Department of Mathematics and Computer Science, Pennsylvania State University, Middletown, PA 17057, USA
We study homogeneous linear elliptic partial differential equations of even order. Several maximum principle results are deduced for such equations as well as a priori bounds for certain boundary value problems.
1. Introduction The
๐
-function technique for obtaining subharmonic functions defined on the solution of certain partial differential equations of order
โฅ
4
is well established. In [1 ] Miranda shows that the functional
๐
=
๐ข
,
๐
๐ข
,
๐
โ
๐ข
ฮ
๐ข
is subharmonic where
๐ข
is a solution to the biharmonic equation
ฮ
2
๐ข
=
0
. Later, in [2 ], Payne uses functionals containing the square of the second gradient of the solution to semilinear equations of the form
ฮ
2
๐ข
=
๐
(
๐ข
)
(
1
.
1
)
to deduce integral bounds on
(
ฮ
๐ข
)
2
.
Other works such as [3 , 4 ] develop maximum principle results for the sixth-order equations of the form
ฮ
3
๐ข
โ
๐
ฮ
2
๐ข
+
๐
ฮ
๐ข
โ
๐
๐ข
=
0
(
1
.
2
)
with constant coefficients. In [5 , 6 ],
๐
-functions containing the squares of terms of the form
ฮ
๐
๐ข
are used to obtain a priori that bounds for solutions to the constant coefficient
๐
-metaharmonic equation
ฮ
๐
๐ข
+
๐
๐
โ
1
ฮ
๐
โ
1
๐ข
+
โ
โ
โ
+
๐
0
๐ข
=
0
.
(
1
.
3
)
Most recently the authors in [7 ] obtain maximum principles results for the more general variable coefficient
๐
-metaharmonic equation
ฮ
๐
๐ข
โ
๐
๐
โ
1
(
๐ฅ
)
ฮ
๐
โ
1
๐ข
+
๐
๐
โ
2
(
๐ฅ
)
ฮ
๐
โ
2
๐ข
โ
โ
โ
โ
+
(
โ
1
)
๐
๐
0
(
๐ฅ
)
๐ข
=
0
(
1
.
4
)
using
๐
-functions containing terms of the form
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
. For three special cases, namely, when
๐
=
3
,
๐
=
4
, and when (1.4 ) reduces to the equation
ฮ
๐
๐ข
=
0
for any integer
๐
โฅ
2
, a more complicated class of
๐
-functions containing the squares of certain gradient terms is used. An open question arising from [7 ] is whether maximum principle results for (1.4 ) can be obtained for say any integer
๐
>
4
for the latter class of
๐
-functions. In this work, we establish such results by requiring that certain bounds and differential inequalities for the the coefficient functions
๐
0
(
๐ฅ
)
,
โฆ
,
๐
๐
โ
2
(
๐ฅ
)
hold. Then we obtain integral bounds on various gradient terms.
2. Assumptions and Results Throughout this work we assume that
ฮฉ
is a bounded domain in
๐
๐ง
whose boundary
๐
ฮฉ
is sufficiently smooth, that the integer
๐
โฅ
2
is even (without loss of generality), and that the integer
๐
>
4
. We identify the products of the first, second, and third gradients of the functions
๐ฃ
and
๐ค
as follows:
๐ฃ
,
๐
๐ค
,
๐
โก
โ
๐ฃ
โ
โ
๐ค
,
๐ฃ
,
๐
๐
๐ค
,
๐
๐
โก
โ
2
๐ฃ
โถ
โ
2
๐ค
,
๐ฃ
,
๐
๐
๐
๐ค
,
๐
๐
๐
โก
โ
3
๐ฃ
โฎ
โ
3
๐ค
,
(
2
.
1
)
where the commas denote partial differentiation.
For functions
๐
๐
(
๐ฅ
)
โ
๐ถ
2
(
ฮฉ
)
we impose the boundedness conditions
๐
โ
3
๎
๐
=
0
๐
2
๐
โค
๐ฝ
,
๐
โ
1
๎
๐
=
0
โ
๐
๐
โ
โ
๐
๐
โค
๐พ
,
(
2
.
2
)
for constants
๐พ
โฅ
0
,
๐ฝ
>
0
.
