Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11127
Title: Mathematical analysis of some differential models involving the Euclidean or the Minkowski mean curvature operator
Authors: Corsato, Chiara
Keywords: PDEEuclidean mean curvature operatoroperatore di curvatura media euclideaMinkowski mean curvature operatoroperatore di curvatura media di Minkowskitopological methodsvariational methodsmetodi topologicimetodi variazionali
Issue Date: 28-Apr-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Questa tesi è dedicata allo studio di alcuni modelli differenziali che nascono nell'ambito della fluidodinamica o della relatività generale e che coinvolgono gli operatori di curvatura media nello spazio $N$-dimensionale euclideo o di Minkowski. Entrambi sono operatori ellittici quasi-lineari che non soddisfano la proprietà di uniforme ellitticità, essendo l'operatore di curvatura media euclidea degenere, mentre quello di curvatura media nello spazio di Minkowski singolare. Il lavoro è suddiviso in tre parti. La prima riguarda lo studio delle soluzioni periodiche dell'equazione di curvatura prescritta unidimensionale nello spazio euclideo, equazione che modellizza fenomeni di tipo capillarità. In accordo con la struttura dell'operatore di curvatura e imponendo un opportuno comportamento in 0, o all'infinito, della curvatura prescritta, si dimostra l'esistenza di infinite soluzioni subarmoniche classiche arbitrariamente piccole aventi opportune proprietà nodali, oppure di infinite soluzioni subarmoniche a variazione limitata con oscillazioni arbitrariamente grandi. La tecnica per la ricerca delle soluzioni classiche è topologica e si basa sull'uso del numero di rotazione e su una generalizzazione del teorema di Poincaré-Birkhoff; d'altro lato l'approccio per lo studio delle soluzioni non classiche poggia sulla teoria dei punti critici per funzionali non lisci, in particolare su un lemma di passo di montagna nello spazio delle funzioni a variazione limitata. La seconda parte della tesi è dedicata allo studio del problema di Dirichlet omogeneo associato a un'equazione della curvatura media prescritta anisotropa nello spazio euclideo, il quale fornisce un modello di descrizione della geometria della cornea umana. Il problema è ambientato in un dominio regolare in $\mathbb{R}^N$ con frontiera lipschitziana. Il capitolo è suddiviso a sua volta in tre sezioni, che sono rispettivamente focalizzate sui casi unidimensionale, radiale e $N$-dimensionale. Nel caso unidimensionale e nel caso radiale in una palla, si dimostrano l'esistenza e l'unicità di una soluzione classica, che presenta alcune proprietà qualitative aggiuntive. Le tecniche usate in questo contesto sono di natura topologica. Infine, nel caso $N$-dimensionale in un dominio generale, si provano l'esistenza, l'unicità e la regolarità di una soluzione di tipo forte del problema. In relazione ai possibili fenomeni di scoppio del gradiente, l'approccio è variazionale nello spazio delle funzioni a variazione limitata. Si enunciano e si dimostrano prima di tutto alcuni risultati preliminari riguardo al comportamento del funzionale associato al problema; tra questi, si sottolinea l'importanza di una proprietà di approssimazione. Successivamente si provano l'esistenza e l'unicità del minimizzante globale del funzionale, che è regolare all'interno ma non necessariamente sulla frontiera, e soddisfa il problema secondo un'opportuna definizione. Infine si mostra l'unicità della soluzione del problema. Sotto alcune ipotesi rafforzate sulla geometria del dominio, la soluzione ottenuta è classica. La terza parte della tesi riguarda il problema di Dirichlet associato a un'equazione della curvatura media prescritta nello spazio di Minkowski, che è di interesse in relatività generale. Il problema è ambientato in un dominio limitato regolare in $\mathbb{R}^N$ e un modello di curvatura media prescritta è dato da una funzione $f(x,s)$ che può avere comportamento sublineare, lineare, superlineare o sub-superlineare in $s=0$. L'attenzione è rivolta all'esistenza e alla molteplicità di soluzioni positive del problema. Come il precedente, anche questo capitolo è suddiviso in tre sezioni, che trattano rispettivamente i casi unidimensionale, radiale e $N$-dimensionale in un dominio generale. Nel caso unidimensionale, viene impiegato un approccio di tipo mappa-tempo per studiare una semplice situazione autonoma. Nel caso radiale in una palla, la tecnica è variazionale e lo studio del funzionale associato al problema evidenzia l'esistenza di un punto critico (casi sublineare o lineare), o di due (caso superlineare), o di tre punti critici (caso sub-superlineare): ciascuno di questi è una soluzione positiva del problema. Infine, nel caso generale in dimensione $N$, si adotta un approccio topologico che permette di studiare il problema non variazionale, in cui la funzione $f$ può dipendere dal gradiente della soluzione. Più nel dettaglio, con un metodo di sotto- e sopra-soluzioni specificamente sviluppato per questo problema, proviamo vari risultati di esistenza, molteplicità e localizzazione, in relazione alla presenza di una singola sotto-soluzione, o di una singola sopra-soluzione, o di una coppia di sotto- e sopra-soluzione ordinate o non ordinate. L'Appendice chiude la tesi: qui sono raccolti vari strumenti matematici utilizzati nel corso del lavoro.
