带粘性的含不活泼项Cahn-Hilliard方程柯西问题形式如下:
此处$ n $是空间维数, $ n\geq1 $; 未知函数$ u $表示一个相的相对浓度; 非线性项$ \Delta f(u) $中$ f(u) $取成$ u^2 $. ($ 1.1 $)式中若去掉$ u_{tt}-\Delta{\partial_{t}}u $, 方程为
(1.2)式是著名的Cahn-Hilliard方程[1].近年来, Galenko等[2-5]为模拟在某些玻璃中有深过冷产生的非平衡分解提出在(1.2)式中加上不活泼项$ u_{tt} $, 得
(1.3)式详细的物理背景可参看文献[4-6]. (1.3)式是一个带松弛项的双曲方程, 它在有限的时间内的不正则化导致很难得到其解的整体存在性.对(1.3)式, 前面的工作主要集中在弱解和拟强解.如Grasselli等[7, 8]得到2维和3维情况下拟强解的存在性; Wang和Wu [9]得到(1.3)式在$ n\geq3 $时小初值情况下经典解的存在性.为克服不正则化困难, 在数学上经常是对方程加一粘性项, 增加耗散性, 如是得到(1.1)式.本文考虑(1.1)式解的整体存在性.
本文中用$ C $表示常数, $ L_{p}({R}^{n}) $, $ H^l(R^n) $表示通用的龙贝格可测函数空间和Sobolev空间, 其模为$ \|\cdot\|_{L_p}, \|\cdot\|_{H^l} $.
本文先分析(1.1)式的格林函数, 再用压缩映像原理证明(1.1)式解的整体存在性.
定义函数$ {f} $关于变量$ {x} $的傅里叶变换为
则对$ \hat{f} $关于变量$ {\xi} $的逆傅里叶变换为
方程(1.1)格林函数定义如下:
其中$ \delta(x) $为常用Dirac函数.对(2.1)式关于变量$ {x} $作傅里叶变换, 得常微分方程
($ 2.2 $)式的解为
其中
由($ 2.4 $)式可知
当$ {\left|\xi\right|}^2<1 $时, 有
当$ \left|{\left|\xi\right|^2-1}\right|<\varepsilon $, 其中$ \varepsilon $是一很小的正数, 有$ \lambda_{+}-\lambda_{-}\rightarrow0 $, 此时有
其中$ a>0. $当$ {\left|\xi\right|}^2>1+\varepsilon $时,
由以上分析得到下述定理.
定理2.1 对任意多重指标$ \alpha $, 存在常数$ C_\alpha $, 有
证 由Plancherel等式,
由($ 2.5 $)式,
由($ 2.6 $)式,
由($ 2.9 $)式,
由($ 2.7 $), ($ 2.8 $)式得
由式($ 2.10 $)–($ 2.14 $), 得到$ \|{\partial_{x}^{\alpha}}G\|_{L_2}\leq C(1+t)^{-\frac{n}{8}-\frac{\left|\alpha\right|}{4}}. $
因为
用同样的方法, 得到$ \|{\partial_{x}^{\alpha}}{\partial_t}G\|_{L_2}\leq C(1+t)^{-\frac{n}{8}-\frac{\left|\alpha\right|}{4}}. $
下面将由不动点定理证明(1.1)解的存在性.
令
其中$ \ast $是对变量$ {x} $的卷积.
令$ E = \max[\|u_0\|_{L_1}, \|u_1\|_{L_1}] $, 记$ X = \{u(x, t)\in H^1({R}^n)|D_X(u)\leq CE\} $, 其中$ D_X(u) = \sup\limits_{t\geq0}(1+t)^{\frac{n}{8}}\|u\|_{H^1} $.显然$ X $为一非空完备度量空间, $ X $内任两函数$ u_1 $, $ u_2 $距离为$ \rho(u_1, u_2) = D_X{(u_1, u_2)} $, 则当$ u\in X $时, 有$ \|u\|_{H^1}\leq C(1+t)^{-\frac{n}{8}} $.
定理3.1 $ T $是从$ X $到$ X $的压缩映射.
证 由定理2.1, 当$ \left|\alpha\right|\leq1 $, 有
由定理2.1, Minkowski不等式及$ f(u) = u^2 $, 当$ \left|\alpha\right|\leq1 $, 有
所以$ \|\partial_x^\alpha T(u)\|_{L_2}\leq CE(1+t)^{-\frac{n}{8}}+CE^2(1+t)^{-\frac{n}{8}-\frac{1}{8}} $.得$ \sup(1+t)^{\frac{n}{8}}\|\partial_x^\alpha T(u)\|_{L_2}\leq CE+CE^2(1+t)^{-\frac{1}{8}}\leq CE $.所以$ T $是$ X $到$ X $的映射.当$ u_1, u_2\in X $时, 若$ \left|\alpha\right|\leq1 $,
所以$ \rho(T(u_1), T(u_2))\leq CE(1+t)^{-\frac{n}{4}}\rho(u_1, u_2) $, 当$ t $充分大, 有$ CE(1+t)^{-\frac{n}{4}}<1 $.所以$ T $是$ X $到$ X $的压缩映射.定理得证.
因为方程(1.1)的解为$ u = T(u) $, $ X $又为完备度量空间, 于是得到本文结论.
定理3.2 若$ u_0, u_1\in L_1({R}^{n}) $, 则方程(1.1)有整体经典解存在, 且$ u\in L_\infty(0, +\infty;H^1({R}^n)), $ $ \|u\|_{H^1(R)^n}\leq C(1+t)^{-\frac{n}{8}}. $