本文研究了以下非线性Klein-Gordon方程的初边值问题
其中$u=u\left (t, x \right)$是复值函数, $\Delta$是$\Omega$上的Laplace算子, $\Omega$是$R^{n}$中带有光滑边界$\Gamma$的有界域, $1\leq\beta <\alpha$, $\alpha =\beta +2$, 且$\alpha $, $\beta $是常数.当$n>2$时, $1< \alpha \leq \frac{2n}{n-2}$; 当$n\leq 2 $时, $1< \alpha < \infty$.
Klein-Gordon方程是相对论量子力学和量子场论中用于描述自旋为零的粒子的基本方程.对于该类方程的研究已有一些文献[1-9].值得特别指出的是: Shatah[1]证明了对非线性项$f\left (u \right)$ (其中$x\in R^{n}$, $n\geq 3$, $\displaystyle\int_{0}^{s}f\left (s \right)ds> +\infty)$基态的存在性和不稳定性, 得到了在不稳定基态下解不爆破的结果.黄文毅[2]对一类带有阻尼项和非负势能的非线性Klein-Gordon方程
其中$\displaystyle\int_{0}^{u}h\left (u \right)du> +\infty$.通过引进势井的方法研究了其柯西问题, 得到了解爆破和整体存在的最佳条件.文献[9]采用Galerkin方法和变分法研究了以下方程的初值问题
给出了当空间维数限制为$n\leq 3$时解整体存在的充分必要条件, 解爆破时的生命跨度的估计等等.李考虑了不同于文献[1]的变分问题, 对$\displaystyle\int \left (u ^{2}+u^{3} \right)du=\frac{1}{3}u^{3}+\frac{1}{4}u^{4}$在$\left (-\infty, +\infty \right)$上不定号的情形加以了研究, Shatah的方法对此情形不适用, 这也是该文的创新之处.
本文也有类似的困难, 但李[9]中方程的非线性项确定了, 势井深度的正性容易通过显性的方程求解来确定, 而本文由于非线性项中的指数不是确定的, 在确定势井深度的正性时, 需要精细巧妙的讨论和估计才能确定, 且文献[9]没有考虑初始能量等于势井深度临界情形下的生命跨度, 这也是本文的意义所在.
对$u\in H^{1}\left (\Omega \right)$, $n\leq 6$, 定义如下能量泛函
定义势井
及其对应的势井外集
其中
为势井深度.
下面将证明$d$始终大于0, 即有如下引理.
引理2.1 若$d$由(2.1)式给出, 则$d> 0$.
证 当$\lambda \geq 0$时,
注意到$\begin{aligned}{J}'\left (\lambda u \right)=\lambda a\left (u \right)+\lambda ^{\beta }b_{1}\left (u \right)-\lambda ^{\alpha }b_{2}\left (u \right)=0\end{aligned}$存在零根.
下面将证明${J}'\left (\lambda u \right)=0$存在正根, 令
注意到$f\left (0 \right)=a\left (u \right)> 0, $当$\lambda \rightarrow +\infty $时, $f\left (\lambda \right)\rightarrow -\infty $, 因此由介值定理必然存在正根$\lambda _{0}$, 使得$f\left (\lambda _{0} \right)=0$, 即
又因为
所以
因为$\mu \left (\Omega \right)< \infty$ ($\mu$为$\Omega$的Lebesgue测度), 由$\beta <\alpha$有
由于$H^{1}\left (\Omega \right)$嵌入到$L^{\alpha +1}\left (\Omega \right)$, 有$\left \| u \right \|_{L^{\alpha +1}\left (\Omega \right)}\leq C_{2}\left \| u \right \|_{H^{1}\left (\Omega \right)}$, 结合(2.2)式有
即$d>0, $其中$c_{1}$, $c_{2}$为常数.
为了得到解整体存在和爆破的条件, 这一节将介绍不变集$W_{1}$, $W_{2}$.接下来, 将利用如下事实$a\left (u \right)> b_{2}\left (u \right)-b_{1}\left (u \right)$有效等价于$ \lambda _{0}\left (u \right)> 1, $ $\ a\left (u \right)< b_{2}\left (u \right)-b_{1}\left (u \right)$有效等价于$\ \lambda _{0}\left (u \right)< 1.$
记$W=\left \{ u|u\in H^{1}\left (\Omega), J\left (u \right)< d \right) \right \}, $将有如下引理.
