肿瘤生长的相场模型解的性质
Solutions of a Phase-Field Model for Tumor Growth
摘要: 本文研究了无血管期肿瘤生长的相场模型。该模型耦合了营养物质浓度n的Allen-Cahn方程和序参数 的Cahn-Hilliard方程,描述了肿瘤生长所需营养物质的扩散过程和肿瘤的演变过程。在本文中,我证明了初边值问题弱解的存在性,一维情况下解的唯一性以及稳态解的存在性。
Abstract: In this paper, we study the solutions to an initial-boundary value problem for a phase-field model of tumor growth, which is the Allen-Cahn equation for the nutrient concentration n coupled with the Cahn-Hilliard equation for the order parameter  , and describes the diffusion process of nutrient and the evolution process of tumor. I prove the existence of weak solutions to the problem and the uniqueness of global solution in one dimension. Finally, the existence of stationary solutions is proved.
文章引用:孙李丹. 肿瘤生长的相场模型解的性质[J]. 理论数学, 2021, 11(6): 1230-1241. https://doi.org/10.12677/PM.2021.116136

1. 引言

恶性肿瘤(癌症)已经成为严重威胁中国人群健康的主要公共卫生问题之一。近几十年来,描述肿瘤生长的数学模型的文献 [1] [2] 大量涌现出来。为更好地描述肿瘤在微环境中的生长,学者引进了相场模型 [3] [4] 来描述肿瘤的演变过程。在扩散界面框架中,Cahn-Hilliard类型的相场模型是最常用的模型,其适定性 [5] [6],渐近分析 [7] [8],滑模控制 [9] 等均得到了广泛的研究。考虑细胞间液体的流动性,学者结合流体力学提出了Cahn-Hilliard-Darcy方程组 [10]、Cahn-Hilliard-Hele-Shaw方程组 [11] 和Cahn-Hilliard-Navier- Stokes方程组 [12] 等模型。这些新模型为进一步体现细胞-微环境之间的相互作用提供了新的数学框架。

本文受Silva [13] 的启发,建立了无血管期肿瘤生长的相场模型。该模型耦合了营养物质浓度 n 的Allen-Cahn方程和序参数 ϕ 的Cahn-Hilliard方程,描述了肿瘤生长所需营养物质的扩散过程和肿瘤细胞的演变过程。在介绍模型前,我先定义一些符号,在本文中假设 Ω 3 是一个有界开域,并且边界 Ω 是光滑的。定义 Q T e = ( 0 , T e ) × Ω 。未知函数 n + 表示营养物质浓度, ϕ 表示序参数,序参数 ϕ ( t , x ) = 1 表示在某个区域 x Ω 某个时间点 t 细胞为肿瘤细胞, ϕ ( t , x ) = 1 为正常细胞。具体模型如下

n t = D Δ n α c ( ϕ ) , (1.1)

ϕ t = ( M ( ϕ ) μ ) , (1.2)

μ = ε 2 Δ ϕ + ϕ 3 ϕ + α c ( ϕ ) n ,

其中 ( t , x ) Q T e ,满足Neumann边界条件,无流边界条件和初值条件

n ν = 0 , ( t , x ) ( 0 , T e ) × Ω , (1.3)

ϕ ν = ν Δ ϕ = 0 , ( t , x ) ( 0 , T e ) × Ω , (1.4)

n ( 0 , x ) = n 0 , x Ω , (1.5)

ϕ ( 0 , x ) = ϕ 0 , x Ω . (1.6)

其中 D 为扩散系数,是一个正常数。数 α c ( ϕ ) 0 表示营养物质的消耗速度, M ( ϕ ) > 0 表示细胞移动速度, μ 表示化学势, ε > 0 表示界面能系数, ν 为单位外法向量。

新的相场模型的简单推导如下:考虑总自由能泛函为

F [ n , ϕ ] = Ω [ D 2 | n | 2 + α c ( ϕ ) n + ε 2 2 | ϕ | 2 + V ( ϕ ) ] d x ,

其中,双势阱函数 V ( ϕ ) = ϕ 2 2 + ϕ 4 4 。自由能 F 关于时间 t 求导,可得

d F d t = Ω [ ( D Δ n + α c ( ϕ ) ) n t + ( ε 2 Δ ϕ + ϕ 3 ϕ + α c ( ϕ ) n ) ϕ t ] d x .

