具常重特征的拟线性双曲组的经典解的奇性形成
Formation of Singularities for Quasilinear Hyperbolic Systems with Characteristic with Constant Multiplicity
摘要: 文章研究的是带有非齐次项的且具常重特征的拟线性双曲组,其中源项满足相应的匹配条件。不加重特征是线性退化的限制,考虑具有一定衰减性的初值Cauchy问题的C1解的整体存在性及破裂现象并估计出解的生命跨度。
Abstract: The problem which we research on is inhomogeneous quasilinear hyperbolic systems with char-acteristics with constant multiplicity, where the source term satisfied the corresponding matching condition. And we don’t restrict the condition that the characteristics with multiplicity are weakly linearly degenerate. Next, we shall investigate the global existence or the blow-up phenomenon of C1 solutions to the Cauchy problem with weaker decaying initial data and estimate the life-span of C1 solutions.
文章引用:张孟洁, 徐玉梅. 具常重特征的拟线性双曲组的经典解的奇性形成[J]. 应用数学进展, 2019, 8(4): 731-746. https://doi.org/10.12677/AAM.2019.84083

1. 引言及主要结果

考虑下面的一阶拟线性双曲组

u t + A ( u ) u x = F ( u ) , (1.1)

其中 u = ( u 1 , , u n ) T 是变量 ( t , x ) 的未知向量函数,而 A ( u ) = ( a i j ( u ) ) ( i , j = 1 , , n ) 是元素适当光滑的 n × n 矩阵,非齐次项 F ( u ) = ( F 1 ( u ) , , F n ( u ) ) T 是元素适当光滑的向量函数。由双曲性可知,对所考虑范围上任一给定的u值, A ( u ) 有n个实的特征值 λ 1 ( u ) , λ n ( u ) 和一个完备的左(右)特征向量组。对于 i = 1 , , n ,令 l i ( u ) = ( l i 1 ( u ) , , l i n ( u ) ) (相应地, r i ( u ) = ( r i 1 ( u ) , , r i n ( u ) ) T )是对应于 λ i ( u ) 的左(相应地,右)特征向量:

l i ( u ) A ( u ) = λ i ( u ) l i ( u ) ( , A ( u ) r i ( u ) = λ i ( u ) r i (u))

det | l i j ( u ) | 0 ( , det | r i j ( u ) | 0 ) .

不失一般性,假设在所考虑的范围上

l i ( u ) r j ( u ) δ i j , ( i , j = 1 , , n ) , (1.2)

r i T ( u ) r i ( u ) 1 , ( i = 1 , , n ) ,

其中 δ i j 是Kronecker符号。

在方程组是严格双曲的假设下,早期利用弱线性退化的概念,李大潜、周忆和孔德兴在 [1] [2] 中,对方程组(1.1)具一定衰减性的小C1初值的Cauchy问题给出了C1解的整体存在性和破裂现象的结果。之后,这些结果又被推广到具有常重特征的非严格双曲组的情况( [3] 及 [4] ),这里所有的常重特征均为或均假设为线性退化的。其后,王利彬在不加重特征是线性退化的限制下,对具有一定衰减性的小C1初值的Cauchy问题解决了C1解的破裂问题( [5] )。本文在王利彬的基础上,将齐次项改为非齐次项 F ( u ) ,考虑当 F ( u ) C 3 且满足匹配条件时,对上面的Cauchy问题,其C1解在有限时间内的奇性形成问题。

在本文中,对于具常重特征的双曲组(1.1)恒假设所有 λ i ( u ) , l i j ( u ) r i j ( u ) ( i , j = 1 , , n ) 均与 a i j ( u ) ( i , j = 1 , , n ) 有同样的正规性。

不失一般性,设在 u = 0 的某个邻域内成立

λ ( u ) = λ 1 ( u ) λ p ( u ) < λ p + 1 ( u ) < < λ n ( u ) , (1.3)

其中 1 p n 。当 p = 1 时,方程组(1.1)是严格双曲的;当 p > 1 时,方程组(1.1)是具常重特征 p ( > 1 ) 的非严格双曲组。

为了简练,本文不再赘述弱线性退化,标准坐标和匹配条件的概念(看 [6] )。

考虑方程组(1.1)具如下初值

u ( 0 , x ) = ε ψ ( x ) (1.4)

的Cauchy问题,其中 ε > 0 是一个小参数。本文的主要结果是:

定理1.1:设方程组(1.1)是非严格双曲组,(1.3)式成立,且在 u = 0 的某个邻域中,A是适当光滑的,进一步假设 F C 3 满足匹配条件且系统(1.1)不是弱线性退化的,且

α = min { α i | i J } < + ,

其中 α i 的定义见 [2] 。最后假设 ψ C 1 且满足

sup x R { ( 1 + | x | ) μ ( | ψ ( x ) | + | ψ ( x ) | ) } < + , (1.5)

其中 α 2 + ( 2 + ρ ) α + ρ + 1 α 2 + ( 2 + ρ ) α + ρ + 2 ρ < μ < 1 ρ ( 1 , 2 ) 是一个常数,令

