可压缩液晶流方程解的衰减估计
Decay Estimation of the Solutions to the Compressible Nematic Liquid Crystal Flow Model
DOI: 10.12677/pm.2024.146246, PDF, HTML, XML, 下载: 12  浏览: 34 
作者: 谢婵鑫:上海理工大学理学院,上海
关键词: 可压缩液晶流傅立叶变换衰减估计Compressible Nematic Liquid Crystal Flow Fourier Transform Decay Estimate
摘要: 本文主要研究了可压缩液晶流系统在ℝ3中柯西问题解的高阶导数的衰减估计。本文利用傅立叶变换和中低频分解的方法,完成了证明。
Abstract: This paper primarily studies the decay of higher-order derivatives of the solution to the Cauchy problem on the compressible nematic liquid crystal flow system inℝ3, The proof is accomplished by virtue of Fourier theory and a new observation for cancellation of alow-medium-frequency quantity.
文章引用:谢婵鑫. 可压缩液晶流方程解的衰减估计[J]. 理论数学, 2024, 14(6): 255-268. https://doi.org/10.12677/pm.2024.146246

1. 引言

我们下面考虑的系统满足下列方程:

{ ρ t +div( ρu )=0, ( ρu ) t +div( ρuu )+P( ρ )=udΔd, d t +ud=Δd+ | d | 2 d, (1.1)

模型的初始值为

ρ( x,0 )= ρ 0 ( x ),u( x,0 )= u 0 ( x ),d( x,0 )= d 0 ( x ),x 3 , (1.2)

其中 ρ( x,t ): 3 ×[ 0, ) 1 u( x,t ): 3 ×[ 0, ) 3 分别为流体的密度和速度。 m=ρu 为动量, P=P( ρ ) 是压力函数的表达式。液晶流的光轴矢量是一个单位向量,表达式为 d( x,t ): 3 ×[ 0, ) S 2 ,即 d=1 Lamé算子,

u=μΔu+( μ+λ )divu.

μ λ 为剪切黏度和体积黏度,满足 μ>0 2μ+3λ0

这个系统被称为可压缩液晶流模型。液晶流被认为是缓慢运动的粒子,其中流体速度和粒子的排列相互影响。液晶可以形成并保持在液体和固体之间的中间状态。向列相是液晶中最常见的一种。Erickse [1] [2]和Leslie [3] [4]建立了液晶的流体力学理论。当流体是可压缩时,液晶系统会变得更加复杂,研究结果相对来说比较少,由于液晶流系统在数学和物理学的重要性,有非常多的文献研究了它的数学理论。不可压缩液晶流动的数学分析是由Lin和Liu在[5] [6]中提出的。对不可压缩的流体,我们可以参考文献[7]-[13]

当流体被允许可压缩时,Ericksen-Leslie系统变得更加复杂。据我们所知,目前可用的分析著作似乎很少。Ding-Lin-Wang-Wen [11]和Huang-Wang-Wen [12]研究了具有非负初始密度的系统(1.1)的初值或初边值问题的局部时强解。基于[13] [14],在[15] [16]中得到了强解的爆破判据。Hu和Wu [17]研究了临界空间强解的全局存在唯一性。在[18]的前提下,当初始数据在某能量范数上足够光滑且适当小时,在[19]中证明了经典解的全局适定性。特别是[20] [21] [22],在一些较小的条件或几何角度条件下建立了全局弱解(见[23])。Wu [24]研究了高维(3维及以上)的小初值经典解的整体存在性。对于该模型解的局部存在性、整体存在性和正则性,许多学者做了一系列的研究,可以参考[25]-[30]。在定理3.1的假设下,本文致力于建立定理3.2中解的时间衰减率。通过傅立叶变换和低高频分解[31]的方法,完成了证明。

下面是本文的符号说明和一些引理。

2. 符号说明和一些引理

在本文中,C表示一般的正常数。对于整数 m0 ,Sobolev空间 H m ( R 3 ) 中的范数表示为 H m 。特别地,当 m=0 时,我们将简单地使用 。同通常一样, ·,· 表示 L 2 ( R 3 ) 中的内积。梯度表示为 =( 1 , 2 , 3 ) i = x i i=1,2,3 。对于任意整数 l0 l f 表示函数f的所有l阶导数。

为了后续证明主要结论的需要,下面介绍两个相关引理。

首先,列出一些Sobolev空间中的基本不等式。其证明可参考文献[32] [33]

引理2.1 f H 2 ( 3 ) ,有

(i) f L C f L 2 1/2 f H 1 1/2 C f H 1 ;

(ii) f L 6 C f L 2 ;

(iii) f L q C f H 1 ,2q6.