将方程(1.1),(1.2)代入上式,由假设 M ( ϕ ) > 0 可得

d F d t = Ω [ ( D Δ n α c ( ϕ ) ) 2 M ( ϕ ) ( ( ε 2 Δ ϕ + ϕ 3 ϕ + α c ( ϕ ) n ) ) 2 ] d x 0.

因此模型满足热力学第二定律。

2. 主要结论

为了得出主要结论,需要先给出初边值问题(1.1)~(1.6)弱解的定义。在此之前,引入一个定义

H Γ 2 = { v H 2 ( Ω ) | v ν | Ω = 0 } .

定义1.1 假设 ( n 0 , ϕ 0 ) H 1 ( Ω ) × H 1 ( Ω ) ,称函数 ( n , ϕ ) 为问题(1.1)-(1.6)的弱解,并且满足

n L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) L 2 ( 0 , T e ; H 2 ( Ω ) ) , ϕ L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) L 2 ( 0 , T e ; H 3 ( Ω ) H Γ 2 ) ,

如果对任意的测试函数 u C 0 ( ( , T e ) ; C ( Ω ) ) ,满足

( n 0 , u 0 ) Ω + ( n , u t ) Q T e = D ( n , u ) Q T e + ( α c ( ϕ ) , u ) Q T e , (2.1)

( ϕ 0 , u 0 ) Ω + ( ϕ , u t ) Q T e = ( M ( ϕ ) ( ε 2 Δ ϕ + ϕ 3 ϕ + α c ( ϕ ) n ) , u ) Q T e . (2.2)

为研究该初边值问题的弱解,给出以下假设条件。

假设(H):在本文中,我们假设 α c ( ϕ ) C 0 3 ( ) , M ( ϕ ) C 0 1 ( ) 并且满足

1) 0 α c ( ϕ ) ν 1 ,

2) 0 < ν 2 M ( ϕ ) ν 3 | M ( ϕ ) | ν 4 ,

3) | α c ( ϕ ) | ν 5 , | α c ( ϕ ) | ν 6 , | α c ( ϕ ) | ν 7 ,

这里所有的参数 ν i ( i = 1 , , 7 ) 均为正常数。

注: 本文所取的 α c ( ϕ ) M ( ϕ ) 有一些限制,但是可以取得到的,这里给出一种选取方法。首先对满足连续条件 α c ( ϕ ) C 3 ( ) , M ( ϕ ) C 1 ( ) 的函数 α c ( ϕ ) M ( ϕ ) 进行截断

α ¯ c ( ϕ ) = { α c ( ϕ ) , | ϕ | K , 0 , | ϕ | > K , M ¯ ( ϕ ) = { M ( ϕ ) , | ϕ | K , 0 , | ϕ | > K ,

其中 K 为某一正常数。然后对截断后的函数 α ¯ c ( ϕ ) , M ¯ ( ϕ ) 进行磨光,磨光后的函数仍记为 α c ( ϕ ) M ( ϕ ) 。此时的 α c ( ϕ ) M ( ϕ ) 便满足假设条件(H)。

定理1. 给定任意正常数 T e ,假设 ( n 0 , ϕ 0 ) H 1 ( Ω ) × H 1 ( Ω ) ,则在定义1的意义下,初边值问题(1.1)~(1.6)存在弱解 ( n , ϕ ) ,并且解满足

n L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) L 2 ( 0 , T e ; H 2 ( Ω ) ) , (2.3)

ϕ L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) L 2 ( 0 , T e ; H 3 ( Ω ) ) , (2.4)

