本文主要研究如下低维空间中半线性波动方程的柯西问题
其中$\square =\partial_{t} ^{2}-\sum\limits_{i=1}^n \partial_{x_i} ^{2}$是波算子,
$A>0, p>1, \varepsilon>0$是小参数.考虑$n=2$和$n=3$情形, 且$p>p_{0}(n)$, 其中$p_{0}(n)$是下列二次方程的正根
对于半线性波动方程柯西问题$(1.1)$, 已经有了很多关于解整体存在和爆破的相关结果.当初值$f(x)$, $g(x)$具有紧支集且$F(u)=|u|^{p}$时, 柯西问题$(1.1)$有Strauss猜想.即:初值“充分小”, $p>p_{0}(n)$, 则式$(1.1)$有整体解; 初值在某种意义下为正, 且$1 <p\leq p_{0}(n)$, 则式$(1.1)$没有整体解.
对于$n=3$情形, John[1, 2]得到如下结果:设$F(u)$满足
初值是具有紧支集的光滑函数且充分小, 若$p>p_{0}(3)=1+\sqrt{2}$, 则式$(1.1)$存在整体光滑解.若初值不恒为0, 且$1<p<p_{0}(3)$, 则式(1.1)不存在整体解.对于$n=2$情形, Glassey[3, 4]验证了Strauss猜想, 但是临界情形$p=p_{0}(2)$没有解决.
对于临界情形$p=p_{0}(3)$和$p=p_{0}(2)$, Schaeffer[5]已经证明了即使对于小初值, 式$(1.1)$不存在整体解.
至此, 对于$n=2$和$n=3$的情形, Strauss猜想已经得到完整验证.
对于高维情形$n\geq4$, 次临界情形$1<p<p_{0}(n)$由Sideris[6]给出证明; 超临界情形$p>p_{0}(n)$被Georgive, Lindblad和Sogge[7]证明.而临界情形$p=p_{0}(n)$ ($n\geq4$)被Yordanov和Zhang[8]以及Zhou[9]分别独立验证, 并且对于情形$n\geq2$, Zhou和Han[10]给出了临界情形$p=p_{0}(n)$解的生命跨度的上界估计, 有关最新结果也可参见Rammaha, Takamura, Uesaka和Wakasa[11].
若初值不具有紧支集, 则式$(1.1)$解的情况会发生变化.事实上, 对于$n=3$情形, Asakura[12]设$F(u)$满足式$(1.3)$, 且$p>p_{0}(3)$, 初值$f(x)\in{C}^{3}({R}^{3}), g(x)\in{C}^{2}({R}^{3})$.如果初值满足
其中$k>\frac{2}{p-1}$, 那么柯西问题$(1.1)$的整体解存在; 如果初值满足
其中$0<k<\frac{2}{p-1}$, 则方程组$(1.1)$的解在有限时间内一定会产生爆破.对于$n=2$情形, Tsutaya[14]设$F(u)$满足式$(1.3)$, 且$p>p_{0}(2)$, 初值$f(x)\in{C}^{3}({R}^{2})$, $g(x)\in{C}^{2}({R}^{2})$满足式$(1.4)$, 且$k>\frac{2}{p-1}$, 那么柯西问题$(1.1)$存在整体解; 如果$F(u)$满足式$(1.2)$, 且$0<p<p_{0}(2)$初值满足式$(1.5)$, 且$0<k<\frac{2}{p-1}$, 则方程组$(1.1)$不存在整体解.
最近, Kong和Liu[15]提出双曲Yamabe问题, 考虑$(1+n)$维Minkowski空间中的Yamabe方程解的整体存在与爆破. Minkowski时空中的双曲Yamabe问题为如下半线性波动方程柯西问题所刻画
在文[15]中, Kong和Liu证明:若初值$f(x)\in{C}^{3}({R}^{n})$, $g(x)\in{C}^{2}({R}^{n})$($n$=2或3), 且满足
则柯西问题$(1.6)$的光滑解整体存在; 若初值$f(x)\in{C}^{3}({R}^{n}), g(x)\in{C}^{2}({R}^{n})$ ($n$ =2或3), 且满足
其中$0\leq k<\frac{n-1}{2}$, 则式$(1.6)$的解不会整体存在.
