描述弱非线性水波的Stewartson系统形如:
式中$ \delta=\pm 1 $, 以及$ m $可以为负数[1], 该方程具有非常重要的应用价值[2, 3], 该方程首次由Davey和Stewartson[4]引入. 该方程最简单的形式为齐次Schrödinger方程:
众所周知, 上述Cauchy问题具有光滑性效应[5]. 1985年, Ginibre J, Velo G[6]通过紧凑性方法证明了非线性薛定谔方程全局弱解的存在, 并在更强的假设下证明了这些解的唯一性. 在1987年, Yajima K[7]研究了拉普拉斯算子前系数为$ -\frac{1}{2} $, 且带有一般势函数的情况, 并论证了解的存在性、唯一性. Ohta M[8, 9]在1994年和1995年分别讨论了广义Davey-Stewartson系统驻波的稳定性和不稳定性. 2001年, 王保祥和郭柏灵[10]研究了椭圆-椭圆型的Davey-Stewartson方程初值问题的解和散射算子的存在性. 本文讨论$ \delta=-1 $的齐次Davey-Stewartson系统的方程, 即
这是一个非椭圆类的齐次Schrödinger方程的Cauchy问题, 本文的主要结论是:
定理1.1 对于方程(1.2), 假设$ m\in\mathbb{N}, \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $以及$ (1+|(x, y)|^m) \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $. 则Cauchy问题(1.2)存在唯一弱解满足:
特别的, 若任给$ m\in\mathbb{N} $, 有$ (1+|(x, y)|^m)\varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 则$ u \in C^{\infty}(\mathbb{R} \ \backslash \ \lbrace 0 \rbrace \times \mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $.
因此我们证明了非椭圆类的齐次Schrödinger方程的Cauchy问题(1.2)也有完全类似于经典齐次Schrödinger方程的Cauchy问题的光滑性效应.
我们首先研究Cauchy问题(1.2)的弱解, 对于定义在$ \mathbb{R}^{2N}_{x, y} $的函数$ f(x, y) $定义其Fourier变换:
和Fourier逆变换
我们有下面的命题.
命题2.1 假设$ \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 则Cauchy问题(1.2)存在唯一弱解
其中$ \cal{T}(t) $满足
以及
命题的证明是通过Fourier变换将(1.2)转换成常微分方程的Cauchy问题求解, 以及在广义函数意义下
需要特别解释的是关于时间变量$ t $在$ L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $空间的连续性, 事实上, 任给$ t_0\in\mathbb{R} $,
因此由Lebesgue控制收敛定理得到
以及Cauchy初始条件:
记$ \mathbb{S}(\mathbb{R}^n\times\mathbb{R}^n) $为Schwartz急减函数空间, 我们有下列解的光滑性结果.
命题2.2 假设$ \varphi \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 则Cauchy问题(1.2)解$ u\in C^\infty(\mathbb{R}_t; \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})). $
证 由(2.1)知$ u(t, x, y)=\cal{T}(t)\varphi=\cal{F}^{-1} \left( \hat{\varphi}(\xi, \eta) e^{-i(|\xi|^2-|\eta|^2)t} \right) $.对于任意的重指标$ \alpha $以及正整数$ m $:
因为$ \varphi \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 故$ \hat{\varphi} \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $. 根据$ \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $的定义, 我们证明了
而关于$ t $的连续性可以立即由Lebesgue控制收敛定理得到, 故
此外, 任给$ k\in\mathbb{N} $,
因此任给$ k\in\mathbb{N} $,
这就证明了$ u(t, x, y)\in C^{\infty} \left( \mathbb{R}, \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})\right) $. 证毕.
最后特别指出乘子$ \cal{T}(t) $是$ L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $等距的.
命题2.3 假设$ \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, $ u=\cal{T}(t)\varphi $, 是Cauchy问题(1.2)的解, 则任给$ t\in \mathbb{R} $, 有
现在研究解的高阶偏微.
定义3.1 对$ k, j \in \{ 1, ..., N \} $, 对于$ u(t, \cdot, \cdot) \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 定义$ \mathbb{R}^{2N+1} $上的偏微分算子:
对多重指标$ \alpha , \beta $, 定义:
引理3.2 定义3.1中的偏微分算子和算子$ i\partial_t + \Delta_x - \Delta_y $是可交换的:
证 为证明引理中的结论, 仅需证明下式:
下面证明
等式(3.4)左边等于
等式(3.4)右边等于
故(3.4)的左边减去右边等于0.
因此(3.4)成立. 高阶微分的情形由数学归纳法证明.
引理3.3 当$ t \ne 0 $时, 对于$ u(t, \cdot, \cdot) \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 以及多重指标$ \alpha, \beta \in \mathbb{N}^{N} $, 有
证 首先计算:
因此由(3.1) (3.6):
高阶微分公式由数学归纳法证明.
引理3.4 如果$ u(0) \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 则对多重指标$ \alpha, \beta \in \mathbb{N}^{N} $, 有
证 因为$ u(0) \in \cal{S} \subset C^{\infty} $, 我们仅仅需要证明, 对于$ \alpha_k, \beta_j\in\mathbb{N}, \; k, \; j=1, 2, \cdots, N $, 有
当$ \alpha_k=\beta_j=1 $时, 根据(3.1)定义计算可得
因此
假设$ \alpha_k = m, \beta_j = l $时, 有
则当$ \alpha_k = m+1, \beta_j = l + 1 $时:
因此(3.9)成立.
