1. 引言
我们下面考虑的系统满足下列方程:
(1.1)
模型的初始值为
(1.2)
其中
和
分别为流体的密度和速度。
为动量,
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
,即
。
为Lamé算子,
和
为剪切黏度和体积黏度,满足
,
。
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
,Sobolev空间
中的范数表示为
。特别地,当
时,我们将简单地使用
。同通常一样,
表示
中的内积。梯度表示为
,
,
。对于任意整数
,
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令
,有
(i)
(ii)
(iii)
引理2.2 令
和
是整数,有
和
这里
,且
引理2.3 ([31])对于
和任意给定的整数
和
(
),下列式子成立
(2.1)
(2.2)
和
(2.3)
3. 主要结果
通过对变量进行换元
则方程可以写成
(3.1)
初值条件满足
(3.2)
非线性项满足
(3.3)
其中
再做一次变量变换
令
,
则方程可以写成
(3.4)
初值条件满足
(3.5)
其中源项
(3.6)
通过先验假设直接计算可以得到
(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
,
,则存在一个大于0的常数
,使得系统(1.8)在
上有一个唯一的整体解
满足
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
,解存在于
中。假设对于任意
,解存在于
上,则存在一个足够小的数
,使得
(3.8)
那么有以下的估计:
(3.9)
定理3.1 假设
,
,则存在一个足够小的常数
,使得如果
那么整体存在唯一的光滑解满足
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
,
,
,此外,如果初始数据
在
中有界,则存在一个正常数
,当
时,使得解
具有如下的时间衰减估计
首先,我们先给出高阶导的估计结果。
引理3.1 对于
,有
(3.10)
其中
。
证明:将
分别作用于(3.4)1和(3.4)2,同时用
分别乘以(3.4)1和(3.4)2,在
上积分,并且利用基本不等式,得到
(3.11)
将
作用到(3.4)2, 再对得到的等式乘以
,利用Hölder不等式、Sobolev不等式,然后在
上积分可得
(3.12)
这里我们利用了
(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
(3.14)
将(3.11)和(3.14)相加,利用插值不等式,可以得到
(3.15)
接下来,我们要给出
的估计,将
作用到(3.4)3,再对得到的等式乘以
并在
上积分可得
(3.16)
将(3.15)和(3.16)相加,得到
(3.17)
证明结束。
4. 衰减估计
接下来,我们将给出解
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
时,使得由命题3.1和命题3.2得到的整体解
具有如下的时间衰减估计
引理4.1有
(4.1)
其中正常数C2与
无关。
证明:将
(3.4)2乘以
,并使用(3.4)1和分部积分法,我们得到
通过分部积分,可以得到
和
(4.2)
然后,通过使用Young不等式,我们有
(4.3)
根据Plancherel定理,引理2.2和(3.13)我们有
(4.4)
将(3.10)和
(4.3)相加,利用(3.13)和(2.2),得到
(4.5)
在(4.5)的两边加
,使用分解式(5.2),我们得到
(4.6)
注意到
(4.7)
利用
的小性,我们有
(4.8)
根据分解(5.2),我们有
由分部积分法、Young不等式和(2.2)可知
这意味着
(4.9)
我们用到了
,由式(4.8)和式(4.9)可知,存在一个常数C2,使得
(4.10)
用(4.10)乘以
,对
积分,得到
(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
是以下形式的微分算子的矩阵:
(4.12)
和
(4.13)
我们有以下相应的线性化问题:
(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
式中半群
是由线性算子
生成的,并且
其中
接下来,我们引入一个重要引理。
引理4.2 ([31])假设
,对于任何整数k,有
(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
由(3.4)可以得到
(4.16)
其中,根据Duhamel原理,我们将式(4.16)的解改写为:
(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
,对于任何整数k,存在一个正常数C3,使得
(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3.1和3.2的假设下,有
(4.19)
(4.20)
证明:对(3.4)作用k阶导数
,在
上积分之后相加,并且利用
的小性可以得到
(4.21)
将(4.21)与
相乘,然后在
积分,得到
(4.22)
因此,我们可以得到(4.20)。
定义
(4.23)
是非递减的,对于
,
(4.24)
C4是与
无关的正常数。利用Hölder不等式,(4.24)和先验假设,我们有
(4.25)
和
(4.26)
其中,
是一个小的固定常数。根据引理4.4,(4.25)和(4.26),对于
,可以得到
(4.27)
由式(4.1)和(4.27),我们得到
(4.28)
将(4.22)代入式(4.28),得
(4.29)
此外,利用分解式(5.2)和引理2.3,我们得到
(4.30)
由(4.27),(4.29)和(4.30)得到
(4.31)
由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
(4.32)
利用Young不等式,我们得到
(4.33)
定义
和
。由式(4.32)和δ的小性,我们得到
(4.34)
其中
,假设
,其中
,
。因为
很小,并且
,存在
使得
。
由(4.34)可以得到
通过直接计算,有
(4.35)
设δ是一个很小的常数,使得
,即
(4.36)
然后,由式(4.35)得到
。这就与假设
相矛盾了。因此,对于任意
我们有
,注意M(t)是非递减的。对于任意
我们有
。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
的频率分
,如下所示:
(5.1)
这里
,
,
分别为带有特征
和
的伪微分算子。这里
为满足
的光滑截断函数,满足
和
对于固定常数
和
满足
和
易得
(5.2)
我们定义
(5.3)