近年来, 由Keller和Segel [1]提出的一类趋化模型(被称为K-S模型)引起众多生物及数学研究者的关注, 并取得了一些研究成果[2-9].本文在Hillen和Painter [9]的研究基础上, 考虑如下带双反应项的抛物趋化模型:
本文的主要工作是证明上述模型的解的存在性.为此, 先给出一些必要的假设条件及引理.
假设$V(u, v), f(u, v), g(u, v)$满足以下条件:
(A.1) $V(u, v)=u\beta(u)\chi(v), \beta, \chi\in C^3(\mathbb R^2)$且满足
(ⅰ) $\chi>0$;
(ⅱ) $\beta(0)>0, \mbox{存在}\bar{u}>0, \mbox{使}\beta(\bar{u})=0, $且对所有$u\in(0, \bar{u}), $都有$\beta(u)>0;$
(A.2) $f\in C^1(\mathbb R^2), \mbox{且}f(u, v)\leq0$;
(A.3) $\mu>0$为常数, $g\in C^2(\mathbb R^2), g(u, v)=g_1(u, v)u-g_2(u, v)v, \mbox{且有}g_1\geq0, g_2\geq\delta>0$.对固定的$t_0>0$, 定义空间
其中$\sigma, \alpha, p$满足
(A.4) $ 1<\sigma<2, ~1<\alpha<2, ~2<\sigma+\alpha<3, ~~\max\{\frac{n}{\sigma-1}, \frac{2n}{2-\sigma}\}<p$, 其中$M$是一个三次可微、无边的$n$维紧致黎曼流形.这样的流形很常见, 如一维开区间, 二维环面, $n$维球面.
本文的主要工作是在黎曼流形$M$上考虑抛物型趋化模型$(1.1)$在空间$X_u\times X_v$中解的存在性.
引理 1.1 [10] 设$e^{\Delta t}$是热方程$u_t=\Delta u$的解半群, 对$\forall p\geq q>0, ~s\geq r$, 有
且算子$e^{\Delta t}$的范数为$C_{\kappa}t^{-\kappa}$, 其中
借助$V(u, v)$有两个零点, 可以在$\mathbb R^2$上定义$(u, v)$的一个不变区域, 这是证明全局解的关键.首先给出这样一个区域, 然后证明它是一个不变区域.定义
引理 2.1 若$(u, v)\in X_u\times X_v$是问题$(1.1)$的解, 且$(u_0, v_0)\in \Gamma$, 则$(u, v)\in\Gamma$.称$\Gamma$为问题$(1.1)$解的不变区域.
引理 2.2 设$(u, v)\in X_u\times X_v$且$(u(t, x), v(t, x))\in\Gamma, \forall t\in[0, t_0], x\in M$, 若$(u, v)$是问题$(1.1)$的解, 则
其中$\tau=\frac{1}{2}(\sigma+\alpha-1), ~~C_0=C_0(\sigma, \alpha, p, \bar u, \parallel g_1\parallel_{C^1(\Gamma)})$.
注 引理2.1-2.2类似文献[9]中定理2.1-2.2的证明, 此处略.
推论 2.3 假设引理2.2的条件成立, 若选择$t_0\leq(\frac{1}{2C_0})^{\frac{1}{1-\tau}}$, 则有
其中$C_1=2\max\{1, C_0t_0^{1-\tau}\}$.
引理 2.4 设$\phi_1, \phi_2\in X_u$且$\phi_1(t, x), \phi_2(t, x)\in\Gamma$, $~v_j=v_j(\phi_j)$是
的解, 那么对充分小$t_0$, 存在$C_2=C_2(\sigma, p, \parallel g\parallel_{C^1(\Gamma)}, t_0)$, 使
证 由条件可得
且$(v_1-v_2)(0)=0$, 而
结合中值定理, 有
利用引理1.1, 则
选择充分小$t_0$, 使$C_\sigma t_0^{1-\frac{\sigma}{2}}\parallel g\parallel_{C^1(\Gamma)}<\frac{1}{2}$.即有
其中$C_2=C_2(\sigma, p, \parallel g\parallel_{C^1(\Gamma)}, t_0)$.