J 1 = { i | i J , α i = α } ,

如果存在 m J 1 ,使得

l m ( 0 ) ψ ( x ) 0 ,

那么一定存在适当小的 ε 0 > 0 ,使得对任意给定的 ε ( 0 , ε 0 ] ,Cauchy问题(1.1)和(1.4)的C1 u = u ( t , x ) 的一阶偏导数 u x 必在有限时间内破裂且生命跨度 T ˜ ( ε ) 满足

lim ε 0 + ε 1 + α T ˜ ( ε ) = M 0 ,

其中

M 0 = { max i J 1 sup x R ( 1 α ! d α + 1 λ i ( u ( i ) ( s ) ) d s α + 1 | s = 0 ( l i ( 0 ) ψ ( x ) ) α l i ( 0 ) ψ ( x ) ) } 1 . (1.6)

u = u ( i ) ( s ) 的定义见 [2] 。

2. 预备知识

w i = l i ( u ) u x , ( i = 1 , , n ) . (2.1)

由(1.2)易知

u x = k = 1 n w k r k ( u ) . (2.2)

d d i t = t + λ i ( u ) x

表示沿第i特征关于t的方向导数,有(参见 [6] )

d u d i t = k = 1 n ( λ i ( u ) λ k ( u ) ) w k r k + F ( u ) ( i = 1 , , n ) ,

然后,在广义的标准坐标下,易得

d u i d i t = j , k = 1 n ( ρ i j k ( u ) u j w k + f i j k ( u ) u j u k ) ( i = 1 , , n ) , (2.3)

其中

ρ i j k ( u ) = ( λ k ( u ) λ i ( u ) ) ( 1 δ j k ) 0 1 r k i u j ( τ u 1 , , τ u k 1 , u k , τ u k + 1 , , τ u n ) d τ ,

f i j k ( u ) = ( 1 δ i j ) 0 1 θ k ( τ ) 0 1 2 F i ( σ τ u 1 , , σ τ u i 1 , σ u i , σ τ u i + 1 , , σ τ u n ) u j u k d σ d τ ,

θ k ( τ ) = { τ , k i , 1 , k = i .

显然

ρ i j j ( u ) 0 , i , j , (2.4)

ρ i j k ( u ) 0 , i , k { 1 , , p } , j , (2.5)

f i i k ( u ) 0 , i , k . (2.6)

而且,由(2.2)和(2.3),有

d [ u i ( d x λ i ( u ) d t ) ] = j , k = 1 n ( F i j k ( u ) u j w k + f i j k ( u ) u j u k ) d t d x ,

其中

F i j k ( u ) = ρ i j k ( u ) + λ j ( u ) r k ( u ) δ i j . (2.7)

另一方面,有

d w i d i t = j , k = 1 n ( Q i j k ( u ) u k w j + γ i j k ( u ) w j w k ) ( i = 1 , , n ) , (2.8)

其中

Q i j k ( u ) = ( 1 δ j k ) 0 1 v ˜ i j u k ( τ u 1 , , τ u j 1 , u j , τ u j + 1 , , τ u n ) d τ ,

γ i j k ( u ) = 1 2 { ( λ j ( u ) λ k ( u ) ) l i ( u ) r k ( u ) r j ( u ) λ k ( u ) r j ( u ) δ i k + ( j | k ) } ,

其中 ( j | k ) 表示在前面各项中交换j与k后所得的项。

v ˜ i j ( u ) = k = 1 n ( l i ( u ) r j ( u ) F ( u ) ) + l i ( u ) F ( u ) r j ( u ) . (2.9)

因此,

Q i j j ( u ) 0 , i , j , (2.10)

γ i j j ( u ) 0 , j i ( i , j = 1 , , n ) , (2.11)

γ i j k ( u ) 0 , j , k { 1 , , p } , i { p + 1 , , n } , (2.12)

γ i i i ( u ) = λ i ( u ) r i ( u ) ( i = 1 , , n ) . (2.13)

而且,由(2.2)和(2.8),有

d [ w i ( d x λ i ( u ) d t ) ] = j , k = 1 n ( Q i j k ( u ) u k w j + Γ i j k ( u ) w j w k ) d t d x , ( i = 1 , , n ) ,

其中

Γ i j k ( u ) = γ i j k ( u ) + λ i ( u ) r k ( u ) δ i j .

再由(1.3)有

Γ i j k ( u ) 0 , j , k { 1 , , p } , i { p + 1 , , n } .

在标准坐标下,初始条件(1.4)可以写作(参见 [2] )

u ( 0 , x ) = ε Ψ ( x , ε ) , (2.14)

其中

Ψ ( x , ε ) = L ( 0 ) ψ ( x ) + O ( ε ) , (2.15)

Ψ ( x , ε ) x = L ( 0 ) ψ ( x ) + O ( ε ) . (2.16)

而且,根据 [7] 中的注2.4.1可以选取一个适当的标准坐标,使得

r i ( u i e i ) e i , | u i | ( i = 1 , , n ) .