引理3.1 $W=W_{1}\cup W_{2}$, $W_{1}\cap W_{2}=\varnothing$.
证 $W_{1}\cap W_{2}=\varnothing$是显然的.接下来将证明$W=W_{1}\cup W_{2}$.实际上, 只需证明$W\subseteq W_{1}\cup W_{2}$.容易看到$J\left (\lambda _{0}u \right)=\sup\limits_{\lambda \geq 0}J\left (\lambda u \right), \lambda _{0}\left (u \right)=1$等价于$a\left (u \right)=b_{2}\left (u \right)-b_{1}\left (u \right)> 0.$因此, 若$\lambda _{0}\left (u \right)=1$, 则有
于是, 若$u\in W$, $u\neq 0$, 则$\lambda _{0}\left (u \right)\neq 1$等价于$a\left (u \right)\neq b_{2}\left (u \right)-b_{1}\left (u \right)$.这意味着$u\in W_{1}\setminus \left \{ 0 \right \}$或$u\in W_{2}$, 即$W\subseteq W_{1}\cup W_{2}$.
(不变集) 若$u_{0}, u_{1}\in\Sigma $ (其中$\Sigma\subseteq H^{1}\left (\Omega \right)$为集合), 则(1.1)式的解$u\left (t, x \right)\in \Sigma$, 把$\Sigma $叫做问题(1.1)的解的不变集.
引理3.2 若
则$W_{1}$和$W_{2}$是问题(1.1)解的不变集.
证 由方程(1.1)有
这意味着$u\in W$.通常把$u\left (x, 0, u_{0}, u_{1} \right)$简记为$u\left (t \right)$.
(1) 令$u_{0}\in W_{1}$, 可以断言$u\left (t \right)\in W_{1}$.若不成立, 则存在$t_{0}> 0$, 使得$u\left (t_{0} \right)\notin W_{1}$.一方面, 有$u\left (t_{0} \right)\in W_{2}$; 另一方面, 因为$a\left (u\left (t \right) \right)$, $b_{1}\left (u\left (t \right) \right)$和$b_{2}\left (u\left (t \right) \right)$关于$t$连续, 由$W_{1}$和$W_{2}$的定义, 知存在时间$t^{*}$($0<t ^{*}< t_{0}$), 使得
若$a\left (u\left (t^{*} \right) \right)\neq 0$, 则$\lambda _{0}\left (u\left (t^{*} \right) \right)=1$.因此$J\left (u\left (t ^{*} \right) \right)\geq d$, 即$u\left (t^{*} \right)\notin W$, 这与(3.2)式矛盾.
若$a\left (u\left (t^{*} \right) \right)=0$, 假设$0< a\left (u\left (t \right) \right)< b_{2}\left (u\left (t \right) \right)-b_{1}\left (u\left (t \right)\right)$, 对$t^{*}< t\leq t_{0}$, 有$\lim\limits_{t\rightarrow t^{*+}} a\left (u\left (t \right) \right)=0.$
因为当$2< n\leq 6$时, $1< \alpha \leq \frac{2n}{n-2}$; 当$n\leq 2$时, $1< \alpha < \infty$, 因此由Sobolev嵌入不等式知
结果
这个矛盾说明$u\left (t \right)\in W_{1}$.
(2) 令$u_{0}\in W_{2}$, 可以断言$u\left (t \right)\in W_{2}$.假设不成立, 即存在$t_{0}$, 使得$u\left (t_{0} \right)\in W_{1}$, 则存在$t^{*}$, 使得$a\left (u\left (t^{*} \right) \right)=b_{2}\left (u\left (t^{*} \right) \right)-b_{1}\left (u\left (t^{*} \right) \right)$ ($0< t^{*}\leq t_{0}$), 且对$0\leq t< t^{*}$, $u\left (t \right)\in W_{2}$.