由于函数 M ( ϕ ) C 0 1 ( ) 不是常值函数,因此本文将考虑一维空间域内初边值问题(1.1)~(1.6)解的唯一性。

定理2. 假设 ( n 0 , ϕ 0 ) L 2 ( Ω ) × L 2 ( Ω ) Ω 是一个有界开集,则由定理1得到的解 ( n , ϕ ) 是唯一的。

注1. 稳态解的定义和主要结论在第五章节。

注2. 为方便起见,本文用 表示 L 2 ( Ω ) 空间的范数。

3. 弱解的存在性

由迭代法和Aubin-Lions引理不难得到初边值问题(1.1)~(1.6)局部解的存在性。在这一章节中,通过弱解 ( n , ϕ ) 的一致先验估计,借助局部解延拓法证明整体解的存在性。

引理1. 假设 ( n 0 , ϕ 0 ) H 1 ( Ω ) × H 1 ( Ω ) ,则对任意的 t ( 0 , T e ) ,有

n L ( 0 , T e ; L 2 ( Ω ) ) + ϕ L ( 0 , T e ; L 2 ( Ω ) ) C T e . (3.1)

证明:由于模型满足热力学第二定律,也就是能量的衰减性 d F d t 0 。对其关于时间 t 积分,得

F ( t ) F ( 0 ) 0 ,

Ω ( D 2 | n | 2 + α c ( ϕ ) n + ε 2 2 | ϕ | 2 ϕ 2 2 + ϕ 4 4 ) d x Ω ( D 2 | n 0 | 2 + α c ( ϕ 0 ) n 0 + ε 2 2 | ϕ 0 | 2 ϕ 0 2 2 + ϕ 0 4 4 ) d x

根据初值条件,应用Sobolve嵌入定理和带 η 的Young不等式,整理得

D 2 n 2 + Ω α c ( ϕ ) n d x + ε 2 2 ϕ 2 + 1 4 Ω ϕ 4 d x + 1 2 Ω ϕ 0 2 d x D 2 n 0 2 + ν 2 n 0 L 1 ( Ω ) + ε 2 2 ϕ 0 2 + 1 4 ϕ 0 L 4 ( Ω ) 4 + Ω 1 2 ϕ 2 d x C + ν 2 n 0 L 2 ( Ω ) + 1 4 ϕ 0 H 1 ( Ω ) 4 + η Ω ϕ 4 d x + C η C + η Ω ϕ 4 d x

最后,考虑到函数 n + α c ( ϕ ) 0 恒成立,取 η = 1 8 ,证得(3.1)。至此证毕。

引理2. 假设 n 0 H 1 ( Ω ) ,则对任意的 t ( 0 , T e ) ,有

n L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) + n L 2 ( 0 , T e ; H 2 ( Ω ) ) C T e . (3.2)

证明:将(1.1)两边同时乘以 Δ n 并关于 x 做积分,利用分部积分公式,可得

1 2 d d t n 2 + D Δ n k 2 = ( α c ( ϕ ) , Δ n ) .

借助假设(H),Hölder不等式以及带 η 的Young不等式,可以得到

1 2 d d t n 2 + D Δ n 2 ν 1 Δ n L 1 C Ω Δ n η Δ n 2 + C η . (3.3)

对(3.3)在 ( 0 , T e ) 上关于 t 积分,结合引理1得

D 0 t Δ n 2 d τ C T e .

考虑庞加莱不等式,(3.2)得证。至此证毕。

引理3. 假设 ϕ 0 H 1 ( Ω ) ,则存在常数 C T e ,使得对任意的 t ( 0 , T e ) ,有

ϕ L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) + ϕ L 2 ( 0 , T e ; H 3 ( Ω ) ) C T e . (3.4)

证明:方程(1.2)左右同乘 Δ ϕ ,再关于 x 做积分,利用分部积分公式以及边界条件(1.4),可得

1 2 d d t ϕ 2 + ε 2 ( M ( ϕ ) Δ ϕ , Δ ϕ ) = 3 ( M ( ϕ ) ϕ 2 ϕ , Δ ϕ ) ( M ( ϕ ) ϕ , Δ ϕ ) + ( M ( ϕ ) ( α c ( ϕ ) n ) , Δ ϕ ) .