我们首先研究Cauchy问题(1.2)中的初始值$ \varphi\in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $的情形.
命题4.1 假设$ \varphi \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}), u $是Cauchy问题(1.2)的解, 则任给$ \alpha, \beta\in \mathbb{N}^N $, 有
证 根据命题2.2, 因为$ \varphi \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 所以Cauchy问题(1.2)的解$ u\in C^\infty(\mathbb{R}_t; \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $. 另一方面, 对于$ \alpha, \beta\in\mathbb{N}^N $, 考虑Cauchy问题
因为仍然有$ x^{\alpha} (-y)^{\beta} \varphi \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 所以Cauchy问题(4.1)存在唯一解
利用命题2.3, 则任给$ t\in \mathbb{R} $, 有
同时
利用引理3.4, 有
因为Cauchy问题(1.2)的解是唯一的, 所以
根据(3.5)有
故由(4.5)知,
因此得到
现在研究$ L^2 $初始值的Cauchy问题(1.2).
命题5.1 令$ \varphi \in L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}), \alpha, \beta\in\mathbb{N}^N $, 满足$ x^{\alpha} y^{\beta} \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $.若$ u(t) = T(t)\varphi \in C(R, L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})) $, 则
证 利用命题4.1, 如果$ \varphi \in \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}), $则(5.1)成立, 以及
现在假设$ \varphi, x^{\alpha} y^{\beta} \varphi \in L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 则存在$ \{\varphi_j\} \subset \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 满足
这个结果可以由$ \cal{S}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $在$ H^m(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $中稠密得到. 因此$ \{x^{\alpha} y^{\beta}\varphi_j\} $是$ L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $的一个Cauchy序列. 记$ u_j(t) = T(t)\varphi_j $, 则由Cauchy问题(1.2)的解的唯一性
另一方面, 任给$ j, k\in\mathbb{N} $,
由此导出$ \{\partial_{x, y}^{\alpha, \beta} (e^{-i\frac{|x|^2-|y|^2}{4t}}u_j)\} $是$ L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $的一个Cauchy序列, 由唯一性有
结合(5.2), (5.3), 我们就证明了, 如果$ \varphi, x^{\alpha} y^{\beta} \varphi \in L^2(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}), $则
这就证明了(5.1). 关于$ t\not=0 $的连续性由上式直接给出.
命题5.2 假设$ m\in\mathbb{N}, \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $以及$ (1+|(x, y)|^m) \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $. 则Cauchy问题(1.2)存在唯一弱解满足:
证 首先, 对于$ m\in\mathbb{N} $,
故由命题5.1可知, 当$ |(\alpha, \beta)| = m $时, $ \partial^{\alpha, \beta}_{x, y} e^{-i \frac{|x|^2-|y|^2}{4t}} u(t) \in C(\mathbb{R} \ \backslash \ \lbrace0\rbrace , L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})) $, 进而利用(5.4), 任给$ |t|\ge \delta_0>0 $, 有
因此$ e^{-i \frac{|x|^2-|y|^2}{4t}} u(t) \in C^0(\mathbb{R}\ \backslash \ \lbrace 0 \rbrace, H^{m}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})) $. 这里关于$ t\not=0 $的连续性和命题5.1的证明一样.
引理5.3 假设$ 0<a<b<+\infty, 0<R<\infty $, 任给$ \alpha, \beta\in\mathbb{N}^N $, 存在$ C(\alpha, \beta, a, b, R)>0 $使得
事实上
这里$ P_{\alpha, \beta}(\frac{1}{t}, x, y) $是变量$ \frac{1}{t}, x, y $的$ |(\alpha, \beta)| $阶多项式. 因此
命题5.4 假设$ m\in\mathbb{N}, \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $以及$ (1+|(x, y)|^m) \varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $. 则Cauchy问题(1.2)的唯一弱解满足:
证 我们需要证明, 任给$ 0<R<+\infty, 0<a<b<\infty $, $ \|u(t)\|_{H^m(B_R)}<+\infty, $以及关于$ t $在[a, b]上连续, 这里
利用莱布尼茨公式, 当$ a\le |t|\le b $时有
因此$ u \in C(\mathbb{R} \backslash \{ 0\}, H_{loc}^m (\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})) $.
完成定理1.1的证明
现在证明(1.3), 即:
命题5.4就是$ j=0 $的情形. 如果$ m\ge 2 $, 由$ u \in C^0( \mathbb{R}\ \backslash \ \lbrace 0 \rbrace , H_{loc}^{m} (\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N})) $, 有
因此, 利用方程(1.2)
所以
同理, 如果$ m\ge 4 $, 有
因此利用方程(1.2)
重复上述过程, 对于$ k\le \left[\frac m 2\right] $, 最后得到:
现在假设任给$ m\in\mathbb{N} $, 有$ (1+|x, y|^{m})\varphi \in L^{2}(\mathbb{R}^{N} \times \mathbb{R}^{N}) $, 则
利用Soblev嵌入定理, 任给$ p\in\mathbb{N}, $
这就证明了
因此得
这就完成了定理1.1的证明.