引理2.2 s>0 m1 是整数,有

s ( fg ) L p C f L p 1 s g L p 2 +C s f L p 3 g L p 4 ,

m ( fg )f m g L p C f L p 1 m1 g L p 2 +C m f L p 3 g L p 4 ,

这里 p, p 1 , p 2 , p 3 , p 4 [ 1, ] ,且

1 p = 1 p 1 + 1 p 2 = 1 p 3 + 1 p 4 .

引理2.3 ([31])对于 f( x ) H m ( 3 ) 和任意给定的整数 k, k 0 k 1 ( k 0 k k 1 m ),下列式子成立

k f l L 2 r 0 k k 0 k 0 f l L 2 , k f l L 2 k 1 f L 2 , (2.1)

k f h L 2 1 R 0 k 1 k k 1 f h L 2 , k f h L 2 k 1 f L 2 . (2.2)

r 0 k f m L 2 k f m L 2 R 0 k f m L 2 . (2.3)

3. 主要结果

通过对变量进行换元

ρ ˜ =ρ ρ , u ˜ =u, d ˜ =d d ,

则方程可以写成

{ ρ ˜ t + ρ div u ˜ = S 1 , u ˜ t + P ρ ( ρ ) ρ ρ ˜ μ ρ Δ u ˜ μ+λ ρ div u ˜ = S 2 , d ˜ t Δ d ˜ = S 3 , (3.1)

初值条件满足

( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )( x,0 )=( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 , d ˜ 0 )( x ). (3.2)

非线性项满足

{ S 1 =div( ρ ˜ u ˜ ), S 2 = u ˜ u ˜ + g 1 ( ρ ˜ ) ρ ˜ +μ g 2 ( ρ ˜ )Δ u ˜ +( μ+λ ) g 2 ( ρ ˜ )div u ˜ 1 ρ ˜ + ρ d ˜ Δ d ˜ , S 3 = u ˜ d ˜ + | d ˜ | 2 d ˜ . (3.3)

其中

{ g 1 ( ρ ˜ )= P ρ ( ρ ) ρ P ρ ( ρ ˜ + ρ ) ρ ˜ + ρ , g 2 ( ρ ˜ )= 1 ρ ˜ + ρ 1 ρ ,

再做一次变量变换

ρ ˜ ρ ˜ , u ˜ αu, d ˜ d,

α= ρ P ρ ( ρ ) , λ 1 = ρ , μ 1 = μ ρ , μ 2 = μ+λ ρ

则方程可以写成

{ ρ ˜ t + λ 1 div u ˜ = S ˜ 1 , u ˜ t + λ 1 ρ ˜ μ 1 Δ u ˜ μ 2 div u ˜ = S ˜ 2 , d ˜ t Δ d ˜ = S ˜ 3 , (3.4)

初值条件满足

( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )| t=0 =( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 , d ˜ 0 )( x )                  :=( ρ 0 ρ , u 0 , d 0 )( x )( 0,0,0 ), | x |+ (3.5)

其中源项

( S ˜ 1 , S ˜ 2 , S ˜ 3 ):=( S 1 ,α S 2 , S 3 )( ρ ˜ , 1 α u ˜ , d ˜ ). (3.6)

通过先验假设直接计算可以得到

| g 1 ( ρ ˜ ) |,| g 2 ( ρ ˜ ) |C| ρ ˜ |, (3.7)

这些不等式在后面将会用到。

命题3.1 (局部存在性)假设 ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 ) H 2 ( 3 ) d ˜ 0 H 1 ( 3 ) ,则存在一个大于0的常数 T 1 ,使得系统(1.8)在 3 ×[ 0, T 1 ] 上有一个唯一的整体解 ( ρ,u,d ) 满足

( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )C( [ 0, T 1 ]; H 2 ( 3 ) ).