由假设(H2),将右边项分成四项,我们有

1 2 d d t ϕ 2 + ε 2 ν 2 Δ ϕ 2 3 ν 3 | ( ϕ 2 ϕ , Δ ϕ ) | + ν 3 | ( ϕ , Δ ϕ ) | + ν 3 | ( α c ( ϕ ) ϕ n , Δ ϕ ) | + ν 3 | ( α c ( ϕ ) n , Δ ϕ ) | I 1 , 1 + I 1 , 2 + I 1 , 3 + I 1 , 4 . (3.5)

考虑到 Ω 3 ,由Sobolev嵌入定理 [14] 知 H 1 ( Ω ) 嵌入到 L 6 ( Ω ) 。利用Gagliardo-Nirenberg不等式 [15]

D ϕ L 6 ( Ω ) C D 3 ϕ 2 3 ϕ 1 3 + C ϕ , (3.6)

以及带 η 的Young不等式,引理1可得 I 1 , 1 的估计

I 1 , 1 = 3 ν 3 | ( ϕ 2 ϕ , Δ ϕ ) | 3 ν 3 ϕ L 6 ( Ω ) 2 ϕ L 6 ( Ω ) Δ ϕ C ϕ H 1 ( Ω ) 2 Δ ϕ 2 3 ϕ 1 3 Δ ϕ + C ϕ H 1 ( Ω ) 2 ϕ Δ ϕ η Δ ϕ 2 + C η ϕ 2 . (3.7)

类似地,不难得到 I 1 , 3 的估计

I 1 , 3 = ν 3 | ( α c ( ϕ ) ϕ n , Δ ϕ ) | ν 3 ν 6 ϕ L 3 ( Ω ) n L 6 ( Ω ) Δ ϕ C n H 1 ( Ω ) Δ ϕ 3 2 ϕ 1 2 + n H 1 ( Ω ) Δ ϕ ϕ η Δ ϕ 2 + C η ϕ 2 , (3.8)

这里应用了Gagliardo-Nirenberg不等式

D ϕ L 3 ( Ω ) C D 3 ϕ 1 2 ϕ 1 2 + C ϕ .

I 1 , 2 I 1 , 4 的估计比较简单,可以直接得到

I 1 , 2 η Δ ϕ 2 + C η ϕ 2 , (3.9)

I 1 , 4 η Δ ϕ 2 + C η . (3.10)

结合(3.7)~(3.10),并代入(3.5),根据引理1和庞加莱不等式,有

1 2 d d t ϕ + ε 2 ν 2 Δ ϕ 2 4 η Δ ϕ 2 + C . (3.11)

(3.11)关于时间 t 积分,并且选择 η = ε 2 ν 3 8 ,可以得到

Δ ϕ L 2 ( 0 , T e ; L 2 ( Ω ) ) C T e . (3.12)

最后根据引理1和庞加莱不等式,利用椭圆方程的正则性,可得(3.4)。至此,引理证毕。

结合引理2和引理3,应用局部解延拓法,可以证明初边值问题(1.1)~(1.6)弱解的存在性,即定理1得证。

4. 一维模型解的唯一性

上一章节在先验估计的基础上证明了整体解的存在性。由于函数 M ( ϕ ) C 0 1 ( ) 不是常值函数,因此在这一章节我将证明一维空间域内初边值问题(1.1)~(1.6)解的唯一性,即定理2。

定理2的证明:假设 ( n 1 , ϕ 1 ) ( n 2 , ϕ 2 ) 为定理1意义下的两个解,则差 n = n 1 n 2 ϕ = ϕ 1 ϕ 2 满足

n t D n x x + α c ( ϕ 1 ) α c ( ϕ 2 ) = 0 , (4.1)

ϕ t + ε 2 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x x x M ( ϕ 2 ) ϕ 2 x x x ) x 3 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 2 ϕ 1 x M ( ϕ 2 ) ϕ 2 2 ϕ 2 x ) x + ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x M ( ϕ 2 ) ϕ 2 x ) x ( M ( ϕ 1 ) ( α ( ϕ 1 ) n 1 ) x M ( ϕ 2 ) ( α ( ϕ 2 ) n 2 ) x ) x = 0 , (4.2)

n ν | Ω = 0 , n ( 0 , x ) = 0 (4.3)

