1. 前言和主要的结果
1.1. 背景
本文研究以下趋化模型
(1)
该模型描述了在血管形成期间,血管内皮细胞生长因子与血管内皮细胞之间的关系 [1] [2] 。其中
表示血管内皮细胞的密度,
表示血管内皮细胞生长因子的浓度。参数
代表趋化系数,
表示趋化血管内皮细胞生长因子的消耗率,
表示生长因子的扩散率。
模型(1)中,第一个方程含有一个对数敏感函数
,为了消去对数奇性,可以通过如下Cole-Hopf变换 [3] [4]
(2)
和伸缩变换
,
,
,将(1.1)转换为如下系统(为了方便起见,还是用
分别代替
)
(3)
无穷远状态为
(4)
其中
。
对于模型(1)已经有了大量的研究,比如在一维空间中该系统行波解稳定性的研究 [5] [6] [7] [8] ,关于解的全局存在性以及大时间行为的研究 [9] - [14] 。对于高维无界区域的情形,研究者在文献 [1] 中给出了该模型在二维空间非线性行波解的稳定性,在文献 [15] [16] 中得到了经典解的爆破准则,在文献 [4] 中得到了该系统的全局适定性以及解的大时间行为。对于高维有界区域
,在Neuman边界条件下,研究者在文献 [16] 中得到了具有指数衰减的全局解。在文献 [11] 中,研究者在二维空间研究了模型(1)的边界层问题。关于模(1)的型其它研究请参考文献 [17] [18] 。
以上的研究大都是关于连续初值的研究,在连续初始值的情况下,可以要求初始值足够光滑,这时得到的都是经典解。而在实际应用中不连续的情形更加普遍(比如分片光滑的初值就是不连续的),因此研究带不连续初值的趋化模型是一个重要而有意义的题。本文将研究二维趋化系统在不连续初值下解的存在性问题,进而考虑解的大时间行为,这有助于研究该模型在不连续初值下解的性态。
首先我们先介绍弱解的定义:
定义1.1我们说
是系统(3)~(4)的弱解,如果
满足,对于所有的测试函数
满足以下关系
和
其中
,
。
1.2. 主要结果
定理1.2如果
如果初始值满足
(5)
是旋度算子。然后对于任意的
,
,那么存在
,使得
那么Cauchy问题(3)-(4)有一个全局的弱解
,使得
当
,
,则
2. 预备知识
下面介绍一些概念:
代表
上指标为k的Sobolev空间,其范数定义为
旋度算子
(7)
(8)
其中
,下面我们将简写
为
。首先介绍以下两个引理 [5] [16] 。
引理2.1令
,
。那么存在一个最大时间
使得Cauchy问题(3)~(4),存在一个唯一解使得
引理2.2令
,且
,
是引理2.1中得到的解,如果
(9)
那么解可以延拓到
之外。
作变量替换
,系统(3)可转化为
(10)
定义有效粘性通量
为:
(11)
那么(10)中的第一个方程可以写成
(12)
由此可以得到关于F的估计:
引理2.3 [19] 如果
是(10)的光滑解,那么存在常数C使得
引理2.4 [20] 令
,
且
使得
那么对于
,然后存在一个常数只依赖于
的C,使得
(13)
3. 渐进解的先验估计
首先对初值进行磨光
考虑以下渐进系统
(14)
其中初始值为
且
为方便起见,下面用
代替
。令
,
是(14)在
上的光滑解,令
,定义
(15)
下面我们将通过先验假设的方法来得到解的先验估计,我们首先假设
(16)
其中
(17)
下面我们从基本能量估计开始。
引理3.1如果定理1.2中的条件满足,
是满足初值条件并且满足(16)的光滑解,则有下面不等式成立
(18)
证明 用
乘以(10)式中的第一个方程,用
乘以(10)中的第二个方程,把两式所得结果相加,然后在
上作积分,则有然后用类似文献 [19] 引理3.1的方法,容易得到所需的结果。
接下来我们将给出解的一阶能量估计,得到解的一阶能量估计时需要利用加权能量的技巧。