证明:利用标准迭代论证、不动点定理和极大值原理进行证明。也可以参考[34] [35]。为了表述简单,我们省略了细节。

命题3.2 (先验估计)由命题3.1可知,存在时间 T >0 ,解存在于 3 ×[ 0, T ] 中。假设对于任意 T( 0, T ] ,解存在于 3 ×[ 0,T ] 上,则存在一个足够小的数 δ>0 ,使得

sup 0tT { ( ρ ˜ , u ˜ )( ,t ) H 2 + d ˜ ( ,t ) H 1 }δ, (3.8)

那么有以下的估计:

{ ( ρ ˜ , u ˜ ) H 2 2 + d ˜ H 1 2 }+ 0 t [ ρ ˜ H 1 2 + ( u ˜ , d ˜ ) H 2 2 ] ( ,s )ds C 1 { ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 ) H 2 2 + d ˜ 0 H 1 2 }. (3.9)

定理3.1 假设 ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 ) H 2 ( 3 ) d ˜ 0 H 1 ( 3 ) ,则存在一个足够小的常数 ε>0 ,使得如果

( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 ) H 2 ( 3 ) + d ˜ 0 H 1 ( 3 ) δ,

那么整体存在唯一的光滑解满足

( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )C( [ 0, ); H 2 ( 3 ) ).

在定理3.1的假设下,我们用下面的定理来陈述我们的结果。

定理3.2假设初始值 ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 ) H 2 ( 3 ) d ˜ 0 H 1 ( 3 ) ρ >0 ,此外,如果初始数据 ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 , d ˜ 0 ) L 1 ( R 3 ) 中有界,则存在一个正常数 C 0 ,当 t0 时,使得解 ( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ ) 具有如下的时间衰减估计

k ( ρ ˜ , u ˜ )( t ) L 2 ( 3 ) C 0 ( 1+t ) 3 4 k 2 ,k=0,1,2

d ˜ ( t ) H 1 C ˜ 0 e Ct .

首先,我们先给出高阶导的估计结果。

引理3.1 对于 0tT ,有

1 2 d dt h ( t )+ μ 1 3 u L 2 2 + μ 2 2 divu L 2 2 + λ 1 β 1 2 ρ ˜ L 2 2 + 3 d L 2 2 Cδ( 2 u L 2 2 + d L 2 2 + 2 d L 2 2 + 3 d L 2 2 + ρ L 2 2 )    + λ 1 β 1 divu L 2 2 +Cδ( 1+ β 1 )( 3 u L 2 2 + 2 ρ L 2 2 ). (3.10)

其中 h ( t )= 2 ( ρ,u,d ) L 2 2 +2 β 1 u 2 ρdx

证明: 2 分别作用于(3.4)1和(3.4)2,同时用 2 ρ, 2 u 分别乘以(3.4)1和(3.4)2,在 R 3 上积分,并且利用基本不等式,得到

1 2 d dt ( 2 ρ L 2 2 + 2 u L 2 2 )+ μ 1 3 u L 2 2 + μ 2 2 divu L 2 2 Cδ( d L 2 2 + 2 d L 2 2 + 3 d L 2 2 + ρ L 2 2 + 2 ρ L 2 2 + 2 u L 2 2 + 3 u L 2 2 ). (3.11)

作用到(3.4)2, 再对得到的等式乘以 2 ρ ˜ ,利用Hölder不等式、Sobolev不等式,然后在 R 3 上积分可得

2 ρ ˜ L 2 2 + 3 ρ ˜ u ˜ t dx = 3 2 ρ ˜ S 2 dx+ μ 1 3 2 ρ ˜ Δudx+ μ 2 3 2 ρ ˜ divudx Cδ( d ˜ L 2 + 2 ( ρ ˜ , u ˜ ,d ) L 2 + 3 u ˜ L 2 ), (3.12)

