aam Advances in Applied Mathematics 2324-7991 2324-8009 beplay体育官网网页版等您来挑战! 10.12677/aam.2024.138372 aam-94331 Articles 数学与物理 一个n分支 μ -Camassa-Holm系统解的局部适定性和爆破现象研究
Local Well-Posedness and Blow-Up Phenomena of Solutions of a n-Component μ -Camassa-Holm System
高亚琴 王海权 滕凯民 太原理工大学数学学院,山西 太原 30 07 2024 13 08 3903 3916 19 7 :2024 11 7 :2024 11 8 :2024 Copyright © 2024 beplay安卓登录 All rights reserved. 2024 This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ 首先利用Kato理论,研究了一个具有多尖峰孤子解和满足 H 1 守恒的n分支 μ -Camassa-Holm系统Cauchy问题解的局部适定性;然后利用守恒律和能量估计,研究了该系统解的爆破现象。
By utilizing Kato theory, this paper first establishes the local well-posedness of the solutions of the Cauchy problem of a n-component μ -Camassa-Holm system with multi-peakons and H 1 -conservation law. Then, the blow-up phenomena of the solutions is studied by means of conservation law and energy estimations.
n分支-Camassa-Holm系统,局部适定性,爆破现象
A n-Component -Camassa-Holm System
Local Well-Posedness Blow-Up Phenomena
1. 引言

非线性发展方程是数学学科领域内重要研究分支之一,它是描述动力学的形态随时间而改变的非线性偏微分方程的总称,在流体力学、热传导、量子力学等方面具有重要应用,对于大部分非线性发展方程而言,得到它的精确解是非常困难的,因而可以研究其Cauchy问题解的若干定性性质,从而对其他学科的研究提供理论支持。本文主要考虑具有如下形式的n分支 μ -Camassa-Holm系统Cauchy问题

{ m i , t + 2 m i u i , x + m i , x u i + ( m i j i n u j ) x + j i n m j u j , x = 0 , u i ( 0 , x ) = u i , 0 ( x ) , x S , (1.1)

解的局部适定性以及爆破现象,其中 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> m </mi> <mi> i </mi> </msub> <mo> = </mo> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> − </mo> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msub> <mo> ∫ </mo> <mi> S </mi> </msub> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mtext>   </mtext> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mtext>   </mtext> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> S </mi> <mo> = </mo> <mi> R </mi> <mo> / </mo> <mi> Z </mi> <mo> ≅ </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,问题(1.1)中的系统是由李颖颖和闫璐<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-1"> [1] </xref>提出来的,该系统具有以弱解形式存在的多尖峰孤子解并且满足 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mn> 1 </mn> </msup> </mrow> </math>守恒:

E [ ( u i ) i = 1 n ] = 1 2 S ( i = 1 n u i , x 2 ) d x

当 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> n </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </math>时,问题(1.1)中的系统可简化为 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-Camassa-Holm ( <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-CH)方程

m t + u m x + 2 u x m = 0 m = μ ( u ) u x x x S , (1.2)

方程(1.2)是由Khesin,Lenells和Misiołek在文献 [2] 中提出来的,可作为描述具有自作用和外磁场作用的向列液晶的转子的演化模型。对于该方程Cauchy问题解的适定性、尖峰孤子解的存在性以及解的爆破现象等问题的讨论,具体可见文献 [3] [4]

n = 2 时,问题(1.1)中的系统可简化为具有如下形式的两分支 μ -Camassa-Holm ( μ -CH)系统

{ m t + 2 m u x + m x u + ( m v ) x + n v x = 0 , m = μ ( u ) u x x , x S , n t + 2 n v x + n x v + ( n u ) x + m u x = 0 , n = μ ( v ) v x x , (1.3)

