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Advances in Applied Mathematics
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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
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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 m i = μ ( u i ) − u i , x x , μ ( u i ) = ∫ S u i ( t , x ) d x , i = 1 , 2 , ⋯ , n , S = R / Z ≅ ( 0 , 1 ) ,问题(1.1)中的系统是由李颖颖和闫璐 [1] 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 H 1 守恒:
E
[
(
u
i
)
i
=
1
n
]
=
1
2
∫
S
(
∑
i
=
1
n
u
i
,
x
2
)
d
x
。
当 n = 1 时,问题(1.1)中的系统可简化为 μ -Camassa-Holm ( μ -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]
。
当
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 [5] 在满足 H 1 守恒和具有多尖峰孤子解的前提下,对带有 μ 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 [6] (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 μ -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 μ -CH方程和两分支 μ -CH系统,还有CH方程 [6] - [8] ,Novikov方程 [9] ,修正的CH方程 [10] [11] ,修正的 μ -CH方程 [12] , μ -Degasperis-Procesi方程 [3] 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 μ -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 ( n ≥ 2 )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 μ 形式的方程,是一种具有退化形式的方程即将算子 ( 1 − ∂ x 2 ) u 退化为 ( μ − ∂ x 2 ) u ,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 [13] 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 S ,其中 S = R / Z ≅ ( 0 , 1 ) ,为了简便,在函数空间的标记中省略 S 。另外, ( ⋅ | ⋅ ) s 表示空间 H s ( S ) 中的内积运算, s ∈ R + 。且记 Λ = 1 − ∂ x 2 , Α = μ − ∂ x 2 。
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
{ u i , t + ∑ j = 1 n u j u i , x = ∑ j ≠ i n μ ( u i , x u j ) − ∂ x Α − 1 [ μ ( u i ) ( 2 u i + ∑ j ≠ i n u j ) + ∑ j ≠ i n μ ( u j ) u j + ∑ j ≠ i n u i , x u j , x + 1 2 u i , x 2 − 1 2 ∑ j ≠ i n u j , x 2 ] u i ( 0 , x ) = u i , 0 ( x ) , x ∈ S , (2.1)
其中 i = 1 , 2 , ⋯ , n 。
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 [6] 如果 f ∈ H 3 且 ∫ S f ( x ) d x = a 0 2 ,则对任意的 ε > 0 ,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 H 3 连续稠密地嵌入 H 1 ,上述引理对于任意的 f ∈ H 1 也成立。此外,如果 ∫ S f ( x ) d x = 0 ,则有
max
x
∈
S
f
2
(
x
)
≤
1
12
∫
S
f
x
2
(
x
)
d
x
,
f
∈
H
1
。
引理2.2 [7] 令 T > 0 , u ∈ C 1 ( [ 0 , T ) ; H 2 ) ,则对任意的 t ∈ [ 0 , T ) ,至少存在一点 ξ ( t ) ∈ S 使得
ω
(
t
)
:
=
inf
x
∈
S
u
x
(
t
,
x
)
=
u
x
(
t
,
ξ
(
t
)
)
。
此外, ω ( t ) 在 ( 0 , T ) 是绝对连续函数,并且有
d ω d t = u x t ( t , ξ ( t ) ) , a . e . t ∈ ( 0 , T ) 。
引理2.3 [14] 若 r > 0 ,则 H r ∩ L ∞ 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 [15] 若 r > 0 ,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 [16] 设 1 ≤ q ≤ r ≤ p ≤ ∞ ,且 θ ∈ [ 0 , 1 ] 满足 1 r = θ q + 1 − θ p ,则对任意的 u ∈ L p ( Ω ) ∩ L q ( Ω ) 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 H 1 守恒,通过计算可知, μ ( u i ) , ∫ S u i , x 2 ( t , x ) d x 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 Α = μ − ∂ x 2 为 H s 到 H s − 2 的同构映射,具有如下性质:
∂ x Α − 1 f ( x ) = ( x − 1 2 ) ∫ 0 1 f ( x ) d x − ∫ 0 x f ( y ) d y + ∫ 0 1 ∫ 0 x f ( y ) d y d x ,
∂ x 2 Α − 1 f ( x ) = − f ( x ) + ∫ 0 1 f ( x ) d x , (2.3)
且有如下估计
‖ ∂ x Α − 1 u ‖ H s ≤ ‖ ∂ x Α − 1 u ‖ L 2 + ‖ ∂ x Α − 1 ∂ x u ‖ H s − 1 ≤ C ‖ u ‖ L 2 + ‖ − u + ∫ S u d x ‖ H s − 1 ≤ C ‖ u ‖ H s − 1 , (2.4)
其中 C > 0 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 i = 1 , 2 , ⋯ , n 。
3. 解的局部适定性
在这一部分主要利用Kato理论 [13] 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 z 0 = ( u 1 , 0 , u 2 , 0 , ⋯ , u n , 0 ) ′ ∈ ( H s ) n , s > 3 / 2 ,则存在某个时间 T > 0 使得Cauchy问题(2.1)有唯一的解 z = ( u 1 , u 2 , ⋯ , u n ) ′ ,且
z ∈ C ( [ 0 , T ) ; ( H s ) n ) ∩ C 1 ( [ 0 , T ) ; ( H s − 1 ) n ) ,
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
)
。
令
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
)
和
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
)
且
‖
(
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 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,则T是有限的使得
∫ 0 T ∑ i = 1 n ‖ u i , x ( τ ) ‖ L ∞ d τ = ∞ 。