这里我们利用了

S 2 L 2 C u ˜ L 6 u ˜ L 3 +C u ˜ L 2 u ˜ L 2 +C g 1 ( ρ ˜ ) L 6 ρ ˜ L 3               +C g 1 ( ρ ˜ ) L 2 ρ ˜ L 2 +C g 2 ( ρ ˜ ) L 6 Δ u ˜ L 3 +C g 2 ( ρ ˜ ) L 3 u ˜ L 2               +C g 3 ( ρ ˜ ) L 6 2 u ˜ L 3 +C g 3 ( ρ ˜ ) L 3 u ˜ L 2 + 1 ρ ˜ L d ˜ L 2 Δ d ˜ L 2             Cδ( d ˜ L 2 + 2 ( ρ ˜ , u ˜ ,d ) L 2 + 3 u ˜ L 2 ). (3.13)

下面对(3.12)左边的式子进行估计,并乘以一个足够小的数 β 1

β 1 λ 1 2 ρ ˜ L 2 2 + d dt β 1 3 2 ρ ˜ udx λ 1 β 1 3 ( divu ) 2 dx +Cδ β 1 ( 3 u L 2 2 + 2 ρ L 2 2 ), (3.14)

将(3.11)和(3.14)相加,利用插值不等式,可以得到

1 2 d dt { 2 ( ρ,u ) L 2 2 +2 β 1 u 2 ρdx }+ μ 1 3 u L 2 2 + μ 2 2 divu L 2 2 + β 1 2 ρ ˜ L 2 2 Cδ( 2 u L 2 2 + d L 2 2 + 2 d L 2 2 + 3 d L 2 2 + ρ L 2 2 )   + λ 1 β 1 divu L 2 2 +Cδ( 1+ β 1 )( 3 u L 2 2 + 2 ρ L 2 2 ). (3.15)

接下来,我们要给出 2 d L 2 2 的估计,将 2 作用到(3.4)3,再对得到的等式乘以 2 d 并在 R 3 上积分可得

1 2 d dt 2 d 2 + 3 d L 2 2 = 3 2 ( ud ) 2 ddx+ 3 2 ( | d | 2 d ) 2 ddx = 3 ( ud ) 3 ddx 3 ( | d | 2 d ) 3 ddx Cδ( d L 2 2 + 2 d L 2 2 + 3 d L 2 2 ). (3.16)

将(3.15)和(3.16)相加,得到

1 2 d dt { 2 ( ρ,u,d ) L 2 2 +2 β 1 u 2 ρdx } + μ 1 3 u L 2 2 + μ 2 2 divu L 2 2 + λ 1 β 1 2 ρ ˜ L 2 2 + 3 d L 2 2 Cδ( 2 u L 2 2 + d L 2 2 + 2 d L 2 2 + 3 d L 2 2 + ρ L 2 2 )    + λ 1 β 1 divu L 2 2 +Cδ( 1+ β 1 )( 3 u L 2 2 + 2 ρ L 2 2 ). (3.17)

证明结束。

4. 衰减估计

接下来,我们将给出解 ( ρ,u,d ) 的衰减估计。

命题4.1在定理3.1和定理3.2的假设下,存在一个正常数C0,当 t0 时,使得由命题3.1和命题3.2得到的整体解 ( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ ) 具有如下的时间衰减估计

k ( ρ ˜ , u ˜ )( t ) L 2 ( 3 ) C 0 ( 1+t ) 3 4 k 2 ,k=0,1,2

d ˜ ( t ) H 1 C ˜ 0 e Ct .

引理4.1

2 ( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )( t ) L 2 2 C e C 2 t 2 ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 , d 0 ) L 2 2 +Cδ 0 l e C 2 ( tτ ) d ˜ ( τ ) H 1 2 dτ                                +C 0 t e C 2 ( tτ ) 2 ( ρ ˜ L , u ˜ L )( τ ) L 2 2 dτ. (4.1)

其中正常数C2 δ 无关。

证明: (3.4)2乘以 ρ ˜ L ,并使用(3.4)1和分部积分法,我们得到

λ 1 ρ ˜ , ρ ˜ L = S 2 , ρ ˜ L + μ 1 Δ u ˜ , ρ ˜ L + μ 2 2 div u ˜ , ρ ˜ L u ˜ t , ρ ˜ L ,