该系统是由李颖颖,付英和屈长征<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-5"> [5] </xref>在满足 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mn> 1 </mn> </msup> </mrow> </math>守恒和具有多尖峰孤子解的前提下,对带有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>形式且具有二次非线性的两分量CH型系统进行分类得到的,进一步他们还研究了系统(1.3) Cauchy问题解的局部适定性以及爆破现象。 解的爆破现象<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-6"> [6] </xref> (在有限时间段内,解本身是有界的,但解关于空间变量的导数是无界的)是CH型方程以及 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-CH型方程区别于著名的浅水波方程KdV方程最大的不同点之一。近二十年来,关于这两类方程解的爆破性质研究,已经取得非常丰富的成果,除了上述提到的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-CH方程和两分支 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-CH系统,还有CH方程<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-6"> [6] </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-8"> [8] </xref>,Novikov方程<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-9"> [9] </xref>,修正的CH方程<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-10"> [10] </xref> <xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-11"> [11] </xref>,修正的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-CH方程<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-12"> [12] </xref>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-Degasperis-Procesi方程<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-3"> [3] </xref>等,这些方程解的爆破现象都被不同学者进行了详细研究。本文所讨论的是一个n分支 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>-Camassa-Holm系统,它的研究还处于初级阶段,与以往所研究的方程结构不同,它本身具有n ( <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> n </mi> <mo> ≥ </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </math>)个分支,所以在讨论解的爆破性质时,需要考虑这n个分支之间的相互作用,这无疑给研究解的爆破性质带来了很大困难。另外它也是一个带有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> μ </mi> </math>形式的方程,是一种具有退化形式的方程即将算子 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> − </mo> <msubsup> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mi> u </mi> </mrow> </math>退化为 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> μ </mi> <mo> − </mo> <msubsup> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mi> u </mi> </mrow> </math>,因此对于该类型方程解的爆破性质的研究与非退化形式有很大的不同。本文首先利用Kato理论<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-13"> [13] </xref>研究问题(1.1)解的局部适定性,然后以解的局部适定性为基础,分别给出解在Sobolev空间中的爆破图景,爆破准则以及爆破结果。 本文结构如下:第二部分介绍了证明问题(1.1)解的爆破现象的一些引理;第三部分,利用Kato理论证明了该问题解的局部适定性;第四部分,依次给出了解的爆破图景、爆破准则以及爆破结果。 符号说明:本文考虑的所有函数的定义域都为 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> S </mi> </math>,其中 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> S </mi> <mo> = </mo> <mi> R </mi> <mo> / </mo> <mi> Z </mi> <mo> ≅ </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,为了简便,在函数空间的标记中省略 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> S </mi> </math>。另外, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mo> ⋅ </mo> <mo> | </mo> <mo> ⋅ </mo> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> s </mi> </msub> </mrow> </math>表示空间 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> S </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>中的内积运算, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> ∈ </mo> <msup> <mi> R </mi> <mo> + </mo> </msup> </mrow> </math>。且记 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> Λ </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> − </mo> <msubsup> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> Α </mi> <mo> = </mo> <mi> μ </mi> <mo> − </mo> <msubsup> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </math>。 2. 预备知识 首先,为了估算方便,上述问题(1.1)可以化为如下非局部形式 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mrow> <mo> { </mo> <mtable columnalign="left"> <mtr> <mtd> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> t </mi> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> j </mi> </msub> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> = </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <msub> <mi> u </mi> <mi> j </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> − </mo> <msub> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> </msub> <msup> <mi> Α </mi> <mrow> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 2 </mn> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> j </mi> </msub> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> j </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> j </mi> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> j </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <msubsup> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> <mo> − </mo> <mrow> <mrow> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> u </mi> <mrow> <mi> j </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ] </mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> <mo> , </mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mrow> </mrow> </math> (2.1) 其中 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>。 接下来介绍证明问题(2.1)爆破图景、爆破准则以及爆破结果所需要的一些引理。 引理2.1 <xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-6"> [6] </xref> 如果 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> f </mi> <mo> ∈ </mo> <msup> <mi> H </mi> <mn> 3 </mn> </msup> </mrow> </math>且 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msub> <mo> ∫ </mo> <mi> S </mi> </msub> <mrow> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> = </mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi> a </mi> <mn> 0 </mn> </msub> </mrow> <mn> 2 </mn> </mfrac> </mrow> </math>,则对任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> ε </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>,有

max x S f 2 ( x ) ε + 2 24 S f x 2 ( x ) d x + ε + 2 4 ε a 0 2

注2.1:由于 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mn> 3 </mn> </msup> </mrow> </math>连续稠密地嵌入 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mn> 1 </mn> </msup> </mrow> </math>,上述引理对于任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> f </mi> <mo> ∈ </mo> <msup> <mi> H </mi> <mn> 1 </mn> </msup> </mrow> </math>也成立。此外,如果 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msub> <mo> ∫ </mo> <mi> S </mi> </msub> <mrow> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> = </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>,则有

max x S f 2 ( x ) 1 12 S f x 2 ( x ) d x , f H 1

引理2.2 <xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-7"> [7] </xref> 令 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> T </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> u </mi> <mo> ∈ </mo> <msup> <mi> C </mi> <mn> 1 </mn> </msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ; </mo> <msup> <mi> H </mi> <mn> 2 </mn> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,则对任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,至少存在一点 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> ξ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </math>使得

ω ( t ) : = inf x S u x ( t , x ) = u x ( t , ξ ( t ) )

此外, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> ω </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>在 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>是绝对连续函数,并且有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mfrac> <mrow> <mtext> d </mtext> <mi> ω </mi> </mrow> <mrow> <mtext> d </mtext> <mi> t </mi> </mrow> </mfrac> <mo> = </mo> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> x </mi> <mi> t </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> ξ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> a </mi> <mo> . </mo> <mtext>   </mtext> <mi> e </mi> <mo> . </mo> <mtext>   </mtext> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>。 引理2.3 <xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-14"> [14] </xref> 若 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> r </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>,则 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> r </mi> </msup> <mo> ∩ </mo> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </math>是一个代数,且存在一个仅依赖于r的常数C有

f g H r C ( f L g H r + f H r g L )

引理2.4 <xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-15"> [15] </xref> 若 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> r </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>,则存在一个仅依赖于r的常数C有

[ Λ r , f ] g L 2 C ( x f L Λ r 1 g L 2 + Λ r f L 2 g L )

引理2.5 <xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-16"> [16] </xref> 设 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> ≤ </mo> <mi> q </mi> <mo> ≤ </mo> <mi> r </mi> <mo> ≤ </mo> <mi> p </mi> <mo> ≤ </mo> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>,且 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> θ </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mo> ] </mo> </mrow> </mrow> </math>满足 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mi> r </mi> </mfrac> <mo> = </mo> <mfrac> <mi> θ </mi> <mi> q </mi> </mfrac> <mo> + </mo> <mfrac> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> − </mo> <mi> θ </mi> </mrow> <mi> p </mi> </mfrac> </mrow> </math>,则对任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> u </mi> <mo> ∈ </mo> <msup> <mi> L </mi> <mi> p </mi> </msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> Ω </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ∩ </mo> <msup> <mi> L </mi> <mi> q </mi> </msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> Ω </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>有

u L r ( Ω ) u L q ( Ω ) θ u L p ( Ω ) 1 θ

最后,证明n分支 μ -Camassa-Holm 系统的一些先验估计。

由于该系统具有多尖峰孤子解以及满足 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mn> 1 </mn> </msup> </mrow> </math>守恒,通过计算可知, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msub> <mo> ∫ </mo> <mi> S </mi> </msub> <mrow> <msubsup> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </math>在时间上守恒,则有

d d t μ ( u i ) = 0

为了书写方便,记

μ i , 0 : = μ ( u i , 0 ) = μ ( u i ) μ i , 1 : = ( S u i , x 2 ( 0 , x ) d x ) 1 2