因此,有

R ( 0 ) = L ( 0 ) = I .

接下来,将给出本文所要用到的两个重要引理(证明见 [8] 或 [9] )。

引理2.1:假设 w = w ( t ) 是常微分方程

d w d t = a 0 ( t ) w 2 + a 1 ( t ) w + a 2 ( t ) , (2.17)

在区间 [ 0 , T ] 上的 C 1 解,其中T是给定的正数, a i ( i = 0 , 1 , 2 ) [ 0 , T ] 上的连续函数,且

a 0 ( t ) 0 , t [ 0 , T ] ,

K = 0 T | a 2 ( t ) | exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t . (2.18)

如果

w 0 > K ,

那么

0 T a 0 ( t ) exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t < ( w 0 K ) 1 .

引理2.2:假设 a i ( i = 0 , 1 , 2 ) [ 0 , T ] 上的连续函数,令

a 0 ± ( t ) = max { ± a 0 ( t ) , 0 } ,

且K如(2.18)所定义。如果

w 0 0 ,

且有

0 T a 0 + ( t ) exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t < ( w 0 + K ) 1 ,

0 T a 0 ( t ) exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t < K 1 ,

那么(2.17)连同初值 w ( 0 ) = w 0 [ 0 , T ] 上有唯一的解 w = w ( t )

且如果 w ( T ) > 0 ,则

( w ( T ) ) 1 ( w 0 + K ) 1 0 T a 0 + ( t ) exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t .

如果 w ( T ) < 0 ,则

| w ( T ) | 1 K 1 0 T a 0 ( t ) exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t .

3. 定理1.1的证明

不失一般性,定理1.1的证明将在标准化坐标下进行,且与 [2] 中类似,可以假设

0 < λ ( 0 ) = λ 1 ( 0 ) = = λ p ( 0 ) < λ p + 1 ( 0 ) < < λ n ( 0 ) . (3.1)

由(1.3)知,存在适当小的正常数 δ δ 0 ,使得

λ p + 1 ( u ) λ i ( v ) 4 δ 0 , | u | , | v | δ , ( i = 1 , , p ) , (3.2)

λ j + 1 ( u ) λ j ( v ) 4 δ 0 , | u | , | v | δ , ( j = p + 1 , , n 1 ) , (3.3)

| λ i ( u ) λ i ( v ) | δ 0 2 , | u | , | v | δ , ( i = 1 , , n ) . (3.4)

先假设在 C 1 u = u ( t , x ) 的任一存在域上,恒成立

| u ( t , x ) | δ . (3.5)

在引理3.3的证明最后,将解释此假设的合理性。对任意给定的 T > 0 ,令

D + T = { ( t , x ) | 0 t T , x ( λ n ( 0 ) + δ 0 ) t } ,

D T = { ( t , x ) | 0 t T , x t } ,

D 0 T = { ( t , x ) | 0 t T , t x ( λ ( 0 ) δ ) t } ,

D T = { ( t , x ) | 0 t T , ( λ ( 0 ) δ 0 ) t x ( λ n ( 0 ) + δ 0 ) t } .

i = 1 , , n ,令

D i T = { ( t , x ) | 0 t T , [ δ 0 + η ( λ i ( 0 ) λ ( 0 ) ) ] t x λ i ( 0 ) t [ δ 0 + η ( λ n ( 0 ) λ i ( 0 ) ) ] t } .

由(3.1)~(3.3),当 η > 0 适当小时,有

D 1 T = D 2 T = = D p T ,

D i T D j T = , i , j { 1 , p + 1 , , n } ,

D 1 T i = p + 1 n D i T D T .

U ( D ± T ) = max i = 1 , , n ( 1 + | x | ) μ u i ( t , x ) L ( D ± T ) ,

U ( D 0 T ) = max i = 1 , , n ( 1 + | t | ) μ u i ( t , x ) L ( D 0 T ) ,

W ( D ± T ) = max i = 1 , , n ( 1 + | x | ) μ w i ( t , x ) L ( D ± T ) ,

W ( D 0 T ) = max i = 1 , , n ( 1 + | t | ) μ w i ( t , x ) L ( D 0 T ) ,

U c ( T ) = max i = 1 , , n sup ( t , x ) D T \ D i T { ( 1 + | x λ i ( 0 ) t | ) μ | u i ( t , x ) | } ,

W c ( T ) = max i = 1 , , n sup ( t , x ) D T \ D i T { ( 1 + | x λ i ( 0 ) t | ) μ | w i ( t , x ) | } ,

U 1 ( T ) = max i = 1 , , n sup 0 t T D i T ( t ) | u i ( t , x ) | d x ,

W 1 ( T ) = max i = 1 , , n sup 0 t T D i T ( t ) | w i ( t , x ) | d x ,

其中

D i T ( t ) = { ( τ , x ) | τ = t , ( τ , x ) D i T } .