通过分部积分,可以得到

u ˜ t , ρ ˜ L = d dt u ˜ , ρ ˜ L u ˜ , ρ ˜ t L                     = d dt u ˜ , ρ ˜ L u ˜ , S 1 L + λ 1 u ˜ ,div u ˜ L ,

d dt 3 ρ ˜ L u ˜ dx= λ 1 3 ρ ˜ ρ ˜ L dx+ λ 1 3 div u ˜ div u ˜ L dx                                  + μ 1 3 ρ ˜ L Δ u ˜ dx+ μ 2 3 ρ ˜ L div u ˜ dx                                   3 ( div u ˜ S 1 L ρ ˜ L S 2 )dx . (4.2)

然后,通过使用Young不等式,我们有

d dt 3 ρ ˜ L u ˜ dx λ 1 2 div u ˜ L 2 2 + λ 1 8 ρ ˜ L 2 2 + μ 1 2 Δ u ˜ L 2 2                                    + μ 2 2 div u ˜ L 2 2 + 1 2 S 1 L L 2 2 + 1 2 S 2 L 2 2                                    +( 1+ λ 1 + 1+ μ 1 + μ 2 2 ) ρ ˜ L L 2 2 + 1+ λ 1 2 div u ˜ L L 2 2 . (4.3)

根据Plancherel定理,引理2.2和(3.13)我们有

S ˜ 1 L L 2 2 + S ˜ 2 L 2 2 Cδ( d ˜ L 2 + 2 ( ρ ˜ , u ˜ ,d ) L 2 + 3 u ˜ L 2 ), (4.4)

将(3.10)和 β 2 × (4.3)相加,利用(3.13)和(2.2),得到

1 2 d dt { h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx }+ μ 1 4 R 0 2 2 u ˜ h L 2 2 + μ 1 4 3 u ˜ L 2 2 + μ 2 4 2 div u ˜ L 2 2 + β 1 λ 1 8 2 ρ ˜ L 2 2 + 1 4 3 d L 2 2 λ 1 β 2 2 div u ˜ L 2 2 + λ 1 β 2 8 ρ ˜ L 2 2 + μ 1 β 2 2 Δ u ˜ L 2 2   + μ 2 β 2 2 div u ˜ L 2 2 + Cδ β 2 2 ( d ˜ L 2 + 2 ( ρ ˜ , u ˜ ,d ) L 2 + 3 u ˜ L 2 )

  +( 1+ λ 1 + 1+ μ 1 + μ 2 2 ) β 2 ρ ˜ L L 2 2 + ( 1+ λ 1 ) β 2 2 div u ˜ L L 2 2   +Cδ( 2 u L 2 2 + d L 2 2 + 2 d L 2 2 + 3 d L 2 2 + ρ L 2 2 )   + λ 1 β 1 divu L 2 2 +Cδ( 1+ β 1 )( 3 u L 2 2 + 2 ρ L 2 2 ) ( μ 2 8 + λ 1 ( β 1 + β 2 ) 2 ) div u ˜ L 2 2 + β 2 μ 1 2 Δ u ˜ L 2 2 + β 2 μ 2 2 2 div u ˜ L 2 2   +C β 2 ρ ˜ L L 2 2 +C β 2 div u ˜ L L 2 2 +Cδ( 1+ β 1 + β 2 ) 2 ( ρ ˜ , u ˜ ,d ) L 2 2 . (4.5)

在(4.5)的两边加 μ 1 4 R 0 2 2 u ˜ L L 2 2 ,使用分解式(5.2),我们得到

d dt ( h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx )+ β 2 λ 1 8 2 ρ ˜ L 2 2 + μ 1 8 R 0 2 2 u ˜ L 2 2 + μ 1 4 3 u ˜ L 2 2 + μ 2 4 2 div u ˜ L 2 2 + 1 4 3 d L 2 2 C β 2 2 ρ ˜ L L 2 2 +( C β 2 + μ 1 4 R 0 2 ) 2 u ˜ L L 2 2 +( μ 2 8 + λ 1 ( β 1 + β 2 ) 2 ) div u ˜ L 2 2 + β 2 μ 1 2 Δ u ˜ L 2 2 + β 2 μ 2 2 2 div u ˜ L 2 2 +Cδ( 1+ β 1 + β 2 ) 2 ( ρ ˜ , u ˜ ,d ) L 2 2 . (4.6)