其中 i = 1 , 2 , , n

此外,利用引理2.1可得

max x S [ u i ( t , x ) μ i , 0 ] 2 1 12 S u i , x 2 ( t , x ) d x = 1 12 S u i , x 2 ( 0 , x ) d x = 1 12 μ i , 1 2

进一步有

u i ( t , x ) μ i , 0 L 3 6 μ i , 1 , (2.2)

其中 i = 1 , 2 , , n

算子 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> Α </mi> <mo> = </mo> <mi> μ </mi> <mo> − </mo> <msubsup> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </math>为 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </math>到 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mrow> <mi> s </mi> <mo> − </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </msup> </mrow> </math>的同构映射,具有如下性质: <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> </msub> <msup> <mi> Α </mi> <mrow> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> x </mi> <mo> − </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mn> 1 </mn> </msubsup> <mrow> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> − </mo> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mi> x </mi> </msubsup> <mrow> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> y </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> y </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mn> 1 </mn> </msubsup> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mi> x </mi> </msubsup> <mrow> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> y </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> y </mi> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msubsup> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> <mn> 2 </mn> </msubsup> <msup> <mi> Α </mi> <mrow> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mn> 1 </mn> </msubsup> <mrow> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> x </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </math>, (2.3) 且有如下估计 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> <mtr> <mtd> <msub> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> </msub> <msup> <mi> Α </mi> <mrow> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> <mi> u </mi> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> ≤ </mo> <msub> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> </msub> <msup> <mi> Α </mi> <mrow> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> <mi> u </mi> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mn> 2 </mn> </msup> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <msub> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> </msub> <msup> <mi> Α </mi> <mrow> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> <msub> <mo> ∂ </mo> <mi> x </mi> </msub> <mi> u </mi> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mrow> <mi> s </mi> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mo> ≤ </mo> <mi> C </mi> <msub> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mi> u </mi> <mo> ‖ </mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mn> 2 </mn> </msup> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <msub> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <mo> − </mo> <mi> u </mi> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msub> <mo> ∫ </mo> <mi> S </mi> </msub> <mrow> <mi> u </mi> <mtext> d </mtext> <mi> x </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mrow> <mi> s </mi> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mo> ≤ </mo> <mi> C </mi> <msub> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mi> u </mi> <mo> ‖ </mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mrow> <mi> s </mi> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> </mrow> </msub> <mo> , </mo> </mtd> </mtr> </mtable> </math> (2.4) 其中 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> C </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>为常数。 为了书写方便,以下证明中出现的i,如若没有特殊说明,均有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>。 3. 解的局部适定性 在这一部分主要利用Kato理论<xref ref-type="bibr" rid="hans.94331-13"> [13] </xref>研究问题(2.1)解在Sobolev空间中的局部适定性,定理如下: 定理3.1 假设初值 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> z </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> n </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> <mo> ∈ </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 3 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>,则存在某个时间 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> T </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>使得Cauchy问题(2.1)有唯一的解 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> z </mi> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mn> 2 </mn> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mi> n </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> </mrow> </math>,且 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> z </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> C </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ; </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ∩ </mo> <msup> <mi> C </mi> <mn> 1 </mn> </msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ; </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mrow> <mi> s </mi> <mo> − </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,

其中T依赖于初值 z 0

注3.1 定理3.1中解的最大存在时间T不依赖于s。

证明 考虑如下形式的方程

{ d z d t + H ( z ) z = f ( z ) , t > 0 , z ( 0 ) = z 0 ,

其中 z = ( u 1 , u 2 , , u n ) H ( z ) = ( ( i = 1 n u i ) x ) I n ( I n 表示n阶单位矩阵),且

f ( z ) = ( f 1 ( z ) , f 2 ( z ) , , f n ( z ) )

其中

f i ( z ) = j i n μ ( u i , x u j ) x Α 1 ( 2 μ i , 0 u i + μ i , 0 j i n u j + j i n μ j , 0 u j + u i , x j i n u j , x + 1 2 u i , x 2 1 2 j i n u j , x 2 )

X = ( H s 1 ) n Y = ( H s ) n Q = ( 1 x 2 ) 1 / 2 I n ,显然 Q : ( H s ) n ( H s 1 ) n 为等距映射。为了证明定理3.1,需说明 H ( z ) f ( z ) 满足Kato理论 [13] 中的三个条件,根据文献 [17] 中引理4.1~4.5,可以得到下面类似的引理:

引理3.1 算子 H ( z ) = ( ( i = 1 n u i ) x ) I n G ( ( L 2 ) n , 1 , β ) ,其中 z ( H s ) n s > 3 / 2

引理3.2 算子 H ( z ) = ( ( i = 1 n u i ) x ) I n G ( ( H s 1 ) n , 1 , β ) ,其中 z ( H s ) n s > 3 / 2

引理3.3 令算子 H ( z ) = ( ( i = 1 n u i ) x ) I n ,其中 z ( H s ) n s > 3 / 2 ,则 H ( z ) L ( ( H s ) n , ( H s 1 ) n ) ,且

( H ( y ) H ( z ) ) ω ( H s 1 ) n C 1 y z ( H s 1 ) n ω ( H s ) n , y , z , ω ( H s ) n

引理3.4 令 B ( z ) = Q H ( z ) Q 1 H ( z ) ,其中 z ( H s ) n s > 3 / 2 ,则 B ( z ) L ( ( H s 1 ) n )

( B ( y ) B ( z ) ) ω ( H s 1 ) n C 2 y z ( H s ) n ω ( H s 1 ) n , y , z ( H s ) n , ω ( H s 1 ) n