ν ϕ x x | Ω = ϕ ν | Ω = 0 , ϕ ( 0 , x ) = 0 , (4.4)

n L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) L 2 ( 0 , T e ; H 2 ( Ω ) ) , (4.5)

ϕ L ( 0 , T e ; H 1 ( Ω ) ) L 2 ( 0 , T e ; H 3 ( Ω ) ) . (4.6)

为证 n = ϕ = 0 ,需要得到 n ϕ 的估计,下面分成三部分进行:

(1) (4.1) 两边同乘 n ,关于 x 做积分,然后根据分部积分公式可以得到

1 2 d d t n ( t ) 2 + D n x ( t ) 2 = Ω ( α c ( ϕ 2 ) α c ( ϕ 1 ) ) n d x .

由假设(H)知,

| α c ( ϕ 1 ) α c ( ϕ 2 ) | = | α c ( ξ ) ( ϕ 1 ϕ 2 ) | ν 5 | ϕ | ,

其中 ξ ϕ k ν , ϕ 是一个函数。应用Hölder不等式,可得

1 2 d d t n ( t ) 2 + D n x ( t ) 2 C ( n ( t ) 2 + ϕ ( t ) 2 ) .

于是,关于 t 做积分,可推得

n ( t ) 2 + 2 D 0 t n x ( t ) 2 d τ n ( 0 ) 2 + C 0 t n ( t ) 2 d τ + C 0 t ϕ ( t ) 2 d τ . (4.7)

(2) (4.1)两边同乘 n x x ,不难得到

n x ( t ) 2 + D 0 t n x x ( t ) 2 d τ n x ( 0 ) 2 + C 0 t ϕ ( t ) 2 d τ . (4.8)

(3) 在(4.2)左右两边同乘 ϕ ,关于 x 做积分,利用分部积分公式可以得到

1 2 d d t ϕ ( t ) 2 ε 2 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x x x M ( ϕ 2 ) ϕ 2 x x x , ϕ x ) +3 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 2 ϕ 1 x M ( ϕ 2 ) ϕ 2 2 ϕ 2 x , ϕ x ) ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x M ( ϕ 2 ) ϕ 2 x , ϕ x ) + ( M ( ϕ 1 ) ( α ( ϕ 1 ) n 1 ) x M ( ϕ 2 ) ( α ( ϕ 2 ) n 2 ) x , ϕ x ) = 0. (4.9)

由于 M ( ϕ 1 ) C 0 1 ( ) ,借助分部积分公式和边界条件(4.4),有

( M ( ϕ 1 ) ϕ x x x , ϕ x ) = ( ϕ x x x , M ( ϕ 1 ) ϕ x ) = ( M ( ϕ 1 ) ϕ x x , ϕ x x ) ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x ϕ x x , ϕ x ) . (4.10)

将(4.10)代入(4.9)中,整理得

1 2 d d t ϕ ( t ) 2 + ε 2 M ( ϕ 1 ) ϕ x x 2 + 3 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 2 ϕ x , ϕ x ) = ε 2 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x ϕ x x , ϕ x ) + ε 2 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 x x x , ϕ x ) 3 ( M ( ϕ 1 ) ( ϕ 1 + ϕ 2 ) ϕ ϕ 2 x , ϕ x ) 3 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 2 ϕ 2 x , ϕ x ) + ( M ( ϕ 1 ) ϕ x , ϕ x ) + ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 x , ϕ x ) ( M ( ϕ 1 ) ( α ( ϕ 1 ) n 1 ) x M ( ϕ 2 ) ( α ( ϕ 2 ) n 2 ) x , ϕ x ) . (4.11)

