Elliptic and parabolic PDEs : regularity for nonlocal diffusion equations and two isoperimetric problems

Premi Josep Teixidor de l’Institut d’Estudis Catalans a la millor tesi doctoral de recerca sobre matemàtiquesThe thesis is divided into two parts. The first part is mainly concerned with regularity issues for integro-differential (or nonlocal) elliptic and parabolic equations. In the same way that densities of particles with Brownian motion solve second order elliptic or parabolic equations, densities of particles with Lévy diffusion satisfy these more general nonlocal equations. In this context, fully nonlinear nonlocal equations arise in Stochastic control problems or differential games. The typical example of elliptic nonlocal operator is the fractional Laplacian, which is the only translation, rotation and scaling invariant nonlocal elliptic operator. There many classical regularity results for the fractional Laplacian ---whose ``inverse'' is the Riesz potential. For instance, the explicit Poisson kernel for a ball is an ``old'' result, as well as the linear solvability theory in L^p spaces. However, very little was known on boundary regularity for these problems. A main topic of this thesis is the study of this boundary regularity, which is qualitatively very different from that for second order equations. We stablish a new boundary regularity theory for fully nonlinear (and linear) elliptic integro-differential equations. Our proofs require a combination of original techniques and appropriate versions of classical ones for second order equations (such as Krylov's method). We also obtain new interior regularity results for fully nonlinear parabolic nonlocal equation with rough kernels. To do it, we develop a blow up and compactness method for viscosity solutions to fully nonlinear equations that allows us to prove regularity from Liouville type theorems.This method is a main contribution of the thesis. The new boundary regularity results mentioned above are crucially used in the proof of another main result of the thesis: the Pohozaev identity for the fractional Laplacian. This identity is has a flavor of integration by parts formula for the fractional Laplacian, with the important novely there appears a local boundary term (this was unusual with nolocal equations). In the second part of the thesis we give two instances of interaction between isoperimetry and Partial Differential Equations. In the first one we use the Alexandrov-Bakelman-Pucci method for elliptic PDE to obtain new sharp isoperimetric inequalities in cones with densities by generalizing a proof of the classical isoperimetric inequality due to Cabré. Our new results contain as particular cases the classical Wulff inequality and the isoperimetric inequality in cones of Lions and Pacella. In the second instance we use the isoperimetric inequality and the classical Pohozaev identity to establish a radial symmetry result for second order reaction-diffusion equations. The novelty here is to include discontinuous nonlinearities. For this, we extend a two-dimensional argument of P.-L. Lions from 1981 to obtain now results in higher dimensionsLa tesi està dividida en dues parts. La primera part es centra principalment en questions de regularitat per equacions integro - iferencials (o no locals) el·líptiques i parbòliques. De la mateixa manera que les densitats de partícules amb un moviment Brownià resolen equacions el·líptiques o parbòliques de segon ordre, les densitats de partícules amb una difusió de tipus Lévy resolen aquestes equacions no locals més generals. En aquest context, les equacions completament no lineals sorgeixen de problemes de control estocàstic o "differential games''. L'exemple típic d'operador el·liptic no local és el laplacià fraccionari, el qual és l'únic d'aquests operadors que és invariant per translacions, rotacions, i reescalament. Hi ha molts resultats clàssics de regularitat per el laplacià fraccionari --- "l'invers'' del qual és el potencial de Riesz. Per exemple, el nucli de Poisson (explícit) per la bola és un resultat "vell'', així com la teoria de resolubilitat en espais L^p. No obstant això, se sabia ben poc sobre la regularitat a la vora per a aquests problemes. Un tema principal d'aquesta tesi és l'estudi d'aquesta regularitat a la vora, que és qualitativament molt diferent de la de les equacions de segon ordre . A la tesi s'estableix una nova teoria regularitat a la vora per completament no lineals ( i lineals ) equacions integro - diferencials el·líptiques . Les nostres demostracions requeixen una combinació de tècniques originals i versions apropiades de les clàssiques equacions de segon ordre ( com ara el mètode de Krylov ). També obtenim nous resultats de regularitat interior per equacions parabòliques no locals completament no lineals i amb "rough kernels''. A tal efecte, desenvolupem un mètode de blow-up i compacitat per a equacions completament no lineals que en permet provar regularitat a partir de teoremes de tipus Liouville. Aquest mètode és una contribució principal de la tesi. Els nous resultats de regularitat a la vora esmentats anteriorment són essencials en la prova d'un altre resultat principal de la tesi: la identitat Pohozaev per al Laplacià fraccionari. Aquesta identitat recorda a una fórmula d'integració per parts, però amb el Laplacià fraccionari. La novetat important és que apareix un terme de vora locals (això era inusual amb equacions no locals) . A la segona part de la tesi que donem dos exemples d'interacció entre isoperimetria i Equacions en Derivades Parcials. En el primer, s'utilitza el mètode d'Alexandrov- Bakelman-Pucci per a EDP el·líptiques a fi d'obtenir noves desigualtats isoperimètriques en cons convexos amb densitats, generalitzant una prova de la desigualtat isoperimètric clàssica de X. Cabré. Els nostres nous resultats contenen com a casos particularsla desigualtat clàssica de Wulff i la desigualtat isoperimètrica en cons de Lions-Pacella. En el segon exemple s'utilitza la desigualtat isoperimètrica i la identitat Pohozaev clàssica per establir un resultat de simetria radial per equacions de reacció-difusió de segon ordre. La novetat en aquest cas és que s'inclouen no-linealitats discontínues. Per a provar aquest resultat, estenem un argument en dues dimensions de P.-L. Lions de 1981 i podem obtenir ara resultass en dimensions superiors.Award-winnin