引理3.5 令 z = ( u 1 , u 2 , , u n ) ( H s ) n s > 3 / 2 f ( z ) = ( f 1 ( z ) , f 2 ( z ) , , f n ( z ) ) ,则f在空间 ( H s ) n 的有界子集上一致有界,且满足

f ( y ) f ( z ) ( H s ) n C 3 y z ( H s ) n , y , z ( H s ) n

f ( y ) f ( z ) ( H s 1 ) n C 4 y z ( H s 1 ) n , y , z ( H s ) n

注3.2上述引理3.3~3.5中出现的C1,C2,C3,C4均依赖于 max ( y ( H s ) n , z ( H s ) n )

最后,根据引理3.1~3.5,再结合Kato理论 [13] ,可以得到问题(2.1)解的局部适定性,即定理3.1。

4. 爆破现象 这一部分以局部适定性的结果为基础,研究问题(2.1)解在Sobolev空间中的爆破图景、爆破准则以及爆破结果,首先给出如下爆破图景: 定理4.1 假设初值 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> z </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> n </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> <mo> ∈ </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 3 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>,且T是Cauchy问题(2.1)解的最大存在时间,则T是有限的使得 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mi> T </mi> </msubsup> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> τ </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mtext> d </mtext> <mi> τ </mi> <mo> = </mo> <mi> ∞ </mi> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </math>。 证明 现假设初值 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> z </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> n </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> <mo> ∈ </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 3 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>,根据定理3.1,假设 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> T </mi> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>是问题(2.1)解的最大存在时间。 对系统(2.1)中第i个方程利用 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> Λ </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </math>,两边同乘 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> Λ </mi> <mi> s </mi> </msup> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> </math>并对x在 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> S </mi> </math>上积分有

1 2 d d t u i H s 2 + ( j = 1 n u j u i , x , u i ) s = ( u i , f i ( z ) ) s , (4.1)

其中

f i ( z ) = j i n μ ( u i , x u j ) x Α 1 ( 2 μ i , 0 u i + μ i , 0 j i n u j + j i n μ j , 0 u j + u i , x j i n u j , x + 1 2 u i , x 2 1 2 j i n u j , x 2 )

利用Hölder不等式以及引理2.4对(4.1)式左边第二项进行估计有

| ( u i , x j = 1 n u j , u i ) s | = | ( [ Λ s , j = 1 n u j ] u i , x , Λ s u i ) 0 + ( j = 1 n u j Λ s u i , x , Λ s u i ) 0 | [ Λ s , j = 1 n u j ] u i , x L 2 Λ s u i L 2 + 1 2 | ( j = 1 n u j , x Λ s u i , Λ s u i ) 0 | C ( j = 1 n u j , x L u i H s + u i , x L j = 1 n u j H s ) u i H s + 1 2 j = 1 n u j , x L u i H s 2 C ( j = 1 n u j , x L ) ( j = 1 n u j H s 2 ) , (4.2)

接下来根据(2.4)式、引理2.3以及 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </math>嵌入 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </math>对(4.1)式右边进行估计有

| ( u i , f i ( z ) ) s | = | ( j i n μ ( u i , x u j ) x Α 1 ( 2 μ i , 0 u i + μ i , 0 j i n u j + j i n μ j , 0 u j + u i , x j i n u j , x + 1 2 u i , x 2 1 2 j i n u j , x 2 ) , u i ) s | j i n | μ ( u i , x u j ) | u i H s + C u i H s ( j = 1 n u j 2 H s 1 + j = 1 n u j , x 2 H s 1 ) C u i H s ( j i n u i , x L u j L + j = 1 n u j L u j H s 1 + j = 1 n u j , x L u j , x H s 1 ) C ( j = 1 n ( u j L + u j , x L ) ) ( j = 1 n u j H s 2 ) , (4.3)

因此,结合(4.1)式~(4.3)式,有

1 2 d d t ( i = 1 n u i H s 2 ) C ( j = 1 n ( u j L + u j , x L ) ( j = 1 n u j H s 2 ) )

对t在 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> t </mi> </mrow> <mo> ] </mo> </mrow> </mrow> </math>上积分有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> <mtr> <mtd> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> ≤ </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mi> C </mi> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mi> t </mi> </msubsup> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> j </mi> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> j </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> </mrow> </mstyle> <mtext>   </mtext> <mtext> d </mtext> <mi> τ </mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mtext>   </mtext> <mo> ≤ </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mi> C </mi> <mstyle displaystyle="true"> <mrow> <msubsup> <mo> ∫ </mo> <mn> 0 </mn> <mi> t </mi> </msubsup> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> </mrow> </mrow> </mstyle> <mtext> d </mtext> <mi> τ </mi> <mo> , </mo> </mtd> </mtr> </mtable> </math> 最后利用Gronwall不等式可以得到

i = 1 n u i H s i = 1 n u i , 0 H s exp { C 0 t i = 1 n u i , x L d τ } , (4.4)

T < 满足 0 T i = 1 n u i , x L d τ < ,则根据(4.4)式有

lim t T sup x S i = 1 n u i H s <

于是 T = ,与假设 T < 矛盾,这也就完成了定理4.1的证明。

其次,在给出爆破准则前先介绍如下定义:

q ( t , x ) 是随着解 z ( t , x ) 发展的例子轨迹,并且满足方程

{ q t ( t , x ) = z ( t , q ( t , x ) ) , ( t , x ) ( 0 , T ) × S , q ( 0 , x ) = x , x S , (4.5)

