 2, ИЛ, М., 1949, 798 с., 220 с.
- J. Hersch, “Sur la frequence fondamentale d'une membrande vibrante: evaluations par defaut et principe de maximum”, Z. Angew. Math. Phys., 11 (1960), 387–413
- Г. Хадвигер, Лекции об объеме, площади поверхности и изопериметрии, Наука, М., 1966, 416 с.
- F. G. Avkhadiev, “Hardy–Rellich inequalities in domains of the Euclidean space”, J. Math. Anal. Appl., 442:2 (2016), 469–484
- Ф. Г. Авхадиев, “Интегральные неравенства Харди и Реллиха в областях, удовлетворяющих условию внешней сферы”, Алгебра и анализ, 30:2 (2018), 18–44
- Ch. Pommerenke, “Uniformly perfect sets and the Poincare metric”, Arch. Math. (Basel), 32:2 (1979), 192–199
- Р. Г. Салахудинов, “Двусторонние оценки $L_p$-норм функции напряжения выпуклых областей в $mathbb{R}^n$”, Изв. вузов. Матем., 2006, № 3, 41–49
- A. Carbery, V. Maz'ya, M. Mitrea, D. Rule, “The integrability of negative powers of the solution of the Saint Venant problem”, Ann. Sc. Norm. Super. Pisa Cl. Sci. (5), 13:2 (2014), 465–531
- Р. Г. Салахудинов, “Изопериметрическая монотонность $L^p$-нормы функции напряжения плоской односвязной области”, Изв. вузов. Матем., 2010, № 8, 59–68
- J. L. Fernandez, “Domains with strong barrier”, Rev. Mat. Iberoamericana, 5:1-2 (1989), 47–65
- A. Ancona, “On strong barriers and an inequality of Hardy for domains in $mathbb{R}^n$”, J. London Math. Soc. (2), 34:2 (1986), 274–290
- F. G. Avkhadiev, “Hardy type inequalities in higher dimensions with explicit estimate of constants”, Lobachevskii J. Math., 21 (2006), 3–31
- Ф. Г. Авхадиев, “Неравенства типа Харди в плоских и пространственных открытых множествах”, Функциональные пространства, теория приближений, нелинейный анализ, Сборник статей, Труды МИАН, 255, Наука, МАИК «Наука/Интерпериодика», М., 2006, 8–18
- Ф. Г. Авхадиев, “Геометрическое описание областей, для которых константа Харди равна 1/4”, Изв. РАН. Сер. матем., 78:5 (2014), 3–26
- Ф. Г. Авхадиев, “Интегральные неравенства в областях гиперболического типа и их применения”, Матем. сб., 206:12 (2015), 3–28
Supplementary files