本文研究一类具有衰减初值的半线性波动方程的柯西问题$(1.1)$.不同于Asakura[12]和Kong和Liu[15], 假设初值是具有形如式$(2.1)$的对数型的衰减, 比代数衰减更缓慢一些.得到了半线性方程的柯西问题$(1.1)$的解在有限的时间内爆破, 并得到了生命区间的下界.
下面给出本文主要结果.
定理2.1 设$f(x)\in{C}^{3}({R}^{n})$, $g(x)\in{C}^{2}({{R}}^{n})$($n$ =2或3).若初值满足如下条件
且$0<k<\frac{2}{p-1}$, 则柯西问题$(1.1)$的正解必在有限时间内爆破, 即解存在区间为$[0, T^{*})$, 且生命跨度$T^{*}$满足
这里$ C_{0}$是与$\varepsilon$无关的正常数.
定理$2.1$中解的正性可由引理$3.3$保证.由定理$2.1$, 可得Yamabe问题$(1.6)$的结论.
推论2.1 对于$n$=2和$n$=3情形的Yamabe问题$(1.6)$.设$f(x)\in{C}^{3}({R}^{n}), g(x)\in{C}^{2}({{R}}^{n})$且满足式$(2.1)$, $0<k<\frac{2}{p-1}$ ($n=2$, $0<k<\frac{1}{2}$; $n=3$, $0<k<1$), 则柯西问题$(1.6)$的解存在区间为$ [0, T^{*})$, 生命跨度$T^{*}$的下界由式$(2.2)$给出.
注2.1 Kong和Liu[15]未明确给出Yamabe问题$(1.6)$解的生命跨度的估计.
注2.2 对于$F(u)$满足式$(1.3)$, 初值满足式$(1.5)$, 且$0<k<\frac{2}{p-1}$, Tsutaya[13]指出柯西问题$(1.1)$的解必发生爆破, 并给出同样的下界估计式$(2.2)$.由此, 初值的对数型衰减虽比代数型衰减慢, 但不影响生命跨度的下界估计.
注2.3 在文献[13]中, Tsutaya设$F(u)=A|u|^{p}, A>0$.若初值满足$f(x)=0$, $g(x)\geq\frac{C}{(1+|x|)^{1+k}}$, 且$0<k<\frac{2}{p-1}$和$p>1+\sqrt{2}$, 则生命跨度$T^{*}$满足$T^{*}\leq c_{0}C^{\frac{p-1}{k(p-1)-2}}$, 其中$c_{0}$为与$C$无关的正常数.因此, 猜测柯西问题$(1.1)$的生命跨度$T^{*}$也满足$T^{*}\leq c_{1}\varepsilon^{\frac{p-1}{k(p-1)-2}}$, 其中$c_{1}$为与$\varepsilon$无关的正常数.
在这一节中, 将给出一些引理以及定理$2.1$的证明.尽管所需引理在Kong和Liu[15]和Kubota[16]中已经给出, 但是为了完整起见, 在此依然将其列出, 证明可参见Kong和Liu[15]和Kubota[16].
引理3.1 考虑下列柯西问题
其中$n$ =2或3.当$f(x)\in{C}^{3}({{R}}^{n})$, $g(x)\in{C}^{2}({{R}}^{n})$, $w(t, x)\in{C}^{2}({{R}}^{n})$, 有
其中
是柯西问题
的解;
的解.
引理3.2 若$b(\lambda)$是$(-\infty, \infty)$上连续函数, 则
其中$w_{k}=\frac{2\pi^{\frac{k}{2}}}{\Gamma(\frac{k}{2})}~~(k\geq1). $
引理3.3 若$f(x)\in{C}^{3}({R}^{n}), g(x)\in{C}^{2}({R}^{n})$满足式$(2.1)$, 则当$\varepsilon$充分小时, 柯西问题$(1.1)$在$[0, +\infty)$上有正的${C}^{2}$解.
证明参见Kong和Liu[15], 此处从略.