其中 z = ( u 1 , u 2 , , u n ) C 1 ( [ 0 , T ) , ( H s 1 ) n ) 是Cauchy问题(2.1)的解,初值 z 0 = ( u 1 , 0 , u 2 , 0 , , u n , 0 ) ( H s ) n s > 3 / 2 i = 1 , 2 , , n ,且T是Cauchy问题(2.1)解的最大存在时间。通过计算有

q t x ( t , x ) = z x ( t , q ( t , x ) ) q x ( t , x )

于是对于 ( t , x ) [ 0 , T ) × S

q x ( t , x ) = exp { 0 t z x ( τ , q ( τ , x ) ) d τ } > 0

因此对于任意的 t [ 0 , T ) q ( t , ) : S S 是微分同胚映射。

接着利用上述定义、守恒律以及定理4.1给出问题(2.1)解的爆破准则。

定理4.2 假设初值 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> z </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> n </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> <mo> ∈ </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 3 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>,T是Cauchy问题(2.1)解的最大存在时间,则T是有限的当且仅当满足 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <munder> <mrow> <mi> lim </mi> <mi> inf </mi> </mrow> <mrow> <mi> t </mi> <mo> → </mo> <mi> T </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo> { </mo> <mrow> <munder> <mrow> <mi> inf </mi> </mrow> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> x </mi> <mo> , </mo> <mi> t </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ] </mo> </mrow> </mrow> <mo> } </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mtext>   </mtext> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>。 (4.6)

证明 利用定理3.1以及稠密性定理,接下来考虑 s = 3 的情况。将系统(2.1)中的前n个方程相加并通过整理可得

( i = 1 n u i ) t + ( i = 1 n u i ) ( i = 1 n u i , x ) = x Α 1 [ ( n + 1 ) i = 1 n μ ( u i ) u i + i = 1 n ( μ ( u i ) j i n u j ) + 2 1 i < j n u i , x u j , x n 2 2 ( i = 1 n u i , x 2 ) ] ,

上述等式左右两边对x求偏导同时利用(2.3)式可以得到

( i = 1 n u i , x ) t + i = 1 n u i , x 2 + ( i = 1 n u i ) ( i = 1 n u i , x x ) = i = 1 n ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) n 2 2 ( i = 1 n u i , x 2 ) + n 2 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ,

通过整理有

<math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> <mtr> <mtd> <msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mi> t </mi> </msub> <mo> + </mo> <mfrac> <mi> n </mi> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> </mrow> </mstyle> 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<mn> 1 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> , </mo> </mtd> </mtr> </mtable> </math> (4.7) 令 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> m </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> α </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <munder> <mrow> <mi> sup </mi> </mrow> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,于是 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> α </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> a </mi> <mo> . </mo> <mtext>   </mtext> <mi> e </mi> <mo> . </mo> <mtext>   </mtext> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>。 令 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> q </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>为上述(4.5)式中定义的特征线,由于对于任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> q </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mo> ⋅ </mo> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> : </mo> <mi> S </mi> <mo> → </mo> <mi> S </mi> </mrow> </math>是微分同胚映射,因此存在 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> x </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </math>使得 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> q </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <msub> <mi> x </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mi> α </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>, 令 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> M </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> q </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <msub> <mi> x </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,于是上述(4.7)式可改写为如下形式 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <msup> <mi> M </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mfrac> <mi> n </mi> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> q </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <msub> <mi> x </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>, (4.8) 其中 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> f </mi> <mo> = </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> n </mi> <mo> + </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> 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<mfrac> <mrow> <mi> n </mi> <mo> − </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>。 下面假设 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> T </mi> <mo> < </mo> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>,且存在一个正数A,使得 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <munder> <mrow> <mi> inf </mi> </mrow> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≥ </mo> <mo> − </mo> <mi> A </mi> </mrow> </math>。

结合

2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) 1 i < j n ( μ i , 1 2 + μ j , 1 2 ) = ( n 1 ) ( i = 1 n μ i , 1 2 )