于是,(4.11)式关于 t 做积分,并将右边项分成以下几部分进行估计

ϕ ( t ) 2 + 2 ε 2 ν 2 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + 6 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 2 , ϕ x 2 ) Q t = ϕ ( 0 ) 2 2 ε 2 ( M ( ϕ 1 ) ϕ 1 x ϕ x x , ϕ x ) Q t + 2 ε 2 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 x x x , ϕ x ) Q t 6 ( M ( ϕ 1 ) ( ϕ 1 + ϕ 2 ) ϕ ϕ 2 x , ϕ x ) Q t 6 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 2 ϕ 2 x , ϕ x ) Q t + 2 ( M ( ϕ 1 ) ϕ x , ϕ x ) Q t + 2 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 x , ϕ x ) Q t 2 ( M ( ϕ 1 ) α ( ϕ 1 ) ϕ 1 x n , ϕ x ) Q t 2 ( M ( ϕ 1 ) α ( ϕ 1 x ) ϕ n 2 , ϕ x ) Q t

2 ( M ( ϕ 1 ) ( α ( ϕ 1 ) α ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 x n 2 , ϕ x ) Q t 2 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) α ( ϕ 2 ) ϕ 2 x n 2 , ϕ x ) Q t 2 ( M ( ϕ 1 ) α ( ϕ 1 ) n x , ϕ x ) Q t 2 ( M ( ϕ 1 ) ( α ( ϕ 1 ) α ( ϕ 2 ) ) n 2 x , ϕ x ) Q t 2 ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) α ( ϕ 2 ) n 2 x , ϕ x ) Q t = ϕ 0 2 + i = 1 13 I 2 , i . (4.12)

考虑 Ω ,则有Gagliardo-Nirenberg不等式

D ϕ L ( Ω ) C D 2 ϕ 3 4 ϕ 1 4 + C ϕ , (4.13)

结合假设(H2)以及带 η 的Young不等式,可以推导出 I 2 , 1 的估计

| I 2 , 1 | = 2 ε 2 | ( M c ( ϕ 1 ) ϕ 1 x ϕ x x , ϕ x ) Q t | 2 ε 2 ν 4 0 t ϕ x L ( Ω ) ϕ 1 x ϕ x x d τ C ϕ 1 x L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) 0 t ( ϕ x x 7 4 ϕ 1 4 + ϕ x x ϕ ) d τ η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C η 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ . (4.14)

由假设(H)和积分中值定理,有

| M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) | = | M ( ξ ) ( ϕ 1 ϕ 2 ) | ν 4 | ϕ | ,

其中 ξ ϕ k ν , ϕ 是一个函数。于是借助插值不等式(4.13),带 η 的Young不等式以及一般形式的Hölder不等式,再利用(4.6),可得

| I 2 , 2 | = 2 ε 2 | ( ( M ( ϕ 1 ) M ( ϕ 2 ) ) ϕ 2 x x x , ϕ x ) Q t | 2 ε 2 ν 4 0 t ϕ ϕ 2 x x x ϕ x L ( Ω ) d τ 2 ε 2 ν 4 0 t ( C 1 ϕ x x 3 4 ϕ 5 4 + C 2 ϕ 2 ) ϕ 2 x x x d τ C ϕ 2 x x x L 2 ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) ( ( 0 t ϕ x x 3 2 ϕ 5 2 d τ ) 1 2 + ( 0 t ϕ 4 d τ ) 1 2 ) C ( 0 t ϕ x x 2 d τ ) 3 8 ( 0 t ϕ 10 d τ ) 1 8 + C ( 0 t ϕ 4 d τ ) 1 2

η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C η ( 0 t ϕ ( τ ) 10 d τ ) 1 5 + C ϕ L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) ( 0 t ϕ 2 d τ ) 1 2 η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C η ϕ ( τ ) L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) 8 5 ( 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ ) 1 5 + η ^ ϕ ( τ ) L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) 2 + C η ^ 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + η ¯ ϕ ( τ ) L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) 2 + C η , η ¯ 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ . (4.15)

依据Sobolev嵌入定理,我们发现 H 1 ( Ω ) 嵌入到 L ( Ω ) 。因此,借助插值不等式(4.13)和带 η 的Young不等式,可以得到

| I 2 , 3 | = 6 | ( M ( ϕ 1 ) ( ϕ 1 + ϕ 2 ) ϕ ϕ 2 x , ϕ x ) Q t | 6 ν 3 ϕ 1 + ϕ 2 L ( 0 , t ; L ( Ω ) ) 0 t ϕ ϕ 2 x ϕ x L ( Ω ) d τ C ϕ 2 x L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) 0 t ( C 1 ϕ x x 3 4 ϕ 5 4 + C 2 ϕ 2 ) d τ η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C η 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ . (4.16)