定理2.1的证明 利用John[1]和Kong和Liu[15]中的迭代法来证明.由引理$3.3$知, 只要$u$存在, 则$u>0$.当$n=3$时, 由式$(3.2)$和$(2.1)$有
上式右端项是方程$\square u=0$带有初值$f=0$, $g=(1+\log(1+r))^{-1-k}$的解.令$r=|x|$, 则$|x+t\xi|=\sqrt{(x+t\xi)^{2}}=\sqrt{r^{2}+t^{2}+2tx\xi}$, 由引理$3.2$, 取$y=2tx$, 则
故
对于$(t, x)\in\Sigma\triangleq\{(t, x):|x|-t\geq R>0\}$, 有
若函数$p(t, x)$是$\bf{C}^{m}(m\geq2)$光滑的, 记$\overline{p}(t, r)$为$p(t, x)$在半径为$r$的球面上的平均值, 即$\overline{p}(t, r)=\frac{1}{4\pi}\int_{|\xi|=1}p(t, r\xi)dw_{\xi}. $由式$(3.3)$得
因此有$\overline{Lw}=P\overline{w}, $其中$P$算子定义为$P\overline{w}=\int_{0}^{t}d\tau\int_{|r-t+\tau|}^{r+t-\tau}\frac{\lambda}{2r}\overline{w}(\lambda, \tau)d\tau. $假设式$(1.1)$存在整体的$\bf{C}^{2}$解, 接下来通过推出矛盾来证明定理$2.1$.由式$(3.1)$有
令$\overline{u}$是$u(t, x)$在半径为$r$的球面上的平均值, 则有$\overline{u}(t, r)=\overline{u^{0}}(t, r)+\overline{LF}(t, r)\geq\overline{u^{0}}(t, r)+A\overline{Lu^{p}}(t, r), $又$p> p_{0}=1+\sqrt{2}$.故$u^{p}$是凸的, 所以$\overline{u^{p}}(t, r)\geq\overline{u}^{p}(t, r), $故
又由$u>0$, 成立
进一步设$\overline{u}$有下列估计
其中$a, b, c$均为正常数.显然当$a=1, b=1+k, c=\frac{C\varepsilon}{2}$, 式$(3.6)$是满足的.由式$(3.5)$-$(3.6)$,
一直迭代下去, 并比较式$(3.6)$和$(3.7)$, 可定义如下序列$\{a_{j}\}, \{b_{j}\}, \{c_{j}\}$,
从而有
和
因此可以得到
联立式$(3.6)$, $(3.8)$和$(3.9)$得到$\overline{u}(t, r)\geq(\frac{A}{2}(\frac{p-1}{p+1})^{2})^{\frac{1}{1-p}}t^{\frac{2}{1-p}}e^{p^{j}L(t, r)}, ~\forall(t, x)\in\Sigma, $其中
由于$0 <k\leq\frac{2}{p-1}$, 故存在$(t_{0}, r_{0})\in\Sigma$, 使得$L(t_{0}, r_{0})>0$.当$j\rightarrow\infty$时, 有$\overline{u}(t_{0}, r_{0})\rightarrow\infty $与假设矛盾.由$L(t, r)>0$知
固定$p$, 从而有
其中$C_{0}=\frac{1}{2}\{\frac{A}{2}(\frac{P-1}{P+1})^{2}\}^{\frac{1}{P-1}}\frac{1}{p^{2\sum\limits_{k=1}^{\infty}\frac{k}{p^{k}}}}. $从而由式$(3.10)$可得生命区间的下界估计
当$n=2$时, 由式$(2.1)$和$(3.2)$有
类似地, 设$u$有下列形式的估计
其中$a, b, c$均为正常数.显然当$a=1, b=1+k, c=\frac{C\varepsilon}{2\pi}$时, 式$(3.12)$是满足的.由式$(3.4)$和$(3.12)$, 可知
一直迭代下去, 并比较式$(3.12)$和$(3.13)$, 可定义如下序列$\{a_{j}\}, \{b_{j}\}, \{c_{j}\}$,
从而可求得
联立式$(3.12)$, $(3.14)$和$(3.15)$, 可得
由于$0<k\leq\frac{2}{p-1}$, 故存在$(t_{0}, r_{0})\in\Sigma$, 使得$L(t_{0}, r_{0})>0$.于是当$j\rightarrow\infty$时, 有$u(t_{0}, x_{0})\rightarrow\infty. $与假设矛盾.由$L(t, r)>0$有
从而由式$(3.16)$可得$n=2$情形下生命区间的下界估计
因此柯西问题$(1.1)$的解不会整体存在, 解的生命跨度由式$(3.11)$和$(3.17)$给出.证毕.