以及(2.2)式对函数f进行估计有

<math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable columnalign="left"> <mtr> <mtd> <mrow> <mo> | </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> n </mi> <mo> + </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> j </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mi> i </mi> </msub> <mo> − </mo> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> − </mo> <mn> 2 </mn> <mstyle displaystyle="true"> <munder> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> ≤ </mo> <mi> i </mi> <mo> < </mo> <mi> j </mi> <mo> ≤ </mo> <mi> n </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mi> μ </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> j </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mfrac> <mrow> <mi> n </mi> <mo> − </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> | </mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo> ≤ </mo> <mfrac> <mrow> <msqrt> <mn> 3 </mn> </msqrt> </mrow> <mn> 6 </mn> </mfrac> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> </msub> <mrow> <mo> | </mo> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> n </mi> <mo> + </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> j </mi> <mo> ≠ </mo> <mi> i </mi> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> j </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> | </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mfrac> <mrow> <mn> 3 </mn> <mi> n </mi> <mo> − </mo> <mn> 4 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> μ </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo> : </mo> <mo> = </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <msup> <mi> N </mi> <mn> 2 </mn> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </math> (4.9) 对于任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </math>,定义 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <msub> <mi> M </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> − </mo> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> − </mo> <mfrac> <mi> N </mi> <mi> n </mi> </mfrac> </mrow> </math>, (4.10) 满足 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mn> 0 </mn> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> − </mo> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> − </mo> <mfrac> <mi> N </mi> <mi> n </mi> </mfrac> <mo> ≤ </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>。 现在说明 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≤ </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,若不成立,则存在一些 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>,使得 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 0 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>,令 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mo> = </mo> <mi> max </mi> <mrow> <mo> { </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> < </mo> <msub> <mi> t </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> ; </mo> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> <mo> } </mo> </mrow> </mrow> </math>,则 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <msup> <mi> P </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≥ </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>, 于是根据(4.10)式有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> M </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> = </mo> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <mfrac> <mi> N </mi> <mi> n </mi> </mfrac> </mrow> </math>, (4.11) <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <msup> <mi> M </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≥ </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>, (4.12) 另一方面,通过(4.8)式、(4.9)式以及(4.11)式有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mtable> <mtr> <mtd> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <msup> <mi> M </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mfrac> <mi> n </mi> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mi> f </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mo> , </mo> <mi> q </mi> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mo> , </mo> <msub> <mi> x </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo> ≤ </mo> <mo> − </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> M </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> t </mi> <mn> 1 </mn> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mn> 2 </mn> </msup> <mo> + </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <msup> <mi> N </mi> <mn> 2 </mn> </msup> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <msup> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mi> N </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mn> 2 </mn> </msup> <mo> + </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <msup> <mi> N </mi> <mn> 2 </mn> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mfrac> <mn> 1 </mn> <mn> 2 </mn> </mfrac> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msubsup> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> <mn> 2 </mn> </msubsup> </mrow> </mstyle> <mo> + </mo> <mn> 2 </mn> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> <mi> N </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> < </mo> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> </mtd> </mtr> </mtable> </math> 与(4.12)式矛盾,因此对任意的 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> t </mi> <mo> ∈ </mo> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mn> 0 </mn> <mo> , </mo> <mi> T </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </math>有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> P </mi> <mi> i </mi> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mi> t </mi> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≤ </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>,所以 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <munder> <mrow> <mi> sup </mi> </mrow> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </munder> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≤ </mo> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <msup> <mi> u </mi> <mo> ′ </mo> </msup> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> + </mo> <mfrac> <mi> N </mi> <mi> n </mi> </mfrac> </mrow> </math>, 又由于 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <munder> <mrow> <mi> inf </mi> </mrow> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </munder> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> <mo> ≥ </mo> <mo> − </mo> <mi> A </mi> </mrow> </math>,故 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mrow> <mrow> <mo> ‖ </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> t </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ‖ </mo> </mrow> </mrow> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </msub> <mo> < </mo> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>,根据定理4.1有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> T </mi> <mo> = </mo> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>,这与假设 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> T </mi> <mo> < </mo> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>矛盾,充分性得证。 反之,如果(4.6)式成立,根据 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> </math>嵌入 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msup> <mi> L </mi> <mi> ∞ </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>可知,解在有限时间内爆破,必要性得证。这就完成了定理4.2的证明。 最后,根据定理4.2给出问题(2.1)解的两个爆破结果。 定理4.3 假设初值 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> z </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> n </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> <mo> ∈ </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 3 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>,n是偶数, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> T </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>是Cauchy问题(1.1)解 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> z </mi> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mn> 1 </mn> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mn> 2 </mn> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mi> n </mi> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> </mrow> </math>的最大存在时间,且 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> </mrow> </mstyle> </mrow> </math>在 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi> S </mi> </math>上不变号,如果

S ( i = 1 n u i , 0 ) d x < n ( i = 1 n μ i , 1 2 ) [ 2 ( n + 1 ) n 1 ( 3 6 i = 1 n μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + 3 n 4 2 i = 1 n μ i , 1 2 ) ] n 1 2 : K

则解在有限时间T内发生爆破,其中

0 < T 2 n 1 n 1 ( i = 1 n μ i .1 2 ) 1 n 1 ( S ( i = 1 n u i , 0 ) n + 1 d x ) 1 n 1 + [ K ( S ( i = 1 n u i , 0 ) n + 1 d x ) n 2 + 2 n + 1 ( n 1 ) 2 ] n 1 2

且有

lim inf t T { inf x S [ i = 1 n u i , x ( x , t ) ] } =

证明 根据定理3.1,存在 T 0 > 0 使得Cauchy问题(2.1)存在唯一的解 z = ( u 1 , u 2 , , u n ) C ( [ 0 , T 0 ) ; ( H s ) n )

首先,将(4.7)式左右两边同乘 ( n + 1 ) ( i = 1 n u i , x ) n 并对x在 S 上积分有

d d t S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x + n ( n + 1 ) 2 S ( i = 1 n u i , x 2 ) ( i = 1 n u i , x ) n d x S ( i = 1 n u i , x ) n + 2 d x = ( n + 1 ) S ( i = 1 n u i , x ) n [ i = 1 n ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) + n 2 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ] d x ,

另外根据

S ( i = 1 n u i , x 2 ) ( i = 1 n u i , x ) n d x 1 n S ( i = 1 n u i , x ) n + 2 d x

可以得到

d d t S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x + n 1 2 S ( i = 1 n u i , x ) n + 2 d x ( n + 1 ) S ( i = 1 n u i , x ) n [ i = 1 n ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) + n 2 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ] d x , (4.13)

接下来对不等式(4.13)左边第二项进行估计。利用引理2.5有

i = 1 n u i , x L n + 1 i = 1 n u i , x L 2 2 n ( n + 1 ) i = 1 n u i , x L n + 2 ( n 1 ) ( n + 2 ) n ( n + 1 )

从而可以得到

S ( i = 1 n u i , x ) n + 2 d x 1 ( n ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ) 1 n 1 ( S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x ) n n 1 。 (4.14)

紧接着对(4.13)式右边进行估计。同样的方法,利用引理2.5有

i = 1 n u i , x L n i = 1 n u i , x L 2 2 n ( n 1 ) i = 1 n u i , x L n + 1 ( n + 1 ) ( n 2 ) n ( n 1 )

| S ( i = 1 n u i , x ) n d x | S | i = 1 n u i , x | n d x n 1 n 1 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) 1 n 1 ( S | i = 1 n u i , x | n + 1 d x ) n 2 n 1

根据假设 i = 1 n u i , x S 上不变号,则可以得到

| S ( i = 1 n u i , x ) n d x | n 1 n 1 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) 1 n 1 ( S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x ) n 2 n 1 。 (4.15)