考虑假设(H),插值不等式(4.13)以及一些基本不等式,有

| I 2 , 7 | = 2 | ( M ( ϕ 1 ) α ( ϕ 1 x ) ϕ 1 n , ϕ x ) Q t | ν 3 ν 6 0 t ϕ x L ( Ω ) ϕ 1 x n d τ C ϕ 1 x L ( 0 , t ; L 2 ( Ω ) ) 0 t ( ϕ x x 3 4 ϕ 1 4 n + n ϕ ) d τ

0 t ( η ϕ x x 2 + C η ϕ 2 5 n 8 5 ) d τ + C 0 t ( n 2 + ϕ 2 ) d τ η 0 t ϕ x x 2 d τ + η 0 t ϕ 2 d τ + C η 0 t n 2 d τ + C 0 t ( n 2 + ϕ 2 ) d τ η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C 0 t n ( τ ) 2 d τ + C 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ . (4.17)

类似地,不难得到 I 2 , i ( i = 4 , 5 , 6 , 8 , 9 , 10 , 12 , 13 ) 的估计

| I 2 , i | η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C η 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ , (4.18)

以及

| I 2 , 11 | η 0 t ϕ x x ( τ ) 2 d τ + C η 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ + C η 0 t n x ( τ ) 2 d τ . (4.19)

现在,结合(4.14)-(4.19),选择 η ¯ = 1 2 η = ε 2 ν 2 13 代入(4.12),可得

ϕ ( t ) 2 2 ϕ ( 0 ) 2 + C 0 t n ( τ ) 2 d τ + C 0 t ϕ ( τ ) 2 d τ + C 0 t n x ( τ ) 2 d τ . (4.20)

最后,(4.7),(4.8)与(4.20)三式相加,对任意的 t ( 0 , T e ) ,有

n ( t ) 2 + n x ( t ) 2 + ϕ ( t ) 2 n ( 0 ) 2 + n x ( 0 ) 2 + 2 ϕ ( 0 ) 2 + C 0 t ( n ( τ ) 2 + n x ( τ ) 2 d τ + ϕ ( τ ) 2 ) d τ . (4.21)

根据初始条件(4.3)与(4.4),利用积分形式的Gronwall不等式 [14],发现 n = ϕ = 0 Q T e 中几乎处处成立。到此证毕。

5. 稳态解的存在性

下面考虑问题(1.1)~(1.6)的稳态问题。稳态解 ( n ¯ , ϕ ¯ ) 满足

D Δ n ¯ α c ( ϕ ¯ ) = 0 , (5.1)

( M ( ϕ ¯ ) ( ε 2 Δ ϕ ¯ + ϕ ¯ 3 ϕ ¯ + α c ( ϕ ¯ ) n ¯ ) ) = 0 , (5.2)

其中 x Ω ,同时满足边界条件

n ¯ ν | Ω = 0 , (5.3)

ϕ ¯ ν | Ω = ν Δ ϕ ¯ | Ω = 0. (5.4)

现在给出稳态问题(5.1)~(5.4)弱解的定义和主要结论。

定义2. 称函数 ( n ¯ , ϕ ¯ ) 为问题(5.1)~(5.4)的弱解,并且满足

n ¯ H 1 ( Ω ) , ϕ ¯ H 3 ( Ω ) H Γ 2 ,

如果对任意的测试函数 u C ( Ω ) ,满足

D ( n ¯ , u ) + ( α c ( ϕ ¯ ) , u ) = 0 , (5.5)

( M ( ϕ ¯ ) ( ε 2 Δ ϕ ¯ + ϕ ¯ 3 ϕ ¯ + α c ( ϕ ¯ ) n ¯ ) , u ) = 0. (5.6)

定理3. 在定义2的意义下,稳态问题(5.1)~(5.4)存在弱解 ( n ¯ , ϕ ¯ ) ,并且解满足

n ¯ H 1 ( Ω ) , ϕ ¯ H 3 ( Ω ) . (5.7)

首先,对稳态问题(5.1)~(5.4)进行处理。对(1.1)关于 x 做积分,利用分部积分公式和边界条件(1.3), 可得

d d t Ω n d x = Ω n t d x = Ω α c ( ϕ ) d x .