Finally,
ฮ
denotes the Laplace operator,
ฮ
๐
โก
ฮ
(
ฮ
๐
โ
1
)
, and
ฮ
0
โก
๐ผ
.
Now we derive two general maximum principle results for (1.4 ).
Theorem 2.1. Suppose that
๐ข
โ
๐ถ
2
๐
+
1
(
ฮฉ
)
โฉ
๐ถ
2
๐
โ
1
(
ฮฉ
)
is a solution of (1.4 ). Furthermore for
๐
>
4
one defines
๐
=
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
m
โ
1
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
1
2
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
2
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๐
๐
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
+
๐
๐
โ
2
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
(
ฮ
๐
โ
2
๐ข
)
2
โ
(
4
โ
๐
)
2
(
๐
+
2
)
(
ฮ
๐
โ
1
๐ข
)
2
,
(
2
.
3
)
where the functions
๐
0
(
๐ฅ
)
,
โฆ
,
๐
๐
โ
2
(
๐ฅ
)
โ
๐ถ
2
(
ฮฉ
)
โฉ
๐ถ
0
(
ฮฉ
)
satisfy
โ
๐
โ
2
๐
=
0
๐
2
๐
+
1
โค
๐ผ
for some positive constant
๐ผ
. Additionally, one imposes the conditions
๐
๐
โฅ
๐ฝ
2
๐
(
๐
=
0
,
โฆ
,
๐
โ
2
)
,
๐
โ
2
๎
๐
โฅ
1
,
๐
โ
1
โ
1
2
๎
โฅ
๐พ
2
๎
๐
+
2
๎
,
๐
โ
4
ฮ
๐
๐
2
โ
โ
๐
๐
โ
๐
โ
โ
๐
๐
โ
๐
๐
๐
โ
๐
โฅ
0
(
๐
=
1
,
3
)
,
ฮ
๐
๐
โ
2
โ
4
โ
๐
๐
โ
2
โ
โ
๐
๐
โ
2
๐
๐
โ
2
โฅ
0
,
ฮ
๐
๐
3
๎ป
๐ฝ
โฅ
m
a
x
2
๎
๐
โ
4
๎
+
๐พ
๐
+
2
2
,
๐ผ
,
4
โ
๐
๐
โ
โ
๐
๐
๐
๐
๎ผ
(
๐
=
0
,
โฆ
,
๐
โ
2
)
.
(
2
.
4
)
Then,
๐
is subharmonic in
ฮฉ
.
Proof. A straightforward calculation yields
ฮ
๐
=
2
โ
3
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โฎ
โ
3
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
๎
6
๎
โ
๎ท
ฮ
๐
+
2
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
โ
(
ฮ
๐
๎
๐ข
)
โ
4
โ
๐
๎
ฮ
๐
+
2
๐
โ
1
๐ข
ฮ
๐
๐ข
+
๐
๐
โ
1
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎
ฮ
๐
๐
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
๎ท
๐
+
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
2
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
๎
+
๐
๐
โ
2
๎
๐
โ
4
๎
๎บ
โ
๎ท
ฮ
๐
+
2
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
ฮ
๐
โ
2
๐ข
ฮ
๐
โ
1
๐ข
๎ป
+
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
ฮ
๐
๐
โ
2
(
ฮ
๐
โ
2
๐ข
)
2
๎
+
4
๐
โ
4
๎
๐
+
2
โ
๐
๐
โ
2
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
โ
2
๐ข
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
2
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
+
1
๐ข
.
(
2
.
5
)
Using the well-known inequality (see [2 ])
โ
3
๐ค
โฎ
โ
3
3
๐ค
โฅ
๐
+
2
โ
(
ฮ
๐ค
)
โ
โ
(
ฮ
๐ค
)
,
f
o
r
a
l
l
f
u
n
c
t
i
o
n
s
๐ค
โ
๐ถ
3
(
ฮฉ
)
,
(
2
.