注意到

β 2 <max{ 1 4 },   R 0 2 >max{ 4( μ 2 + λ 1 ) μ 1 }, (4.7)

利用 δ 的小性,我们有

d dt ( h (t) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx )+ β 2 λ 1 16 2 ρ ˜ L 2 2 + μ 1 16 R 0 2 2 u ˜ L 2 2 + μ 1 8 3 u ˜ L 2 2 + μ 2 8 2 div u ˜ L 2 2 + 1 4 3 d L 2 2 C 2 ( ρ ˜ L , u ˜ L ) L 2 2 +Cδ d ˜ H 1 2 . (4.8)

根据分解(5.2),我们有

h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx = 1 2 2 ρ ˜ L 2 + β 2 3 ρ ˜ h u ˜ dx+ 1 2 2 u ˜ L 2 2 + 1 2 2 d ˜ L 2 2 .

由分部积分法、Young不等式和(2.2)可知

β 2 3 ρ ˜ h u ˜ dx= β 2 3 ρ ˜ h div u ˜ dx                               β 2 2 ρ ˜ h L 2 2 + β 2 2 div u ˜ L 2 2                               β 2 2 2 ρ ˜ L 2 2 + β 2 2 2 u ˜ L 2 2 .

这意味着

h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx~ 2 ( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ ) L 2 2 , (4.9)

我们用到了 0< β 2 < 1 4 ,由式(4.8)和式(4.9)可知,存在一个常数C2,使得

d dt ( h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx )+ C 2 ( h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx ) C 2 ( ρ ˜ L , u ˜ L ) L 2 2 +Cδ d ˜ H 1 2 . (4.10)

用(4.10)乘以 e C 2 t ,对 [ 0,t ] 积分,得到

h ( t ) β 2 3 ρ ˜ L u ˜ dx e C 2 t ( h ( 0 ) β 2 3 ρ ˜ 0 L u ˜ 0 dx )                                               +C 0 t e C 2 ( tτ ) 2 ( ρ ˜ L , u ˜ L )( τ ) L 2 2 dτ                                               +Cδ 0 t e C 2 ( tτ ) d ˜ H 1 2 dτ. (4.11)

因此我们可以得到引理4.1。

4.1. 中低频部分的衰减估计

在本小节中,设 G 是以下形式的微分算子的矩阵:

G=( 0 λ 1 div 0 λ 1 μ 1 Δ μ 2 div 0 0 0 Δ ) (4.12)

U ¯ ( t ):= ( ρ ¯ ( t ), u ¯ ( t ), d ¯ ( t ) ) T ,U( 0 )= ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 , d ˜ 0 ) T (4.13)

我们有以下相应的线性化问题:

{ t U ¯ +G U ¯ =0t>0 U ¯ | t=0 =U( 0 ) (4.14)

将傅立叶变换运用到(4.14) 中x变量,求解关于t的常微分方程,我们得到

U ¯ ( t )=G( t )U( 0 ),

式中半群 G( t )= e tG ( t0 ) 是由线性算子 G 生成的,并且

G( t )f:= 1 ( e t G ξ f ^ ( ξ ) ),

其中

G ξ =( 0 i ξ T 0 iξ μ 1 | ξ | 2 δ ij + μ 2 ξ i ξ j 0 0 0 | ξ | 2 ).

接下来,我们引入一个重要引理。

引理4.2 ([31])假设 1p2 ,对于任何整数k,有

k ( G( t ) U L ( 0 ) ) L 2 C ( 1+t ) 3 2 ( 1 p 1 2 ) k 2 U( 0 ) L p . (4.15)

首先,我们建立非线性问题(3.4)和(3.6)的解的时间衰减估计。表示

U( t ):= ( ρ ˜ ( t ), u ˜ ( t ), d ˜ ( t ) ) T .