首先考虑$a\left (u\left (t ^{*} \right) \right)=0$的情况.一方面, 因为$a\left (u\left (t \right) \right)$, $b_{1}\left (u\left (t \right) \right)$和$b_{2}\left (u\left (t \right) \right)$关于$t$连续, 可以断言
另一方面, 因为对$0\leq t< t^{*}$, $u\left (t \right)\in W_{2}$, 则$a\left (u\left (t \right) \right)\neq 0$, $a\left (u\left (t \right) \right)< b_{2}\left (u\left (t \right) \right)-b_{1}\left (u\left (t \right) \right)$, $0\leq t< t^{*}$.由(1)知
然而这是不可能的.
若$a\left (u\left (t ^{*} \right) \right)\neq 0$, 则与(1)相同的讨论有$J\left (u\left (t^{*} \right) \right)\geq d$, 这与(3.2)式矛盾.所以$u\left (t \right)\in W_{2}$.
首先研究当初始能量$E\left (0 \right)= d$时解整体存在和爆破的条件.
定理4.1 假设$E\left (0 \right)= d$, $u_{0}\in H^{1}\left (\Omega \right)$, $u_{1}\in L^{2}\left (\Omega \right)$.
1) 若$a\left (u_{0} \right)=b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, 且$a\left (u_{0} \right)\neq 0$, 则问题(1.1)存在整体弱解$u\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); H_{0}^{1}\left (\Omega \right) \right), $ $u_{t}\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); L^{2}\left (\Omega \right) \right).$
2) 若$a\left (u_{0} \right)> b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$或$a\left (u_{0} \right)= 0$, 则问题(1.1)存在整体弱解$u\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); H_{0}^{1}\left (\Omega \right) \right), $ $u_{t}\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); L^{2}\left (\Omega \right) \right).$
3) 若$\left (u_{0}, u_{1} \right)\geq 0$, $a\left (u_{0} \right)< b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, 则问题(1.1)的解在有限时间内爆破, 即存在常数$T>0$, 使得$\lim\limits_{t\rightarrow T^{-}}\left \| u \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}=+\infty.$
注 当$\left (u_{0}, u_{1} \right)<0$时, 添上$\left \| u_{0} \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}<\left \| \bar{u} \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}$ ($\bar{u}$为(1.1)式的平衡态)这个条件, 同理可证, 证明过程略.
证 1)若$a\left (u_{0} \right)=b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$且$a\left (u_{0} \right)\neq 0$.令$\left \{ w_{j}\left (x \right) \right \}$是$H^{1}\left (\Omega \right)$的一个基, 构造问题(1.1)的近似解$u_{m}\left (t, x \right)$, 使得
满足
将(4.1)式与$g{}'_{im}$相乘, 并关于$s$求和得
关于$t$积分得
对于充分大的$m$, 有
且$u_{m}\left (0 \right)\in W_{1}$,
即$u\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); H_{0}^{1}\left (\Omega \right) \right)$, $u_{t}\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); L^{2}\left (\Omega \right) \right).$
2) 若$a\left (u_{0} \right)> b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$或$a\left (u_{0} \right)=0$, 可以断言
或$\ a\left (u \right)=0, $对所有的$t\geq 0$成立.
实际上, 如果存在$t_{1}$, 使得
那么由于$a\left (u\left (t \right) \right)$, $b_{1}\left (u\left (t \right) \right)$和$b_{2}\left (u\left (t \right) \right)$关于$t$连续, 则存在$t_{0}$, 使得
且有
对$t_{0}< t\leq t_{1}$成立.