6
)
and (1.4 ) we deduce the inequality
๎ท
ฮ
ฮ
๐
โฅ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
๎ฌ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ญ
+
๎
๐
โ
4
๎
ฮ
๐
+
2
๐
โ
1
๐ข
๎ฌ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
๎ญ
+
๐
๐
โ
1
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎
ฮ
๐
๐
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
๎ท
๐
+
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
2
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
๎
+
๐
๐
โ
2
๎
๐
โ
4
๎
๎บ
โ
๎ท
ฮ
๐
+
2
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
ฮ
๐
โ
2
๐ข
ฮ
๐
โ
1
๐ข
๎ป
+
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
ฮ
๐
๐
โ
2
(
ฮ
๐
โ
2
๐ข
)
2
๎
+
4
๐
โ
4
๎
๐
+
2
โ
๐
๐
โ
2
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
โ
2
๐ข
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
2
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
+
1
๐ข
.
(
2
.
7
)
The right side of (2.7 ) is
=
๐
๐
โ
2
๎
1
+
๐
โ
4
๎
โ
๎ท
ฮ
๐
+
2
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
1
๎
๐
โ
4
๎
๎ท
ฮ
๐
+
2
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
2
+
๐
๐
โ
1
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎
ฮ
๐
๐
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
๎ท
๐
+
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
2
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
๎
+
๎
๐
โ
4
๎
ฮ
๐
+
2
๐
โ
1
๐ข
๐
โ
3
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
ฮ
๐
๎ท
ฮ
๐ข
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
ฮ
๐
๐
โ
2
(
ฮ
๐
โ
2
๐ข
)
2
๎
+
4
๐
โ
4
๎
๐
+
2
โ
๐
๐
โ
2
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
โ
2
๐ข
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
๐
โ
4
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
2
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
+
1
๐ข
.
(
2
.
8
)
Subsequently, we obtain
๎
๐
ฮ
๐
โฅ
๐
โ
2
๎
1
+
๐
โ
4
๎
๎
โ
๎ท
ฮ
๐
+
2
โ
1
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
1
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
3
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๎
๐
๐
โ
1
โ
1
2
๎
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
(
ฮ
๐
โ
1
๐ข
)
2
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
๎ช
2
โ
1
2
๎
๐
โ
4
๎
๎ฉ
๐
+
2
๐
โ
3
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ช
2
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
4
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ช
2
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
ฮ
๐
๐
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
๎ท
๐
+
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
2
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
+
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
ฮ
๐
๐
โ
2
(
ฮ
๐
โ
2
๐ข
)
2
๎
+
4
๐
โ
4
๎
๐
+
2
โ
๐
๐
โ
2
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
โ
2
๐ข
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
1
2
ฮ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
3
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
2
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
+
1
๐ข
.
(
2
.
9
)
We now state a series of inequalities to demonstrate that
ฮ
๐
โฅ
0
. First we note
๐
โ
2
๎
๐
=
0
2
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
+
1
๎ฉ
๐ข
โฅ
โ
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎ท
๐
๐
๎ธ
2
๎ช
+
1
๐
โ
2
๎
๐
=
0
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
.
(
2
.
1
0
)
Similarly, we obtain
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
๎ช
2
1
โฅ
โ
2
๎ฉ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎บ
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
๎ท
๐
โ
โ
๐
๎ช
๎ธ
๎ป
(
ฮ
๐
โ
1
๐ข
)
2
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎บ
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
๎ท
๐
โ
โ
๐
๎ช
๎ธ
๎ป
๐
โ
2
๎
๐
=
0
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
๐ข
,
(
2
.
1
1
)
โ
1
2
๎
๐
โ
4
๎
๎ฉ
๐
+
2
๐
โ
3
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
a
๐
ฮ
๐
๐ข
๎ช
2
1
โฅ
โ
2
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
๐
โ
3
๎
๐
=
0
๐
2
๐
๐
โ
3
๎
๐
=
0
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
,
(
2
.
1
2
)
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
4
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ช
2
1
โฅ
โ
2
๐
โ
4
๎
๐
=
0
๐
2
๐
๐
โ
4
๎
๐
=
0
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
,
(
2
.
1
3
)
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎ท
ฮ
๐
๐
๎ธ
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
๎ท
๐
+
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
โฅ
๐
โ
2
๎
๐
=
0
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
๎ฌ
ฮ
๐
๐
3
โ
๎ท
๐
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
๐
โ
โ
๐
๎ธ
๐
๐
๎ญ
.
(
2
.
