1. 引言
趋化现象是自然界中常见的现象,它描述的是细胞或细菌沿化学信号浓度梯度方向的定向运动 [1] [2] [3]。在过去几年里,一些学者致力于研究趋化消耗模型
其中,
中表示具有光滑边界
的有界区域,
代表细胞密度,
代表化学信号物质的浓度,
是扩散系数,
是趋化敏感系数,
是Logistic源,表示细胞的增殖和死亡,
是化学诱导剂的消耗。在
,
,
的情况下,当
时,
无小性限制,Tao在文献 [4] 证明了上述模型存在全局经典解。当
时,初值足够光滑,Tao和Winkler在文献 [5] 中
讨论了上述趋化模型全局弱解的存在性。当
,
,
时,模型的全局经典解
收敛于
,其中
。在
,
,
的情况下,Lankeit
和Wang在文献 [6] 中证明了当在
足够大时该模型存在全局经典解,在
时该模型存在经典弱解。
Zheng在文献 [7] 中证明了
,
,
,
时,对于任意足够光滑的初值都存在一个经典有界解。
不同于一般的直接信号吸收的趋化模型,近几年关于间接信号吸收的生物趋化模型
(1.1)
其中
具有光滑边界的有界区域,
,
是给定的参数。2019年,Fuest在文献 [8] 中讨论当
,
,
,
或
,
时该模型存在唯一的全局经典解。2020年,
Liu,Li和Huang在文献 [9] 中证明了具有Logistics源的间接信号吸收模型,当
,
,
,
足够大时,模型的解有全局存在性和有界性,当
,
和
时上述模型存在唯
一的全局经典解。Zheng等人在文献 [10] 中证明了当
,非线性扩散系数
和趋化敏感系数
满足
,
,当
时,上述模型的解全局有界。受文献 [7], [9], [10] 和 [11] 的启发,本文主要利用能量方法证明趋化模型(1.1)在
,
,
的条件下,非线性扩散系数
和趋化敏感系数
满足
,
且
,
(1.2)
且
(1.3)
成立,其中
为正常数,则该拟线性趋化模型的解全局有界。主要结论如下:
定理1:设
,初值满足
,
,
且
,
,
,则存在一个非负函数
:
,
,
,
是模型(1.1)的经典解。当
和
满足(1.2),
且
时,则对
任意的
,存在一个常数
,使得
,
和
,
其中
为正常数。
注:文献 [10] 证明了当
时,
或
,模型存在全局经典解。与文献 [10] 的结果相对比,本文证明了当
,
时,获得了模型解的全局有界性,推广了文献 [10] 的结果。
2. 解的全局有界性
为了证明定理1的结果,先给出一个必要的引理。
引理1:设
,
,
,
。令
是模型(1.1)
的解,则对任意
,
,存在一个正常数C使得
。
证明:第一步:当
时,对趋化模型(1.1)的第一个方程乘
并在
上积分,
(2.1)
对(2.1)右端第二项运用Young’s不等式可得
(2.2)
其中
。
再对(2.1)右端第三项和第四项运用
可得
,
其中,
。
对(2.2)右端第一项运用Young’s不等式可得
最后整理可得
(2.3)
对任意
,对(2.3)运用常数变易法可得
(2.4)
其中
。
对任意的
,
,令
,并对模型(1.1)第二个方程变形可得
。
对(2.4)右端第二项运用文献 [6] 的引理3.3和文献 [7] 的引理2.3可得
(2.5)
对(2.5)右端运用Young’s不等式可得
(2.6)
对模型(1.1)第三个方程两边同乘以
并在
上积分,
(2.7)
再对(2.7)运用常数变易法可得
(2.8)
将(2.8)代入到(2.6)中可得
(2.9)
其中
,
。
整理(2.4),(2.5)和(2.9)可得
令
,当
时,有
当
时,存在一个正常数
,使得
再令
,则
(2.10)
由常数变易法和Hölder’s不等式可得
(2.11)
(2.12)
其中
,再运用文献 [6] 的引理3.3和(2.11)可得
(2.13)
由(2.10),(2.13)和文献 [10] 的引理3.1可知对所有的
有
。
第二步:对任意的
,在模型(1.1)的第一个方程两边同乘
并在
上积分并运用Young’s不等式可得
(2.14)
令
,对(2.14)右端第二项运用Hölder’s不等式可得
(2.15)
由于
,所以
,
对(2.15)右端运用文献 [7] 的引理2.1可得
其中,
。
由
,
和
可知
。
最后,利用Young’s不等式整理可得
(2.16)
对(2.16)在
上积分可得对任意的
,有
。
定理1的证明:首先,假设
是模型(1.1)的解,对任意的
,存在常数
,由一阶常微分方程理论和Hölder’s不等式可得
(2.17)
又因为
时,
可得
(2.18)
其中
,即可证明
。
其次,当
,
。当
和
满足(1.2),对任意的
,
模型(1.1)两边同乘
并在
上积分可得
(2.19)
其中
,
,对上式右端第二项运用文献 [7] 的引理2.1和Young’s不等式可得
(2.20)
整理(2.19)和(2.20)可得
, (2.21)
再运用Gronwall不等式可得
。
再对上式运用标准的Alikakos-Moser迭代即可得到
。
最后,对模型(1.1)的第三个方程求一阶线性常微分方程的解,显然可得
。
从而定理1得证。
基金项目
新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(NO. 2018D01C004)。
参考文献
NOTES
*通讯作者。