由于$a\left (u\left (t_{0} \right) \right)\neq 0$且$a\left (u_{0} \right)\neq b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, 所以有$u\left (t \right)\not\equiv u\left (t_{0} \right)$, 对$0\leq t\leq t_{0}$成立.令$v\left (t \right)=u\left (t_{0}-t \right)\not\equiv u\left (t_{0} \right)$, 则$v\left (0 \right)=u\left (t_{0} \right)$, $v\left (t_{0} \right)=u_{0}$, $v_{t}\left (0 \right)=\lim\limits_{t\rightarrow 0}-u_{t}\left (t-t_{0} \right)=0$, $v\left (t \right)$满足
然而$u\left (t_{0} \right)$也是以上问题的一个解, 这和解的唯一性矛盾.因此(4.6)式是有效的, 类似1)的证明得$u\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); H_{0}^{1}\left (\Omega \right) \right)$, $u_{t}\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); L^{2}\left (\Omega \right) \right).$
3) 与2)的证明类似, 若$a\left (u_{0} \right)< b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, 可以断言
若$\left (u_{0}, u_{1} \right)\geq 0$, 则存在使得$t_{0}> 0$, 使得$\left (u\left (t_{0} \right), u_{t}\left (t_{0} \right) \right)=\frac{1}{2}\left (\left \| u\left (t_{0} \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2} \right)_{t}^{{}'}\geq 0$.实际上, 若${\left (\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\Omega }^{2} \right)}'=2\left (u\left (t \right), u_{t}\left (t \right) \right) < 0$, 由(4.8)和(4.9)式有
对所有$t\geq 0$成立, 即
是有限的.因此
因为
由$a\left (u \right)$, $b_{1}\left (u \right)$, $b_{2}\left (u \right)\geq 0$知对所有的$t\geq 0 $, $a\left (u \right)$, $b_{1}\left (u \right)$, $b_{2}\left (u \right)$有限.由引理3.2的证明知存在序列$\left \{ t_{i} \right \}_{i=1, 2, \cdots}$使得$\lim\limits_{t_{i}\rightarrow t^{*-}}a\left (u\left (t_{i} \right) \right)=0$, 又由(4.8)式知
上式矛盾.这个矛盾说明存在$t_{1}> 0$, 使得${\left (\left \| u\left (t_{1} \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2} \right)}'\geq 0$.因为${\left (\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2} \right)}''> 0$, 对所有的$t> 0$成立, 因此有${\left (\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2} \right)}'> 0$, 对$t> t_{1}$.当然, 存在$t_{2}> t_{1}$, 使得$\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}> \frac{2\left (\beta +1 \right)}{\beta -1}E\left (0 \right)$.因此有
对$t\geq t_{_{2}}$.结果
且
对$t> t_{2}$.因为对$t> t_{1}$, ${\left (\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{-\frac{1}{2}} \right)}''=-\frac{1}{4}\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{-\frac{5}{2}}{\left (\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2} \right)}'< 0$.对$t\geq t_{2}$, $\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{-\frac{1}{2}}$是递减的凹函数, 因此存在$T< +\infty $, 使得$\lim\limits_{t\rightarrow T^{-}}\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{-\frac{1}{2}}=0$, 即$\lim\limits_{t\rightarrow T^{-}}\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}=+\infty $.
其次考虑当初始能量$E\left (0 \right)< d$时解整体存在和爆破的条件.
定理4.2 假设$n\leq 6$, $0< E\left (0 \right)< d$, $u_{0}\in H^{1}\left (\Omega \right)$, $u_{1}\in L^{2}\left (\Omega \right)$,
1) 若$a\left (u_{0} \right)- b_{2}\left (u_{0}\right)+b_{1}\left (u_{0} \right)> 0$ (或$a\left (u_{0} \right)- b_{2}\left (u_{0} \right)+b_{1}\left (u_{0} \right)= 0$), 则问题(1.1)有整体弱解$u\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); H_{0}^{1}\left (\Omega \right) \right)$, $u_{t}\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); L^{2}\left (\Omega \right) \right).$
2) 若$a\left (u_{0}\right)- b_{2}\left (u_{0}\right)+b_{1}\left (u_{0}\right)< 0$, 则问题(1.1)的解在有限时间内爆破.