1
4
)
We also have that
1
2
ฮ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
2
โ
๐
๐
โ
1
โ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
+
๐
๐
โ
1
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โฅ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ธ
ฮ
๐
๐
โ
1
2
โ
โ
๐
๐
โ
1
โ
โ
๐
๐
โ
1
๐
๐
โ
1
๎น
.
(
2
.
1
5
)
Additional inequalities analogous to (2.15 ) can be developed for the remaining terms in (2.9 ) involving
ฮ
๐
๐
โ
2
and
ฮ
๐
๐
โ
3
. From (2.2 ), (2.10 )–(2.15 ) and upon inclusion of the aforementioned additional inequalities we deduce that
๎ฉ
๎
๐
ฮ
๐
โฅ
๐
โ
1
โ
1
2
๎
๎
๐
โ
4
๎
โ
1
๐
+
2
2
๐
โ
1
๎
๐
=
0
โ
๎ท
๐
๐
๎ธ
๎ท
๐
โ
โ
๐
๎ธ
๎ช
๎ท
ฮ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
2
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎ธ
ฮ
๐
๐
3
โ
๐ฝ
2
๎
๐
โ
4
๎
โ
๐พ
๐
+
2
2
๎น
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎ธ
๐
๐
โ
๐ฝ
2
๎น
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎ธ
ฮ
๐
๐
3
๎น
๎ท
ฮ
โ
๐ผ
๐
๐ข
๎ธ
2
+
๐
โ
2
๎
๐
=
0
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
๎ฌ
ฮ
๐
๐
3
โ
๎ท
๐
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
๐
โ
โ
๐
๎ธ
๐
๐
๎ญ
+
๎ท
๐
๐
โ
2
๎ธ
โ
๎ท
ฮ
โ
1
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
+
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ธ
ฮ
๐
๐
โ
1
2
โ
โ
๐
๐
โ
1
โ
โ
๐
๐
โ
1
๐
๐
โ
1
๎น
๎ท
ฮ
+
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
3
๐ข
๎ธ
๎ธ
ฮ
๐
๐
โ
3
2
โ
โ
๐
๐
โ
3
โ
โ
๐
๐
โ
3
๐
๐
โ
3
๎น
+
๎
๐
โ
4
๎
๐
+
2
(
ฮ
๐
โ
2
๐ข
)
2
๎ธ
ฮ
๐
๐
โ
2
โ
4
โ
๐
๐
โ
2
โ
โ
๐
๐
โ
2
๐
๐
โ
2
๎น
.
(
2
.
1
6
)
Utilizing (2.4 ) the conclusion follows.
Now we handle the case where
๐
โค
4
in the following theorem.
Theorem 2.2. Suppose that
๐ข
โ
๐ถ
2
๐
+
1
(
ฮฉ
)
โฉ
๐ถ
2
๐
โ
1
(
ฮฉ
)
is a solution of (1.4 ) where
๐
โค
4
. For
๐
0
(
๐ฅ
)
,
โฆ
,
๐
๐
โ
1
(
๐ฅ
)
โ
๐ถ
2
(
ฮฉ
)
โฉ
๐ถ
0
(
ฮฉ
)
satisfying the inequality
โ
๐
โ
2
๐
=
0
๐
2
๐
+
1
โค
๐ผ
for some positive constant
๐ผ
, one defines
๐
=
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โถ
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๐
๐
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
+
1
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
2
.
(
2
.
1
7
)
Then if
๐
๐
โฅ
๐ผ
2
,
f
o
r
๐
=
0
,
โฆ
,
๐
โ
1
,
ฮ
๐
๐
โ
๐
3
โ
1
2
โฅ
0
,
f
o
r
๐
=
1
,
2
,
ฮ
๐
๐
3
โ
4
โ
๐
๐
โ
โ
๐
๐
๐
๐
โฅ
0
,
f
o
r
๐
=
0
,
โฆ
,
๐
โ
1
,
(
2
.
1
8
)
๐
is subharmonic in
ฮฉ
.