U ˜ 1 ( T ) = max { max i = 1 , , p max j { p + 1 , , n } sup C ˜ j C ˜ j | u i ( t , x ) | d t , max i = p + 1 , , n max j i sup C ˜ j C ˜ j | u i ( t , x ) | d t } ,

W ˜ 1 ( T ) = max { max i = 1 , , p max j { p + 1 , , n } sup C ˜ j C ˜ j | w i ( t , x ) | d t , max i = p + 1 , , n max j i sup C ˜ j C ˜ j | w i ( t , x ) | d t } ,

其中 C ˜ j 表示在 D i T 上的任一第j特征。

U ( T ) = max i = 1 , , n sup 0 t T x R | u i ( t , x ) | ,

W ( T ) = max i = 1 , , n sup 0 t T x R | w i ( t , x ) | .

D i T D T 的定义容易得到(参见 [2] )。

引理3.1:对于 i = 1 , , n ,在区域 D T \ D i T 上成立

c t | x λ i ( 0 ) t | C t ,

c x | x λ i ( 0 ) t | C x ,

其中c和C是不依赖于T的正常数。

引理3.2:假设(3.1)成立, ψ C 1 ,满足(1.5),且在 u = 0 的一个邻域内, A C 2 。那么一定存在适当小的 ε 0 > 0 ,使得对于任意给定的 ε [ 0 , ε 0 ] ,对于Cauchy问题(1.1)及(1.4)的 C 1 u = u ( t , x ) ,在其任一给定的存在区域 0 t T (其中 T ε 2 + α 1 )上,存在不依赖于 ε 及T的正常数 κ 1 κ 2 使得下面的一致先验估计式成立:

U ( D ± T ) , W ( D ± T ) κ 1 ε ,

U ( D 0 T ) , W ( D 0 T ) κ 2 ε .

引理3.3:在定理1.1的假设下,在标准坐标下,一定存在适当小的 ε 0 > 0 ,使得对于任意给定的 ε [ 0 , ε 0 ] ,对Cauchy问题(1.1)和(1.4)的 C 1 u = u ( t , x ) ,在其任一给定的存在区域 0 t T 上,存在不依赖于 ε 及T的正常数 κ i ( i = 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 ) 使得下面的一致先验估计式成立:

W c ( T ) κ 3 ε , (3.6)

W ˜ 1 ( T ) , W 1 ( T ) κ 4 ε γ , (3.7)

U c ( T ) κ 5 ε , (3.8)

U ( T ) κ 6 ε γ , (3.9)

U ˜ 1 ( T ) , U 1 ( T ) κ 7 ε τ + κ 8 ε γ ( 2 + α ) T , (3.10)

其中

γ = ( 2 + α ) μ ( 1 + α ) > 0 ,

τ = 1 + γ ( ρ + α ) ( μ 1 ) , ρ ( 1 , 2 ) ,

而且

T ε γ ( 1 + α ) 1 , (3.11)

W ( T ) κ 9 ε . (3.12)

证明:先估计 W ˜ 1 ( T ) 。在 D i T 上任作一条第j特征 C ˜ j : x = x j ( t ) D i T 的边界于点P1与点P2 (当 i { 1 , , p } 时, j { p + 1 , , n } ;当 i { p + 1 , , n } 时, j i )。过原点作第i特征交 C ˜ j 于点P0。设点P1,P2及P0的t坐标分别为 t 1 , t 2 t 0 ( 0 t 1 , t 0 , t 2 T ) 。过P1作第i特征交直线 x = ( λ ( 0 ) δ 0 ) t 于点 A 1 ( t ¯ 1 , y ¯ 1 ) ,过P2作第i特征交直线 x = ( λ n ( 0 ) + δ 0 ) t 于点 A 2 ( t ¯ 2 , y ¯ 2 ) 。有

C ˜ j | w i ( t , x ) | d t = t 1 t 0 | w i ( t , x j ( t ) ) | d t + t 0 t 2 | w i ( t , x j ( t ) ) | d t .

为了估计 t 1 t 0 | w i ( t , x j ( t ) ) | d t ,在区域P1A1OP0上用Stokes公式,就得到

t 1 t 0 | w i ( t , x j ( t ) ) ( λ j ( u ( t , x j ( t ) ) ) λ i ( u ( t , x j ( t ) ) ) ) | d t 0 t ¯ 1 | w i ( t , ( λ ( 0 ) δ 0 ) t ) ( λ ( 0 ) δ 0 λ i ( u ( t , ( λ ( 0 ) δ 0 ) t ) ) ) | d t + P 1 A 1 O P 0 | j , k = 1 n Q i j k ( u ) u k w j + Γ i j k ( u ) w j w k | d t d x , (3.13)

由(3.2)~(3.3)及(3.5),并注意到(2.9)~(2.12)及引理3.1~3.2,可得

t 1 t 0 | w i ( t , x j ( t ) ) | d t c { W ( D 0 T ) + U c ( T ) W 1 ( T ) + W c ( T ) U 1 ( T ) + W c ( T ) W 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } ( 1 + T ) 1 μ ,

今后c是不依赖于 ε 和T的正常数。同时,对 t 0 t 2 | w i ( t , x j ( t ) ) | d t 有类似的估计式。这样得到

W ˜ 1 ( T ) c { ε + U c ( T ) W 1 ( T ) + W c ( T ) U 1 ( T ) + W c ( T ) W 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } ( 1 + T ) 1 μ .