再结合(2.2)式以及

2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) 1 i < j n ( μ i , 1 2 + μ j , 1 2 ) = ( n 1 ) ( i = 1 n μ i , 1 2 )

可以得到

| ( n + 1 ) S ( i = 1 n u i , x ) n [ i = 1 n ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) + n 2 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ] d x | ( n + 1 ) n 1 n 1 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) 1 n 1 ( S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x ) n 2 n 1 [ 3 6 i = 1 n μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + 3 n 4 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ] , (4.16)

最后,将(4.13)式~(4.16)式相结合可得

d d t S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x ( S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x ) n 2 n 1 [ n 1 2 1 n 1 n 1 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) 1 n 1 ( S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x ) 2 n 1 + ( n + 1 ) n 1 n 1 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) 1 n 1 [ 3 6 i = 1 n μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + 3 n 4 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) ] ] (4.17)

V ( t ) = S ( i = 1 n u i , x ) n + 1 d x t [ 0 , T )

K : = n ( i = 1 n μ i , 1 2 ) [ 2 ( n + 1 ) n 1 ( 3 6 i = 1 n μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + 3 n 4 2 i = 1 n μ i , 1 2 ) ] n 1 2 c : = n 1 n 1 n 1 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) 1 n 1

则(4.17)式可写为

d d t V ( t ) [ V ( t ) ] n 2 n 1 ( 1 2 c ( V ( t ) ) 2 n 1 + 1 2 c K 2 n 1 ) 。 (4.18)

根据假设条件 V ( 0 ) < K ,则 V ( 0 ) < 0 ,且 V ( t ) [ 0 , T ) 严格单调递减。令

c δ = 1 2 1 2 ( K V ( 0 ) ) n 1 2 ( 0 , 1 2 )

( V ( 0 ) ) 2 n 1 = K 2 n 1 ( 1 2 c δ ) ( 2 n 1 ) 2 < ( V ( t ) ) 2 n 1

K 2 n 1 < ( 1 2 c δ ) ( 2 n 1 ) 2 ( V ( t ) ) 2 n 1 , (4.19)

将(4.19)式代入到(4.18)式,可以得到

d d t V ( t ) 1 2 c [ V ( t ) ] n n 1 ( 1 ( 1 2 c δ ) 4 ( n 1 ) 2 ) δ [ V ( t ) ] n n 1 t [ 0 , T )

不等式两边对t在 [ 0 , t ) 上积分可得

V ( t ) V ( 0 ) ( 1 + δ n 1 t ( V ( 0 ) ) 1 n 1 ) n 1

这也就是说

T 1 δ n 1 ( V ( 0 ) ) 1 n 1 < +

根据定理4.2有

lim inf t T { inf x S [ i = 1 n u i , x ( x , t ) ] } =

这也就完成了定理4.3的证明。

定理4.4 假设初值 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> z </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> = </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> n </mi> <mo> , </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </msub> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mo> ′ </mo> </msup> <mo> ∈ </mo> <msup> <mrow> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <msup> <mi> H </mi> <mi> s </mi> </msup> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> <mi> n </mi> </msup> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> s </mi> <mo> > </mo> <mrow> <mn> 3 </mn> <mo> / </mo> <mn> 2 </mn> </mrow> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mn> 2 </mn> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mo> ⋯ </mo> <mo> , </mo> <mtext>   </mtext> <mi> n </mi> </mrow> </math>, <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <msub> <mi> T </mi> <mn> 0 </mn> </msub> <mo> > </mo> <mn> 0 </mn> </mrow> </math>是Cauchy问题(2.1)解的最大存在时间,如果

inf x S ( i = 1 n u i , 0 ( x ) ) < i = 1 n 3 3 μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + ( 3 n 4 ) ( i = 1 n μ i , 1 2 ) : Q

则解在有限时间T内发生爆破,其中

0 < T 2 inf x S ( i = 1 n u i , 0 ( x ) ) + Q inf x S ( i = 1 n u i , 0 ( x ) )

且有 <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> <munder> <mrow> <mi> lim </mi> <mi> inf </mi> </mrow> <mrow> <mi> t </mi> <mo> → </mo> <mi> T </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo> { </mo> <mrow> <munder> <mrow> <mi> inf </mi> </mrow> <mrow> <mi> x </mi> <mo> ∈ </mo> <mi> S </mi> </mrow> </munder> <mrow> <mo> [ </mo> <mrow> <mstyle displaystyle="true"> <munderover> <mo> ∑ </mo> <mrow> <mi> i </mi> <mo> = </mo> <mn> 1 </mn> </mrow> <mi> n </mi> </munderover> <mrow> <msub> <mi> u </mi> <mrow> <mi> i </mi> <mo> , </mo> <mi> x </mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo> ( </mo> <mrow> <mi> x </mi> <mo> , </mo> <mi> t </mi> </mrow> <mo> ) </mo> </mrow> </mrow> </mstyle> </mrow> <mo> ] </mo> </mrow> </mrow> <mo> } </mo> </mrow> <mo> = </mo> <mo> − </mo> <mtext>   </mtext> <mi> ∞ </mi> </mrow> </math>。

证明 利用定理3.1以及稠密性定理,接下来考虑 s = 2 的情况。令 ω = i = 1 n u i ,则(4.7)式可写为

ω x , t + ω ω x x + n 2 ( i = 1 n u i , x 2 ) = i = 1 n ( ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) + n 2 2 i = 1 n μ i , 1 2

