The obstacle problem for degenerate doubly nonlinear equations of porous medium type

Abstract

Abstract We prove the existence of nonnegative variational solutions to the obstacle problem associated with the degenerate doubly nonlinear equation $$\begin{aligned} \partial _t b(u) - {{\,\mathrm{div}\,}}(Df(Du)) = 0, \end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>∂</mml:mi> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:msub> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mspace/> <mml:mi>div</mml:mi> <mml:mspace/> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>D</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> where the nonlinearity $$b :\mathbb {R}_{\ge 0} \rightarrow \mathbb {R}_{\ge 0}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> is increasing, piecewise $$C^1$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>C</mml:mi> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> and satisfies a polynomial growth condition. The prototype is $$b(u) := u^m$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mi>m</mml:mi> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> with $$m \in (0,1)$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> . Further, $$f :\mathbb {R}^n \rightarrow \mathbb {R}_{\ge 0}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> </mml:math> is convex and fulfills a standard p -growth condition. The proof relies on a nonlinear version of the method of minimizing movements.

Topics & Concepts