类似的,有

W 1 ( T ) c { ε + U c ( T ) W 1 ( T ) + W c ( T ) U 1 ( T ) + W c ( T ) W 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } ( 1 + T ) 1 μ .

下面估计 W c ( T ) 。当 i { 1 , , p } 时,过任意给定的点 ( t , x ) D T \ D 1 T 作第i特征交直线 x = ( λ n ( 0 ) + δ 0 ) t 于点 D ( t 0 , y ) ,沿该特征从 t 0 到t积分(2.8),得

w i ( t , x ) = w i ( t 0 , y ) + t 0 t j , k = 1 n [ Q i j k ( u ) u k w j + γ i j k ( u ) w j w k ] d s . (3.14)

由引理3.2,有

| w i ( t 0 , y ) | ( 1 + y ) μ W ( D + T ) c ε ( 1 + t 0 ) μ . (3.15)

另一方面,由(2.10)和(3.5),并利用引理3.1,有

t 0 t | j , k = 1 n [ Q i j k ( u ) u k w j + γ i j k ( u ) w j w k ] | d s c { W c ( T ) U ˜ 1 ( T ) + U c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + W c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } ( 1 + t 0 ) μ . (3.16)

由(3.4),有

x ( λ ( 0 ) + δ 0 2 ) t y ( λ ( 0 ) + δ 0 2 ) t 0 ,

再由 D 1 T 的定义并注意到 y = ( λ n ( 0 ) + δ 0 ) t 0 ,易得

η t t 0 t .

于是从(3.14)~(3.16),并应用引理3.1,就得到

( 1 + | x λ ( 0 ) t | ) μ | w i ( t , x ) | c { ε + W c ( T ) U ˜ 1 ( T ) + U c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + W c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } .

i { p + 1 , , n } 时,由(2.10),类似地可得

( 1 + | x λ i ( 0 ) t | ) μ | w i ( t , x ) | c { ε + W c ( T ) U ˜ 1 ( T ) + U c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + W c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } ,

然后得到

W c ( T ) c { ε + W c ( T ) U ˜ 1 ( T ) + U c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + W c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } .

类似地,有

U c ( T ) c { ε + U c ( T ) U ˜ 1 ( T ) + W c ( T ) U ˜ 1 ( T ) + [ W c ( T ) U c ( T ) + ( U c ( T ) ) 2 ] ( 1 + T ) 1 μ } .

现在来估计 U ˜ 1 ( T ) U 1 ( T ) 。类似于(3.13),由(2.4)~(2.7)我们有

t 1 t 0 | u i ( t , x j ( t ) ) ( λ j ( u ( t , x j ( t ) ) ) λ i ( u ( t , x j ( t ) ) ) ) | d t 0 t ¯ 1 | u i ( t , ( λ ( 0 ) δ 0 ) t ) ( λ ( 0 ) δ 0 λ i ( u ( t , ( λ ( 0 ) δ 0 ) t ) ) ) | d t + P 1 A 1 O P 0 | j , k = 1 n F i j k ( u ) u j w k + f i j k ( u ) u j u k | d t d x c { [ ε + W c ( T ) U c ( T ) ( 1 + T ) 1 μ + ( U c ( T ) ) 2 ( 1 + T ) 1 μ + U c ( T ) U 1 ( T ) ] ( 1 + T ) 1 μ } .

类似地可以估计 t 0 t 2 | u i ( t , x j ( t ) ) | d t ,因此得到

U ˜ 1 ( T ) c { [ ε + W c ( T ) U c ( T ) ( 1 + T ) 1 μ + ( U c ( T ) ) 2 ( 1 + T ) 1 μ + U c ( T ) U 1 ( T ) ] ( 1 + T ) 1 μ } .

类似地,有

U 1 ( T ) c { [ ε + W c ( T ) U c ( T ) ( 1 + T ) 1 μ + ( U c ( T ) ) 2 ( 1 + T ) 1 μ + U c ( T ) U 1 ( T ) ] ( 1 + T ) 1 μ } .

而且,对于任意给定的点 ( t , x ) D T ,有

u ( t , x ) = u ( t , x 0 ) + x 0 x u ξ ( t , ξ ) d ξ ,

其中 ( t , x 0 ) 位于直线 x = ( λ ( 0 ) δ 0 ) t 上。于是,由(3.5)和引理3.1,并利用引理3.2易得:当 ( t , x ) D T 时,成立

| u ( t , x ) | c { U ( D 0 T ) + W c ( T ) ( 1 + T ) 1 μ + W 1 ( T ) } .

因此,得到

U ( T ) c { U ( D 0 T ) + W c ( T ) ( 1 + T ) 1 μ + W 1 ( T ) } .