引理 2.5 假设$(u, v)\in X_u\times X_v$为问题$(1.1)$的解, 且$(u(t, x), v(t, x))\in\Gamma$, 那么存在常数$C_3, C_4, C_5, C_6$, 使
证 记$T(t):=e^{\Delta t}$, 那么
下面逐次估计$(2.6)-(2.9)$项.对于$(2.6)$项,
其中$C_3=C_{\sigma}\parallel V\parallel_{C(\Gamma)}$.对于(2.7) 项, 根据引理1.1,
且算子$T(t)$的范数为$C_{\vartheta}t^{-\vartheta}$, 其中$\vartheta=\frac{n}{2p}+\frac{\sigma}{2}$.根据条件(A.4), 可知$0<\vartheta<1$, 则
其中$C_4=C_{\vartheta}\parallel V\parallel_{C^1(\Gamma)}$, 对于$(2.8)$项, 由Young不等式
其中$q=\frac{\sigma}{\sigma-1}, \varepsilon>0$.由内插不等式有
特别地, 取$\theta=\frac{1}{\sigma}$, 有
由于$\Gamma$是有界不变区域, 存在常数$C=C(\sigma, p)$, 使
根据引理1.1,
且算子$T(t)$的范数为$C_{\iota}t^{-\iota}$, 其中$\iota=\frac{n(\sigma-1)}{2p}+\frac{\sigma}{2}$.根据条件(A.4), 可证$0<\iota<1$, 则
其中$C=C(\iota, p, \sigma, \bar u, \parallel V\parallel_{C^1(\Gamma)})$.对于给定$t_0$, 取$\varepsilon=\frac{1}{2t_0^{1-\iota}C}$, 则由式(2.14) 有
其中$C_5=\frac{\sigma-1}{2\sigma}(\frac{2C}{\sigma})^{\frac{1}{\sigma-1}}$, 对(2.9) 项,
其中$C_6=C_{\sigma}\parallel f\parallel_{C(\Gamma)}$, 结合式(2.10), (2.12), (2.15), (2.16) 即得式(2.5).
有了前面的估计, 就可以证明局部解的存在性.
定理 2.6 假设$u_0\in W^{\sigma, p}(M), v_0\in W^{\sigma+\alpha, p}(M)$, 且$\forall x\in M$, 有$(u_0(x), v_0(x))\in\Gamma$, 则存在$t_0>0$, 问题$(1.1)$有唯一解$(u, v)\in X_u\times X_v$.
证 设$\phi\in X_u, ~\phi(0)=u_0$.令$v=v(\phi)$表示$ v_t=\mu\Delta v+g(\phi, v), $ $v(0)=v_0$的解, 对上述$v$, 令$u=u(v(\phi))$表示
的解.
定义映射
记$m:=2\parallel u_0\parallel_{\sigma, p}+1$, 构造
其中$B_m(0)$表示$M$中的球.
接下来将在$B$上应用不动点定理.为此首先证明$G$映$B$到$B$.利用式(2.2) 和(2.5), 有
选择充分小$t_0$, 可使$\parallel G\phi\parallel_{X_u}\leq2\parallel u_0\parallel_{\sigma, p}+1$.
再证明$G$是压缩映射.设$\phi_j\in X_u, V_j$是对应$v_{j, t}=\mu\Delta v+g(\phi_j, v), ~~~v_j(0)=v_0~~(j=1, 2)$的解, 则
其中
综合引理2.4-2.5中技巧可逐项估计式(2.17), (2.18), (2.19), (2.20), 从而可说明当$t_0$充分小时, 可使$G$为压缩映射.故由压缩映射原理知, 问题(1.1) 存在唯一解.
仔细观察前面的估计, 不难发现估计的界都是至多$t_0$的代数次次数增长.利用这个条件, 反复利用引理1.1, 不断重复估计$u$和$v$的界, 直至最终表明在有限时间内局部解会不会爆破.如果没有爆破, 局部解也是全局解.为了减少这种迭代估计的次数, 使结果更明了, 选择参数$\tilde\sigma>0, \gamma>0$, 满足
引理 2.7 存在常数$\kappa_1=\kappa_1(\tilde\sigma, \parallel g\parallel_{C(\Gamma)})$, 使定理2.6所确定的局部解满足
证 根据引理1.1易得.
定理 2.8 假设$u_0\in W^{\sigma, p}(M), v_0\in W^{\sigma+\alpha, p}(M)$, 且$\forall x\in M$, 有$(u_0(x), v_0(x))\in\Gamma$, 则问题(1.1) 有唯一全局解
证 根据引理1.1,
且算子$T(t)$的范数为$C_{\tilde\sigma}t^{-\frac{\tilde\sigma}{2}}$, 又
得
由(A.4')有
则存在常数$C=C(\tilde\sigma, \gamma)$, 使
那么
再由引理2.7, 得
同样利用引理1.1有
且算子$T_\mu(t)$的范数为$C_{\tilde\sigma}t^{-\frac{\tilde\sigma}{2}}$.由条件(A.3), $g\in\mathbb R^2$, 结合$\Gamma$是有界闭区域, 知$h(u, v)=g_1(u, v)u$在$C^2(\Gamma)$上一致有界, 从而映射
是Lipschitz连续, Lipschitz常数$L:=\parallel h\parallel_{C^2(\Gamma)}$, 从而
注意到$1-\gamma+\tilde\sigma=\sigma+\alpha$, 结合式(2.23) 即得
那么$\parallel v\parallel_{X_v}$以时间的代数次数增长.另外, 回顾引理2.5的证明过程, 对每个$t_0>0$, 为了得到式(2.5), 除了选择$\varepsilon=\varepsilon(t_0)$外, 并没有对$t_0$有任何限制.
因而结合式(2.5) 和式(2.24), 有
表明$\parallel u\parallel_{X_u}$亦以时间的代数次数增长.从式(2.24) 和(2.25) 可知, 在有限时间内, 局部解是不会爆破的, 这说明局部解也是全局解.