对上式关于 t ( 0 , T e ) 上做积分,并令 T e ,有

Ω n d x = Ω n 0 d x 0 Ω α c ( ϕ ) d x d τ .

这里 n = n ( , x ) 。假设 Ω n d x 存在,则 0 Ω α c ( ϕ ) d x d τ 存在。由于 α c ( ϕ ) 0 ,则 α c ( ϕ ¯ ) = 0

于是,方程组(5.1)~(5.2)改写为两个解耦的椭圆型方程,分别为Laplace方程

Δ n ¯ = 0 , x Ω , (5.8)

和四阶非线性方程

( M ( ϕ ¯ ) ( ε 2 Δ ϕ ¯ + ϕ ¯ 3 ϕ ¯ ) ) = 0 , x Ω . (5.9)

接下来化简方程(5.9),对其关于 x 做积分,再考虑其边界条件以及假设中 M ( ϕ ) > 0 ,可以将其化简为半线性方程

ε 2 Δ ϕ ¯ = ϕ ¯ 3 + ϕ ¯ + C ¯ , x Ω , (5.10)

这里 C ¯ 为一常数。

引理4. 方程

{ Δ n ¯ = 0 , x Ω , n ν | Ω = 0.

且满足 n H 1 ( Ω )

由于方程为Neumann条件下的Laplace方程 [16],证明省略。

引理5. 方程

{ Δ ϕ ¯ = ϕ ¯ 3 ϕ ¯ + C ¯ , x Ω , ϕ ¯ ν | Ω = 0. (5.11)

存在弱解 ϕ ¯ ,并且满足 ϕ ¯ H 1 ( Ω )

方程为Neumann条件下二阶半线性椭圆型方程 [17],故证明省略。

引理6. 方程

{ ( M ( ϕ ¯ ) ( ε 2 Δ ϕ ¯ + ϕ ¯ 3 ϕ ¯ ) ) = 0 , x Ω , ϕ ¯ ν | Ω = ν Δ ϕ ¯ | Ω = 0. (5.12)

存在弱解 ϕ ¯ ,并且满足 ϕ ¯ H 3 ( Ω )

证明:由化简过程知,方程(5.11)与方程(5.12)有相同的弱解 ϕ ¯ ,下证 ϕ ¯ H 3 ( Ω ) 。方程(5.12)第一式左右同乘 Δ ϕ ¯ ,再关于 x 做积分,利用分部积分公式以及边界条件,不难得到

ε 2 ν 2 Δ ϕ ¯ 2 3 ν 3 | ( ϕ 2 ϕ ¯ , Δ ϕ ¯ ) | + ν 3 | ( ϕ ¯ , Δ ϕ ¯ ) | I 3 , 1 + I 3 , 2 . (5.13)

利用插值不等式(3.6)不等式,带 η 的Young不等式以及引理5,可得 I 3 , 1 的估计

I 3 , 1 3 ν 3 ϕ ¯ L 6 ( Ω ) 2 ϕ ¯ L 6 ( Ω ) Δ ϕ ¯ C ϕ ¯ H 1 ( Ω ) 2 Δ ϕ ¯ 5 3 ϕ ¯ 1 3 + C ϕ ¯ H 1 ( Ω ) 2 ϕ ¯ Δ ϕ ¯ η Δ ϕ ¯ 2 + C . (5.14)

类似地,不难得到

I 3 , 2 η Δ ϕ ¯ 2 + C . (5.15)

结合(5.14)~(5.15),并选择 η = ε 2 ν 2 4 代入(5.13),有

Δ ϕ ¯ C . (5.16)

至此证毕。

最后,结合引理4~引理6,定理3得证。

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