U ( T ) κ 6 ε γ 。对于适当小的 δ 0 > 0 ,恒成立

| u ( t , x ) | κ 6 ε 0 γ 1 2 δ .

这说明了假设(3.5)的合理性。利用连续归纳假设即证(3.6)~(3.10)。

最后,证明 W ( T ) κ 9 ε 。过任意给定的点 ( t , x ) D i T ,作第i特征 ξ = x i ( s ; t , x ) D T 的边界之一于点 D ( t 0 , y ) 。沿该特征从 t 0 到t积分(2.8),得到

w i ( t , x ) = w i ( t 0 , y ) + t 0 t j , k = 1 n [ Q i j k ( u ) u k w j + γ i j k ( u ) w j w k ] ( s , x i ( s ; t , x ) ) d s .

注意到引理(3.1)~(3.2),和

| γ i i i ( u i e i ) | c | u i | α ,

对任意固定的点 ( t , x ) D i T ,有

| w i ( t , x ) | c { W ( D 0 T ) + W ( D + T ) + U c ( T ) W c ( T ) + ( W c ( T ) ) 2 + [ W c ( T ) ( U ( T ) + W ( T ) ) + U c ( T ) ( W ( T ) + ( W ( T ) ) 2 ) ] ( 1 + T ) 1 μ + ( U ( T ) ) α ( W ( T ) ) 2 T } ,

由引理3.2和(3.11),并应用连续归纳假设,就能立即得到(3.12)。引理3.3得证。

注3.1:由(3.9)和(3.12),当 ε 0 > 0 适当小时,Cauchy问题(1.1)和(1.4)在 [ 0 , T ] 上存在唯一的 C 1 u = u ( t , x ) ,其中T满足(3.11)。因此我们得到了 C 1 u = u ( t , x ) 的生命跨度的下界

T ˜ ε γ ( 1 + α ) .

下面证明定理1.1。

显然,为了证明定理1.1,只要证明

lim ε 0 + ¯ { ε 1 + α T ˜ ( ε ) } M 0 , (3.17)

lim _ ε 0 + { ε 1 + α T ˜ ( ε ) } M 0 . (3.18)

其中 M 0 由(1.6)定义。

接下来,将在标准坐标下考虑问题,并且假设 ε 0 > 0 是适当小的。

先来证明(3.17)。由注3.1,对于任意固定的 ε ( 0 , ε 0 ] ,Cauchy问题(1.1)和(1.4)在区域 [ 0 , T 1 ] 上存在唯一的 C 1 u = u ( t , x ) ,其中

T 1 = ε ( ρ + α ) T ˜ ( ε ) 1 = T ¯ , (3.19)

ρ = γ ( 1 + α ) α = ( α 2 + 3 α + 2 ) μ ( α 2 + 3 α + 1 ) > 0.

先假设成立

T ˜ ( ε ) ε γ ( ρ + α ) , (3.20)

并将在证明的最后说明此假设的合理性。

由(1.5)和(1.6)知,存在 i J 1 x 0 使得

M 0 = { 1 α ! d α + 1 λ i ( u ( i ) ( s ) ) d s α + 1 | s = 0 ( l i ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α l i ( 0 ) ψ ( x 0 ) } 1 ,

a = 1 α ! d α + 1 λ i ( u ( i ) ( s ) ) d s α + 1 | s = 0 .

不妨设 i = m J 1 ,且

a ( l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α > 0 , l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) > 0 , x 0 > 0.

( 0 , x 0 ) 作第m特征 x = x m ( t , x 0 ) 。由 D m T 的定义知,该特征一定在有限时间 t 0 > 0 进入 D m T 并从此落在其中(参见 [2] )。在 C 1 解的存在区域上,由(2.8)沿该特征有

d w m d m t = a 0 ( t ) w m 2 + a 1 ( t ) w m + a 2 ( t ) , (3.21)

其中

{ a 0 ( t ) = γ m m m ( u ) , a 1 ( t ) = j = 1 j m n [ Q m m j ( u ) u j + 2 γ m m j ( u ) w j ] , a 2 ( t ) = j = 1 j m n k = 1 n Q m j k ( u ) w j u k + j , k = 1 λ j λ k j , k m n γ m j k ( u ) w j w k , (3.22)

由(3.19),得到

t 0 < T 0 = ε α < T 1 . (3.23)

由(2.4)~(2.6),并应用引理3.1~3.3,沿 x = x m ( t , x 0 ) 积分(2.3)

| u m ( t , x m ( t , x 0 ) ) u m ( 0 , x 0 ) | | 0 t j = 1 j m n k = 1 n [ ρ m j k ( u ) u k w j + f m j k ( u ) u j u k ] ( s , x m ( s , x 0 ) ) d s | c { [ U ( D + t ) + W ( D + t ) ] U ( D + t ) + U c ( t ) U ( t ) ( 1 + t ) 1 μ + [ U c ( t ) + W c ( t ) ] U c ( t ) } c ε 1 + γ γ ( ρ + α ) ( 1 μ ) , t [ 0 , T ¯ ] (3.24)