引理3.2如果定理1.2中的条件满足,
是满足初值条件并且满足(16)的光滑解,则有
(19)
其中
。
证明 第一步:用
,
,分别乘以(14)中第一个方程,第二个方程,然后在
作积分,可得到
(20)
和
(21)
其中上式用了
,
。
首先处理(20)式右边的第二项,根据G-N不等式有
(22)
对于(21)中右边最后一项,通过计算可得
(23)
由Cauchy不等式,(15),(16),及
,则有
(24)
(25)
对于
中的第二项,由Cauchy不等式以及(16)有
中的第三项,由(14)中的第一个等式有
(26)
由(20),(22),(23),(24),(25),(26)得
(27)
并且
(28)
(29)
则有
(30)
步骤2. 估计
,对时间求导得
(31)
所得方程第一个方程乘以
,第二个方程乘以
,把所得结果相加并在作积分可得
(32)
因此有
(34)
下面估计(34)右边第四项,由
(35)
下面估计(34)中右边最后一项,由(13)和(16)可得
(36)
根据
,
,可得
选取
,可得
(37)
选取
,使得
,则有
因此完成引理3.2的证明。
接下来,我们将给出
的估计,从而得到
的大时间行为。
引理3.3 [19] 如果定理1.2中的条件满足,
是满足初值条件并且满足(16)的光滑解,则有
且
,则
(38)
证明:引理3.3的证明可参考文献 [19] 。
以下引理是关于v的估计。
引理3.4如果定理1.2中的条件满足,
是满足初值条件并且满足(16)的光滑解,那么
其中
。
证明:由
,有
(39)
两边同时乘以
,然后在
作积分,则
在
作积分,可得
(40)
由G-N不等式(13)有
(41)
由于
(42)
当
,
,则
(43)
那么由(13)有
(44)
由
和(16)可得
(45)
因此
(46)
由(41),(44),(46)得
那么
(47)
当
,由插值不等式,(3.3)可得
则
(48)
因此
(49)
由(47),(48),(49)取
,
,则
引理3.5如果定理1.2中的条件满足,
是满足初值条件并且满足(16)的光滑解,那么
. (50)
证明:用
乘以(3.27),然后在 上作积分,则有
(51)
将上式在
上积分有
(52)
由不等式
有
因此
由G-N不等式(13)可得
(53)
由
和
可得
由(10),(13)可得
利用上式和(13)可得
下面对
做估计,由(13)和Hölder不等式可得
由(15),(16),(43)及以上不等式,可得
以下估计
,由(13),(16),(17)可得
取
使得
,那么
由于
那么
把以上三个不等式代入(53)可得
(54)
因此取
足够下,当
时,
即
因此完成了引理3.5的证明。
根据引理3.1~3.5,可得
. (55)
4. 主定理证明
下面利用爆破准则得到全局解
命题4.1假设
,那么系统(16)有一个唯一解,使得
。
证明:通过引理2.1,则存在
,使得满足初始条件的系统(3.1)在
上的Cauchy问题有唯一解。首先,从(3.3)可知
令
,
(56)
因此,存在一个
,使得
,(3.3)成立。
反证,如果
,由爆破准则,则
.
根据引理3.1-3.5,当
时,上式成立,所以存在
,使得
和当
时(16)成立,与最大存在时刻矛盾。所以根据连续性技巧,可证命题4.1。
从(55)得到下面关于
的一致估计
(57)
由(13),(57),可得
(58)
所以由(4.2),(4.3),则有
(59)
由
↪↪
,
↪↪
,因此Aubin-Lions-Simon引理,可以抽取一个子列
,当
,则
(60)
那么
且
那么
(61)
据此可得
(62)
根据插值不等式,当
时,可得
类似地
那么
至此完成定理1.2的证明。