证明 现假设初值 z 0 = ( u 1 , 0 , u 2 , 0 , ⋯ , u n , 0 ) ′ ∈ ( H s ) n , s > 3 / 2 ,根据定理3.1,假设 T > 0 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 Λ s ,两边同乘 Λ s u i 并对x在 S 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 H s 嵌入 L ∞ 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 [ 0 , t ] 上积分有
∑ i = 1 n ‖ u i ‖ H s ≤ ∑ i = 1 n ‖ u i , 0 ‖ H s + C ∫ 0 t ∑ i = 1 n ‖ u i ‖ H s ∑ j = 1 n ( ‖ u j ‖ L ∞ + ‖ u j , x ‖ L ∞ ) d τ ≤ ∑ i = 1 n ‖ u i , 0 ‖ H s + C ∫ 0 t ∑ i = 1 n ‖ u i ‖ H s ∑ i = 1 n ‖ u i , x ‖ L ∞ d τ ,
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)
若
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:
设
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
有
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 z 0 = ( u 1 , 0 , u 2 , 0 , ⋯ , u n , 0 ) ′ ∈ ( H s ) n , s > 3 / 2 , i = 1 , 2 , ⋯ , n ,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
lim inf t → T { inf x ∈ S [ u i , x ( x , t ) ] } = − ∞ 。 (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
( ∑ i = 1 n u i , x ) t + n 2 ∑ 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 μ i , 1 2 ) , (4.7)
令 m i ( t ) = u i , x ( t , α ( t ) ) = sup x ∈ S ( u i , x ( t , x ) ) , t ∈ [ 0 , T ) ,于是
u i , x x ( t , α ( t ) ) = 0 , a . e . t ∈ [ 0 , T ) 。
令 q ( t , x ) 为上述(4.5)式中定义的特征线,由于对于任意的 t ∈ [ 0 , T ) , q ( t , ⋅ ) : S → S 是微分同胚映射,因此存在 x 1 ( t ) ∈ S 使得
q ( t , x 1 ( t ) ) = α ( t ) , t ∈ [ 0 , T ) ,
令 M i ( t ) = u i , x ( t , q ( t , x 1 ) ) ,于是上述(4.7)式可改写为如下形式
∑ i = 1 n M ′ i ( t ) = − n 2 ∑ i = 1 n u i , x 2 + f ( t , q ( t , x 1 ) ) , (4.8)
其中
f = ∑ 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 ) 。
下面假设 T < ∞ ,且存在一个正数A,使得 inf x ∈ S ( u i , x ( t , x ) ) ≥ − A 。
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
| ∑ 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 ) | ≤ 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 ) : = 1 2 N 2 (4.9)
对于任意的 x ∈ S ,定义
P i ( t ) = M i ( t ) − ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ − N n , (4.10)
满足
P i ( 0 ) = u ′ i , 0 − ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ − N n ≤ 0 。
现在说明 P i ( t ) ≤ 0 , t ∈ [ 0 , T ) ,若不成立,则存在一些 t 0 ∈ [ 0 , T ) ,使得 P i ( t 0 ) > 0 ,令 t 1 = max { t < t 0 ; P i ( t ) = 0 } ,则
P i ( t 1 ) = 0 , P ′ i ( t 1 ) ≥ 0 ,
于是根据(4.10)式有
M i ( t 1 ) = ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ + N n , (4.11)
M ′ i ( t 1 ) ≥ 0 , (4.12)
另一方面,通过(4.8)式、(4.9)式以及(4.11)式有
∑ i = 1 n M ′ i ( t 1 ) = − n 2 ∑ i = 1 n u i , x 2 + f ( t 1 , q ( t 1 , x 1 ) ) ≤ − 1 2 ( ∑ i = 1 n M i ( t 1 ) ) 2 + 1 2 N 2 = − 1 2 ( ∑ i = 1 n ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ + N ) 2 + 1 2 N 2 = − 1 2 ( ∑ i = 1 n ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ 2 + 2 ∑ i = 1 n ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ N ) < 0 ,
与(4.12)式矛盾,因此对任意的 t ∈ [ 0 , T ) 有 P i ( t ) ≤ 0 ,所以
sup x ∈ S u i , x ( t , x ) ≤ ‖ u ′ i , 0 ‖ L ∞ + N n ,
又由于 inf x ∈ S u i , x ( t , x ) ≥ − A ,故 ‖ u i , x ( t , x ) ‖ L ∞ < ∞ ,根据定理4.1有 T = ∞ ,这与假设 T < ∞ 矛盾,充分性得证。
反之,如果(4.6)式成立,根据 H s 嵌入 L ∞ , s > 1 / 2 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 z 0 = ( u 1 , 0 , u 2 , 0 , ⋯ , u n , 0 ) ′ ∈ ( H s ) n , s > 3 / 2 , i = 1 , 2 , ⋯ , n ,n是偶数, T 0 > 0 是Cauchy问题(1.1)解 z = ( u 1 , u 2 , ⋯ , u n ) ′ 的最大存在时间,且 ∑ i = 1 n u i , x 在 S 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
)
,
即
|
∫
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
在
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)
令
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
)
在
[
0
,
T
)
严格单调递减。令
c
δ
=
1
2
−
1
2
(
K
−
V
(
0
)
)
n
−
1
2
∈
(
0
,
1
2
)
,
则
(
V
(
0
)
)
2
n
−
1
=
K
2
n
−
1
(
1
−
2
c
δ
)
(
2
n
−
1
)
2
<
(
V
(
t
)
)
2
n
−
1
,
即
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 z 0 = ( u 1 , 0 , u 2 , 0 , ⋯ , u n , 0 ) ′ ∈ ( H s ) n , s > 3 / 2 , i = 1 , 2 , ⋯ , n , T 0 > 0 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
lim inf t → T { inf x ∈ S [ ∑ i = 1 n u i , x ( x , t ) ] } = − ∞ 。
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
)
有
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。
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