根据引理2.2,现定义 l ( t ) = ω x ( t , ξ ( t ) ) = inf x S [ ω x ( t , x ) ] ,则对任意的 t [ 0 , T ) ω x x ( t , ξ ( t ) ) = 0 ,于是有

l ( t ) + n 2 ( i = 1 n u i , x 2 ) = i = 1 n ( ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) + n 2 2 i = 1 n μ i , 1 2 , a . e . t [ 0 , T ) 。 (4.20)

利用(2.2)式以及

2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) 1 i < j n ( μ i , 1 2 + μ j , 1 2 ) = ( n 1 ) ( i = 1 n μ i , 1 2 )

对等式(4.20)右边进行估计有

| i = 1 n ( ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 ) ( u i μ i , 0 ) 2 1 i < j n μ ( u i , x u j , x ) + n 2 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) | i = 1 n 3 6 μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + 3 n 4 2 ( i = 1 n μ i , 1 2 ) : = 1 2 Q 2 , (4.21)

再根据

i = 1 n u i , x 2 1 n ( i = 1 n u i , x ) 2

以及(4.20)式、(4.21)式可以推出

l ( t ) 1 2 l 2 ( t ) + 1 2 Q 2

其中

Q = i = 1 n 3 3 μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + ( 3 n 4 ) ( i = 1 n μ i , 1 2 )

重复上述定理4.3的证明可知,如果

l ( 0 ) < i = 1 n 3 3 μ i , 1 | ( n + 1 ) μ i , 0 + j i n μ j , 0 | + ( 3 n 4 ) ( i = 1 n μ i , 1 2 )

则T是有限的,且有

0 < T 2 l ( 0 ) + Q l ( 0 )

以及

lim t T l ( t ) =

这就完成了定理4.4的证明。

基金项目

山西省基础研究计划项目(20210302124259)。

NOTES

*通讯作者。

References 李颖颖, 闫璐. 具有尖峰孤子解的三分量μ-Camassa-Holm方程组[J]. 纯粹数学与应用数学, 2020, 36(2): 168-183. Khesin, B., Lenells, J. and Misiołek, G. (2008) Generalized Hunter-Saxton Equation and the Geometry of the Group of Circle Diffeomorphisms. Mathematische Annalen, 342, 617-656. >https://doi.org/10.1007/s00208-008-0250-3 Fu, Y., Liu, Y. and Qu, C. (2012) On the Blow-Up Structure for the Generalized Periodic Camassa-Holm and Degasperis-Procesi Equations. Journal of Functional Analysis, 262, 3125-3158. >https://doi.org/10.1016/j.jfa.2012.01.009 Lenells, J., Misiołek, G. and Tiğlay, F. (2010) Integrable Evolution Equations on Spaces of Tensor Densities and Their Peakon Solutions. Communications in Mathematical Physics, 299, 129-161. >https://doi.org/10.1007/s00220-010-1069-9 Li, Y., Fu, Y. and Qu, C. (2020) The Two-Component-Camassa-Holm System with Peaked Solutions. Discrete & Continuous Dynamical Systems A, 40, 5929-5954. >https://doi.org/10.3934/dcds.2020253 Constantin, A. (2000) On the Blow-Up of Solutions of a Periodic Shallow Water Equation. Journal of Nonlinear Science, 10, 391-399. >https://doi.org/10.1007/s003329910017 Constantin, A. and Escher, J. (1998) Wave Breaking for Nonlinear Nonlocal Shallow Water Equations. Acta Mathematica, 181, 229-243. >https://doi.org/10.1007/bf02392586 Constantin, A. and Escher, J. (2000) On the Blow-Up Rate and the Blow-Up Set of Breaking Waves for a Shallow Water Equation. Mathematische Zeitschrift, 233, 75-91. >https://doi.org/10.1007/pl00004793 Wu, X. and Yin, Z. (2012) Well-Posedness and Global Existence for the Novikov Equation. Annali Scuola Normale Superiore-Classe di Scienze, 11, 707-727. >https://doi.org/10.2422/2036-2145.201007_001 Fu, Y., Gui, G., Liu, Y. and Qu, C. (2013) On the Cauchy Problem for the Integrable Modified Camassa-Holm Equation with Cubic Nonlinearity. Journal of Differential Equations, 255, 1905-1938. >https://doi.org/10.1016/j.jde.2013.05.024 Gui, G., Liu, Y., Olver, P.J. and Qu, C. (2012) Wave-Breaking and Peakons for a Modified Camassa-Holm Equation. Communications in Mathematical Physics, 319, 731-759. >https://doi.org/10.1007/s00220-012-1566-0 Qu, C., Fu, Y. and Liu, Y. (2014) Well-Posedness, Wave Breaking and Peakons for a Modified Μ-Camassa-Holm Equation. Journal of Functional Analysis, 266, 433-477. >https://doi.org/10.1016/j.jfa.2013.09.021 Kato, T. (1975) Quasi-Linear Equations of Evolution, with Applications to Partial Differential Equations. In: Everitt, W.N., Ed., Spectral Theory and Differential Equations, Springer, Berlin, 25-70. >https://doi.org/10.1007/bfb0067080 Kato, T. and Ponce, G. (1988) Commutator Estimates and the Euler and Navier‐Stokes Equations. Communications on Pure and Applied Mathematics, 41, 891-907. >https://doi.org/10.1002/cpa.3160410704 Iorio Jr, R.J. and Iorio, V.d.M. (2001) Fourier Analysis and Partial Differential Equations. Cambridge University Press, Cambridge. >https://doi.org/10.1017/cbo9780511623745 Evans, L.C. (1998) Partial Differential Equations. Journal of Symbolic Logic, American Mathematical Society, 19, 623-624. Fu, Y. and Qu, C. (2009) Well Posedness and Blow-Up Solution for a New Coupled Camassa-Holm Equations with Peakons. Journal of Mathematical Physics, 50. >https://doi.org/10.1063/1.3064810
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