Proof. A calculation similar to that of Theorem 2.1 yields
ฮ
๐
=
2
โ
3
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โฎ
โ
3
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
(
โ
1
)
๐
+
1
โ
๐
๐
ฮ
๐
๎ท
ฮ
๐ข
+
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎บ
(
โ
1
)
๐
+
1
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ป
+
ฮ
๐
โ
2
๐ข
ฮ
๐
โ
1
๐ข
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
ฮ
๐
๐
(
ฮ
๐
๐ข
)
2
๎ท
๐
+
4
โ
๐
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
ฮ
๐
๐ข
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
2
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
+
2
๐
๐
ฮ
๐
๐ข
ฮ
๐
+
1
๐ข
.
(
2
.
1
9
)
Using (2.6 ), (2.10 ), (2.11 ), (2.13 ), and (2.14 ) we obtain
ฮ
๐
โฅ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
๎ธ
ฮ
๐
๐
3
โ
4
โ
๐
๐
โ
โ
๐
๐
๐
๐
๎น
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
2
ฮ
๐
๐
3
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๐
๐
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
1
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
2
โ
1
2
๎ท
ฮ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
2
๎ท
ฮ
+
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
โ
๐
๐
โ
โ
๐
๐
๎ช
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
โ
1
2
๎ฉ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๐
2
๐
๎ช
๐
โ
1
๎
๐
=
0
โ
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
๎ท
ฮ
โ
โ
๐
๐ข
๎ธ
โฅ
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
๎ธ
ฮ
๐
๐
3
โ
4
โ
๐
๐
โ
โ
๐
๐
๐
๐
๎น
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎
๐
๐
โ
๐ผ
2
๎
โ
(
ฮ
๐ข
)
โ
โ
(
ฮ
๐ข
)
+
๐
โ
1
๎
๐
=
0
๎ธ
ฮ
๐
๐
3
โ
๐พ
2
๎น
๎ท
ฮ
๐
๐ข
๎ธ
2
+
๎ต
ฮ
๐
๐
โ
2
3
โ
1
2
๎ถ
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
2
+
๎ต
ฮ
๐
๐
โ
1
3
โ
1
2
๎ถ
๎ท
ฮ
๐
โ
1
๐ข
๎ธ
2
.
(
2
.
2
0
)
Hence by (2.18 ), we conclude that
ฮ
๐
โฅ
0
.
3. Applications Here we briefly indicate how theorem 1 and theorem 2 can be used to obtain integral bounds on the square of the second gradient of
ฮ
๐
โ
2
๐ข
. suppose that the hypotheses of theorem 1 are satisfied and that the
๐
conditions
ฮ
๐
๐ข
=
0
,
f
o
r
ฮ
๐
=
0
,
โฆ
,
๐
โ
5
,
๐
โ
2
ฮ
๐ข
=
๐
โ
2
๐ข
๐
๐
=
0
,
ฮ
๐
โ
3
ฮ
๐ข
=
๐
โ
3
๐ข
๐
๐
=
0
(
3
.
1
)
hold on
๐
ฮฉ
. Let
๐ด
denote the area of
ฮฉ
. As a consequence of integration by parts, Theorem 2.1 implies that
๎
ฮฉ
|
|
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
|
|
2
๐ด
๐
๐ฅ
โค
2
m
a
x
๐
ฮฉ
๎ธ
|
|
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
|
|
2
+
๐
๐
โ
4
๎ท
ฮ
(
๐ฅ
)
๐
โ
4
๐ข
๎ธ
2
+
๐
โ
4
2
(
n
๎ท
ฮ
๎ท
ฮ
+
2
)
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ธ
2
๎น
.
(
3
.
2
)
Now, if the hypotheses of Theorem 2.2 hold and if we impose the
๐
conditions
ฮ
๐
๐ข
=
0
,
f
o
r
ฮ
๐
=
0
,
โฆ
,
๐
โ
3
,
๐
โ
2
ฮ
๐ข
=
๐
โ
2
๐ข
๐
๐
=
0
(
3
.
3
)
on
๐
ฮฉ
we can deduce the inequality
๎
ฮฉ
|
|
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
|
|
2
๐ด
๐
๐ฅ
โค
2
m
a
x
๐
ฮฉ
๎
|
|
โ
2
๎ท
ฮ
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
|
|
2
+
๐
๐
โ
1
(
๎ท
ฮ
๎ท
ฮ
๐ฅ
)
๐
โ
2
๐ข
๎ธ
๎ธ
2
๎
,
(
3
.
4
)
from Theorem 2.2 .