证 1)同定理4.1中1)的证明, 由$E\left (0 \right)< d, ~ a\left (u_{0} \right)-b_{2}\left (u_{0} \right)+b_{1}\left (u_{0} \right)> 0$知
所以$J\left (u_{0} \right)< d$, 又由$a\left (u_{0} \right)-b_{2}\left (u_{0} \right)+b_{1}\left (u_{0} \right)> 0$, 得$u_{0}\in W_{1}$.对于充分大的$m$, 有
且$u_{m}\left (0 \right)\in W_{1}$.同引理3.2, 由(4.12)式对于充分大的$m$和$0\leq t< \infty $, 可以证明$u_{m}\left (t \right)\in W_{1}$且
因此
其中$c_{*}$为常数, 所以$u\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); H_{0}^{1}\left (\Omega \right) \right)$, $u_{t}\left (t, x \right)\in C\left ([0, \infty); L^{2}\left (\Omega \right) \right).$
2) 当$a\left (u_{0} \right)-b_{2}\left (u_{0} \right)+b_{1}\left (u_{0}\right)< 0$时, 类似定理4.1中3)的证明, 易证$\left \| u \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}$在有限时间内爆破.
本文最后一部分将给出定理4.1和定理4.2中爆破解的生命跨度的上界估计.
定理5.1 若$E\left (0 \right)= d$, $\left (u_{0}, u_{1} \right)\geq 0$, $a\left (u_{0} \right)< b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, $T_{0}$是(1.1)的生命跨度, 则
证 由定理4.2, 对所有$t\geq 0$,
又由引理2.1的证明有
当$\lambda _{0}^{2}< 1$时,
由$E\left (0 \right)=d$, 得
令$y\left (t \right)=\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}$, 由(5.2)式得
因为$a\left (u_{0} \right)< b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, 有$a\left (u_{0} \right)\neq 0$.当$\left (u_{0}, u_{1} \right)\geq 0$时, 令$T_{1}> 0$, 使得对$0\leq t\leq T_{1}$, ${y}'\left (t \right)> 0$,
解上式并在$0$到$T_{1}$上积分得
定理5.2 若$E\left (0 \right)< d$, $a\left (u_{0} \right)< b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, $T_{2}$是(1.1)的生命跨度, 则有如下估计:
1) 若$\left (u_{0}, u_{1} \right)> 0$, 则
2) 若$\left (u_{0}, u_{1} \right)\leq 0$, 则
这里$q=\max\left \{ \frac{2\left (\beta +1 \right)d}{\left (\beta +1 \right)d-\left (\beta -1 \right)E\left (0 \right)}, \frac{5}{2} \right \}, $ $c=d-E\left (0 \right)$.
证 由定理4.2, 对所有$t\geq 0$, 同定理5.1的证明, 由$E\left (0 \right)< d$, 知$\left (d-E\left (0 \right) \right)\doteq c> 0$, 其中$\doteq$表示“等价于”.所以
令$y\left (t \right)=\left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}$, 由(5.5)式得
因为$a\left (u_{0} \right)< b_{2}\left (u_{0} \right)-b_{1}\left (u_{0} \right)$, 有$a\left (u_{0} \right)\neq 0$.当$\left (u_{0}, u_{1} \right)< 0$时, 令$T_{3}> 0$, 使得对$0\leq t\leq T_{3}$, ${y}'\left (t \right)\leq 0$,
将上式在$0$到$T_{3}$上积分得
现在考虑当$\left (u_{0}, u_{1} \right)> 0$时, 解的生命跨度.
注意到
与(5.1)式类似可以得
有
若取$q=\max\left \{ \frac{2\left (\beta +1 \right)d}{\left (\beta +1 \right)d-\left (\beta -1 \right)E\left (0 \right)}, \frac{5}{2} \right \}$, 由$E\left (0 \right)< d$, 则有$2< q< \beta +1$,
由$b_{1}\left (u \right), b_{2}\left (u \right)\geq 0$知
因为$a\left (u \right)\geq \left \| u\left (t \right) \right \|_{L^{2}\left (\Omega \right)}^{2}=y\left (t \right)$,
令$Z\left (t \right)=y^{-\frac{q-2}{4}}\left (t \right)$, 则
因为${Z}'\left (t \right) < 0$, 把(5.8)式乘以${Z}'$, 积分得
存在$t_{0}$, 使得$Z\left (t_{0} \right)=0$, 因此上式积分得
特别地, 若$\left (u_{0}, u_{1} \right)=0$, 即${Z}'\left (0 \right)$, 则
将这个结果结合(5.7)式有