由(2.14)~(2.15),得到

| u m ( t , x m ( t , x 0 ) ) ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) | c ε 1 + γ γ ( ρ + α ) ( 1 μ ) , t [ 0 , T ¯ ] (3.25)

另一方面,在 C 1 u = u ( t , x ) 的存在域 D T { ( t , x ) | T 0 t T ¯ } 上,由Hadamard公式和引理3.3,沿着 x = x m ( t , x 0 ) ,有

| γ m m m ( u ) γ m m m ( u m e m ) | c U c ( T ¯ ) ( 1 + t ) μ c ε 1 + α μ , t [ T 0 , T ¯ ] (3.26)

而且,由(2.13)并由 α J 1 的定义,有

γ m m m ( u m e m ) = a ( ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α + a [ ( u m ( t , x m ( t , x 0 ) ) ) α ( ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α ] + O ( | u m | 1 + α ) . (3.27)

然后,应用(3.9),并由(3.25)~(3.26)得到

a 0 ( t ) = γ m m m ( u ) = a ( ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α + O ( ε ϖ ) , t [ T 0 , T ¯ ] (3.28)

其中 ϖ = min { γ ( 1 + α ) , 1 + α γ γ ( ρ + α ) ( 1 μ ) }

因此,对于适当小的 ε 0 > 0 ,有

a 0 ( t ) 1 2 a ( ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α > 0 , t [ T 0 , T ¯ ]

应用Hadamard公式和引理3.3,得到

| u m ( t , x ) x w m ( t , x ) | = | k = 1 n w k ( r k ( u ) r k ( u k e k ) ) T e m | c ε 1 + γ , t [ 0 , T 0 ] (3.29)

与(3.24)类似,应用引理3.2~3.3,并且由(3.23),有

| w m ( t , x m ( t , x 0 ) ) w m ( 0 , x 0 ) | c ε min { 1 + γ α ( 1 μ ) , 2 + α ( γ 1 ) } , t [ 0 , T 0 ] (3.30)

注意到(2.16),由(3.29)~(3.30),得

w m ( T 0 , x m ( T 0 , x 0 ) ) = ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) + O ( ε min { 1 + γ α ( 1 μ ) , 2 + α ( γ 1 ) } ) . (3.31)

对于适当小的 ε 0 > 0 ,有

w m ( T 0 , x m ( T 0 , x 0 ) ) 1 2 ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) .

应用引理3.3,易得

T 0 T ¯ | a 1 ( t ) | d t c ( U c ( T ¯ ) + W c ( T ¯ ) ) ( 1 + T ¯ ) 1 μ c ε 1 γ ( ρ + α ) ( 1 μ ) . (3.32)

T 0 T ¯ | a 2 ( t ) | d t c { W c ( T ¯ ) U ( T ¯ ) ( 1 + T ¯ ) 1 μ + W c ( T ¯ ) U c ( T ¯ ) + ( W c ( T ¯ ) ) 2 } c ε 1 + γ γ ( ρ + α ) ( 1 μ ) .

然后,有

K = T 0 T ¯ | a 2 ( t ) | exp ( T 0 t a 1 ( s ) d s ) d t T 0 T ¯ | a 2 ( t ) | d t exp ( T 0 T ¯ | a 1 ( s ) | d s ) c ε 1 + γ γ ( ρ + α ) ( 1 μ ) , (3.33)

w m ( T 0 , x m ( T 0 , x 0 ) ) > 1 2 ε l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) > K . (3.34)

对常微分方程(3.21)具初值

t = T 0 : w m = w m ( T 0 , x m ( T 0 , x 0 ) )

的Cauchy问题应用引理2.1,得到

T 0 T ¯ a 0 ( t ) exp ( T 0 T ¯ a 1 ( s ) d s ) d t T 0 T ¯ a 0 ( t ) exp ( T 0 t a 1 ( s ) d s ) d t ( w m ( T 0 , x m ( T 0 , x 0 ) ) K ) 1 .

因此,由(3.28),(3.31)~(3.34),易得,存在不依赖于 ε 和T的正常数 C ¯ ,使得

T ˜ ( ε ) C ¯ ε ( 1 + α ) ,

其中

C ¯ > [ a ( l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ) α l m ( 0 ) ψ ( x 0 ) ] 1 .

因此,当 ε 0 > 0 适当小时,成立

T ˜ ( ε ) ε γ ( ρ + α ) C ¯ ε γ ( ρ + α ) ( 1 + α ) 1 ,

这就说明了假设(3.20)的合理性。

现在来证明(3.18)。只需证明对于任意给定的正常数 M < M 0 ,成立

T ˜ ( ε ) > M ε ( 1 + α ) . (3.35)

为了证明这个,只需在任意给定的区域 D T 上建立有关Cauchy问题(1.1)和(1.4)的解的 C 1 范数的一致先验估计:

0 < T M ε ( 1 + α ) . (3.36)

由引理3.2~3.3,有

u ( t , x ) C 0 ( D T ) c ε γ ,

w i ( t , x ) C 0 ( D T \ D i T ) c ε , ( i = 1 , , n )

因此,下面估计 w i ( t , x ) C 0 ( D i T ) ( i = 1 , , n ) ,仅估计 w m ( t , x ) C 0 ( D m T ) ,其他的情况可类似地估计出来。

沿着穿过x-轴上任意固定的点 ( 0 , y ) 的m阶特征 x = x m ( t , y ) ,仍然有(3.21)成立,其中 u = u ( t , x m ( t , y ) ) 。可假设

w m ( 0 , y ) 0.