由(3.4)可以得到

{ t U+GU=S( U ),t>0 U| t=0 =U( 0 ), (4.16)

其中 S( U )= ( S ˜ 1 , S ˜ 2 , S ˜ 3 ) T ,根据Duhamel原理,我们将式(4.16)的解改写为:

U( t )=G( t )U( 0 )+ 0 t G ( tτ )S( U )( τ )dτ. (4.17)

基于引理4.2,我们建立了非线性问题(3.4)~(3.6)解的中低频部分的时间衰减估计。

引理4.3 ([31])假设 1p2 ,对于任何整数k,存在一个正常数C3,使得

k U L ( t ) L 2 C 3 ( 1+t ) 3 4 k 2 U( 0 ) L 1 + C 3 0 t 2 ( 1+tτ ) 3 4 k 2 S( U )( τ ) L 1 dτ                       + C 3 t 2 t ( 1+tτ ) k 2 S( U )( τ ) L 2 dτ. (4.18)

4.2. 非线性系统的衰减率

在本节中,结合引理3.1和引理4.3,我们得到了非线性问题(3.4)解的时间衰减率。

引理4.4 在命题3.13.2的假设下,有

k ( ρ ˜ , u ˜ )( t ) L 2 C ( 1+t ) 3 4 k 2 ,k=0,1,2 (4.19)

d ˜ ( t ) H 1 C e Ct . (4.20)

证明:对(3.4)作用k阶导数 ( 0k2 ) ,在 R 3 上积分之后相加,并且利用 δ 的小性可以得到

1 2 d dt d ˜ H 1 2 + d ˜ H 2 2 0. (4.21)

将(4.21)与 e c 2 t 相乘,然后在 [ 0,t ] 积分,得到

d ˜ ( t ) H 1 2 e c 2 t d ˜ 0 H 2 2 (4.22)

因此,我们可以得到(4.20)。

定义

M( t ):= sup 0τt m=0 2 ( 1+τ ) 3 4 + m 2 m ( ρ ˜ , u ˜ )( τ ) L 2 (4.23)

M( t ) 是非递减的,对于 0m2

m ( ρ ˜ , u ˜ )( τ ) L 2 C 4 ( 1+τ ) 3 4 m 2 M( t ),0τt (4.24)

C4是与 δ 无关的正常数。利用Hölder不等式,(4.24)和先验假设,我们有

S( U )( τ ) L 1 δM( t ) ( 1+τ ) 5 4 +δ d ˜ 0 H 2 e c 4 τ . (4.25)

S( U )( τ ) L 2 δ 1 s 1 M 1+ s 1 ( t ) ( 1+τ ) 7 4 3 4 s 1 +δ d ˜ 0 H 2 e c 4 τ . (4.26)

其中, s 1 ( 0, 1 2 ) 是一个小的固定常数。根据引理4.4,(4.25)和(4.26),对于 0k2 ,可以得到

(4.27)

由式(4.1)和(4.27),我们得到

2 U( t ) L 2 2 C e C 2 t 2 U( 0 ) L 2 2 +Cδ 0 t e C 2 ( tτ ) d ˜ ( τ ) H 1 2 dτ +C( U( 0 ) L 1 2 + d ˜ 0 H 2 2 + δ 2 M 2 ( t )+ δ 22 s 1 M ( t ) 2+2 s 1 ) 0 t e C 2 ( tτ ) ( 1+τ ) 7 2 dτ. (4.28)

将(4.22)代入式(4.28),得

2 U( t ) L 2 2 C( U( 0 ) H 2 L 1 2 + δ 2 M 2 ( t )+ δ 22 s 1 M 2+2 s 1 ( t ) ) ( 1+t ) 7 2 (4.29)

此外,利用分解式(5.2)和引理2.3,我们得到

k U( t ) L 2 2 C k U L ( t ) L 2 2 +C k U h ( t ) L 2 2 C k U L L 2 2 +C 2 U L 2 2 . (4.30)

由(4.27),(4.29)和(4.30)得到

k U( t ) L 2 2 C( U( 0 ) H 2 L 1 2 + δ 2 M 2 ( t )+ δ 22 s 1 M 2+2 s 1 ( t ) ) ( 1+t ) 3 2 k (4.31)