This thesis is devoted to the study of some differential models arising in fluid mechanics or general relativity and involving the mean curvature operators in the $N$-dimensional Euclidean or Minkowski spaces. In both cases the operators are quasilinear elliptic operators which do not satisfy the property of uniform ellipticity, the Euclidean mean curvature operator being degenerate, whereas the Minkowski mean curvature operator being singular. This work is subdivided into three parts. The first one concerns the study of the periodic solutions of the one-dimensional prescribed curvature equation in the Euclidean space, which models capillarity-type phenomena. According to the structure of the curvature operator and imposing a suitable behaviour at zero, or at infinity, of the prescribed curvature, we prove the existence of infinitely many arbitrarily small classical subharmonic solutions with suitable nodal properties, or bounded variation subharmonic solutions with arbitrarily large oscillations. The technique for the search of classical solutions is topological and relies on the use of the rotation number and on a generalization of the Poincaré-Birkhoff theorem; whereas the approach for the study of non-classical solutions is based on non-smooth critical point theory, namely on a mountain pass lemma set in the space of bounded variation functions. The second part of the thesis is devoted to the study of the homogeneous Dirichlet problem associated with an anisotropic prescribed mean curvature equation in the Euclidean space, which provides a model for describing the geometry of the human cornea. The problem is set in a bounded domain in $\mathbb{R}^N$ with Lipschitz boundary. This chapter is subdivided into three sections, which are focused on the one-dimensional, the radial and the general $N$-dimensional case, respectively. In the one-dimensional and in the radial case in a ball, we prove an existence and uniqueness result of classical solution, which also displays some additional qualitative properties. Here the techniques used are topological in nature. Finally, in the $N$-dimensional case, we prove the existence, the uniqueness and the regularity of a strong-type solution of the problem. In order to tackle the possible gradient blow-up phenomena, the approach is variational and the framework is the space of bounded variation functions. We first collect some preliminary results about the behaviour of the action functional associated with the problem; among them, we remark the importance of an approximation property. We then prove the existence and uniqueness of the global minimizer of the action functional, which is smooth in the interior but non necessarily on the boundary, and satisfies the problem in a suitable sense. We finally prove the uniqueness of solution. Under some strengthened assumptions on the geometry of the domain, the solution obtained is classical. The third part of the thesis deals with the Dirichlet problem associated with a prescribed mean curvature equation in the Minkowski space, which is of interest in general relativity. The problem is set in a bounded regular domain in $\mathbb{R}^N$ and a model prescribed curvature is given by a function $f(x,s)$ whose behaviour is sublinear, linear, superlinear or sub-superlinear at $s=0$. The attention is addressed towards the existence and the multiplicity of positive solutions of the problem. In parallel to the second part of the thesis, this chapter is subdivided into three sections, which are focused on the one-dimensional, the radial and the general $N$-dimensional case, respectively. In the one-dimensional case, a time-map approach is employed for treating a simple autonomous situation. In the radial case in a ball, the technique is variational and the study of the action functional associated with the problem evidences the existence of either one (sublinear or linear cases), or two (superlinear case), or three (sub-superlinear case) non-trivial critical points of the action functional: each of them is a positive solution of the problem. Finally, in the general $N$-dimensional case, we adopt a topological approach which allows to study the non-variational problem, where the function $f$ may also depend on the gradient of the solution. Namely, by a lower and upper solution method specifically developed for this problem, we prove several existence, multiplicity and localization results, in relation to the presence of a single lower solution, or a single upper solution, or a couple of ordered or non-ordered lower and upper solutions of the problem. The Appendix completes this thesis: here several mathematical tools that have been used to prove the results are collected.
Description: 2013/2014
URI: http://hdl.handle.net/10077/11127
NBN: urn:nbn:it:units-14054
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