(否则,用 w 1 代替 w 1 )。

下面首先估计 w m ( 0 , y ) 0 T a 0 + ( t ) d t ,其中T满足(3.36)。应用(3.27)并注意到(3.9)和(3.25),由(3.22)得

a 0 ( t ) = a ( ε l m ( 0 ) ψ ( y ) ) α + ( γ m m m ( u ) γ m m m ( u m e m ) ) + O ( ε ϖ ) .

那么,由(2.1),(2.14),(2.16),得到

w m ( 0 , y ) 0 T a 0 + ( t ) d t ( ( l m ( 0 ) ψ ( y ) ) + ε + c ε 2 ) 0 T [ ( a ( l m ( 0 ) ψ ( y ) ) α ) + ε α + | γ m m m ( u ) γ m m m ( u m e m ) | + c ε ϖ ] d t . (3.37)

而且,正如上面指出的, x = x m ( t , y ) 一定在一个独立于 ε 的有限时间 t 0 > 0 时进入 D m T 并在这之后就在其中。那么,对于适当小的 ε > 0 ,由(3.36)并应用Hadamard公式和引理3.2~3.3,有

w m ( 0 , y ) 0 T a 0 + ( t ) d t ( a ( l m ( 0 ) ψ ( y ) ) α l m ( 0 ) ψ ( y ) ) + M + c ε ϖ α + c ε { [ U ( D ± T ) + U ( D 0 T ) + U c ( T ) ] ( 1 + T ) 1 μ + U ˜ 1 ( T ) } ( a ( l m ( 0 ) ψ ( y ) ) α l m ( 0 ) ψ ( y ) ) + M + c ε ϖ α .

而且,有

0 T | a 1 ( t ) | d t c { [ U ( D ± T ) + U ( D 0 T ) + W ( D ± T ) + W ( D 0 T ) + U c ( T ) + W c ( T ) ] ( 1 + T ) 1 μ + U ˜ 1 ( T ) + W ˜ 1 ( T ) } c ε γ ( 2 + α ) ( 1 + α ) , (3.38)

0 T | a 2 ( t ) | d t c { U ( D ± T ) W ( D ± T ) + U ( D 0 T ) W ( D 0 T ) + W ( D ± T ) 2 + W ( D 0 T ) 2 + W c ( T ) U c ( T ) + W c ( T ) U ( T ) ( 1 + T ) 1 μ + ( W c ( T ) ) 2 + U c ( T ) W ˜ 1 ( T ) + U ˜ 1 ( T ) W c ( T ) } c ε γ ( 2 + α ) α , (3.39)

K = 0 T | a 2 ( t ) | exp ( 0 t a 1 ( s ) d s ) d t c ε γ ( 2 + α ) α , (3.40)

0 T | a 0 ( t ) | d t c ε 1 . (3.41)

因此,由 M 0 的定义及(3.37)并应用(3.40)~(3.41),对于适当小的 ε > 0 ,有

( w m ( 0 , y ) + K ) 0 T a 0 + ( t ) d t M M 0 + c ε ϖ α + K 0 T | a 0 ( t ) | d t M M 0 + c ε min { ϖ α , γ ( 2 + α ) ( 1 + α ) } 1. (3.42)

因此,由(3.38)~(3.42),应用引理2.2,可以得到

| w m ( t , x m ( t , y ) ) | c ε , t [ 0 , T ]

因为y是任意的,于是有

| w m ( t , x ) | c ε , ( t , x ) D T

那些 i = 1 , , m 1 , m + 1 , , n 的情形可以被类似的证明。

那么,注意到(2.2),最终得到

u x ( t , x ) c 0 ( D T ) c ε .

因此,对于任意正常数 M < M 0 ,Cauchy问题(1.1)和(1.4)在区域 D t ( 0 t M ε ( 1 + α ) ) 上存在唯一解。这意味着当 ε > 0 适当小时,(3.35)成立,这就证明了(3.18)。定理1.1证毕。

致谢

本文是在导师徐玉梅副教授的悉心指导下完成的,徐老师不仅传授知识,悉心指导论文需要注意的地方,对本篇论文的推导提供了很多的帮助,而且其对学术的不懈追求激励着我不断进取。

同时,作者衷心地感谢李傅山、王培合等各位老师的精心指导和帮助,在课上,两位老师传授了很多偏微分方向的知识,拓宽了自己的知识面,掌握了解决问题的一些基本方法。

最后,还要感谢同专业的同学对我的帮助,在我感到迷茫的时候,经过反复的讨论交流,给了我很多的启发。

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