M(t)的定义并利用式(4.31)中δ的小性,存在一个独立于δ的正常数C5,使得

M 2 ( t ) C 5 2 { ( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )( 0 ) H 2 L 1 2 + δ 2 M 2 ( t )+ δ 22 s 1 M ( t ) 2+2 s 1 } (4.32)

利用Young不等式,我们得到

C 5 δ 22 s 1 M ( t ) 2+2 s 1 1 s 1 2 C 5 2 1 s 1 + 1+ s 1 2 δ 4( 1 s 1 ) 1+ s 1 M 4 ( t ). (4.33)

定义 K 0 := C 5 ( ρ ˜ , u ˜ , d ˜ )( 0 ) H 2 L 1 2 + 1 s 1 2 C 5 2 1 s 1 C δ := 1+ s 1 2 δ 4( 1 s 1 ) 1+ s 1 。由式(4.32)和δ的小性,我们得到

M 2 ( t ) K 0 + C δ M 4 ( t ). (4.34)

其中 M( t )C ,假设 M 2 ( t )>2 K 0 ,其中 t[ t ¯ ,+ ) t ¯ >0 。因为 M 2 ( 0 )= ( ρ ˜ 0 , u ˜ 0 , d ˜ 0 ) H 2 很小,并且 M( t ) C 0 [ 0,+ ) ,存在 t 0 ( 0, t ¯ ) 使得 M 2 ( t 0 )=2 K 0

由(4.34)可以得到

M 2 ( t 0 ) K 0 + C δ M 4 ( t 0 ).

通过直接计算,有

M 2 ( t 0 ) K 0 1 C δ M 2 ( t 0 ) , (4.35)

δ是一个很小的常数,使得 C δ < 1 4 K 0 ,即

C δ M 2 ( t 0 )< 1 2 , (4.36)

然后,由式(4.35)得到 M 2 ( t 0 )<2 K 0 。这就与假设 M 2 ( t 0 )=2 K 0 相矛盾了。因此,对于任意 t[ t ¯ ,+ ) 我们有 M 2 ( t )2 K 0 ,注意M(t)是非递减的。对于任意 t[ 0,+ ) 我们有 M( t )C 。由式(4.23)中M(t)的定义,我们证明了式(4.19)。

附录

我们介绍关于高低频分解的一些相关知识。

在傅立叶变换的基础上,建立函数 f( x ) L 2 ( 3 ) 的频率分 ( f l ( x ), f m ( x ), f h ( x ) ) ,如下所示:

f l ( x )= χ 0 ( D x )f( x ), f m ( x )=( I χ 0 ( D x ) χ 1 ( D x ) )f( x ), f h ( x )= χ 1 ( D x )f( x ). (5.1)

这里 χ 0 ( D x ) χ 1 ( D x ) D x = 1 1 = 1 1 ( x 1 , x 2 , x 3 ) 分别为带有特征 χ( ξ ) 1χ( ξ ) 的伪微分算子。这里 χ( ξ ) 为满足 0χ( ξ )1 的光滑截断函数,满足

0 χ 0 ( ξ ), χ 1 ( ξ )1( ξ 3 )

χ 0 ( ξ )={ 1, | ξ |< r 0 2 , 0, | ξ |> r 0 , χ 1 ( ξ )={ 0, | ξ |< R 0 , 1, | ξ |> R 0 +1,

对于固定常数 r 0 R 0 满足

0< r 0 min{ 1 2 λ 1 ν , γ 1 ( γ 1 d 0 ) 2 2 d 0 , 1 2 }

R 0 >max{ 2 μ 2 + λ 1 μ 1 ,2 2( γ 1 + λ 2 ) γ 0 ,1 }.

易得

f( x )= f l ( x )+ f m ( x )+ f h ( x )         =: f L ( x )+ f h ( x )         =: f l ( x )+ f H ( x ), (5.2)

我们定义

f L ( x )= f l ( x )+ f m ( x ),  f H ( x )= f m ( x )+ f h ( x ). (5.3)

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