本文考虑二维空间线性化的等熵可压缩Navier-Stokes-Poisson方程, 后面简称为N-S-P方程柯西问题解的逐点估计. 二维N-S-P方程形式为
此处$ x=\left(x_1, x_2\right)\in\mathfrak{R}^2 $是空间变量, $ t > 0 $是时间变量, $ div $是散度算子, $ \Delta $是通常的拉普拉斯算子, 即$ \Delta=\partial_ {x_1}^2+\partial_{x_2}^2 $. $ \rho\left(x, t\right) $, $ m\left(x, t\right)=\left(m_1, m_2\right) $, $ \phi\left(x, t\right) $和$ P\left(\rho\right) $分别代表电子流体密度, 动量密度, 静电势和压力. 粘性系数$ \mu_1 $, $ \mu_2 $均大于零, $ \overline{\rho} > 0 $表示正电荷背景离子的规定密度. (1.1)是一个描述等离子体动力学行为的涉及耗散的简单模型, 它是在等熵Navier-Stokes方程基础上加上静电势$ \phi $的作用而得的方程.等熵Navier-Stokes方程是双曲-抛物混合方程. Kawashima[1]研究了一般的双曲-抛物系统, 得到了解的整体存在性和$ L^2 $衰减估计, Liu和Zeng[2]得到了一维一般双曲-抛物系统解的逐点估计, Holf和Zumbrun[3]得到高维等熵Navier-Stokes方程的解的$ L^p $估计, Liu和Wang[4], Wang和Yang[5]通过对格林函数的详细分析, 继续得到了此方程解的逐点估计. 对N-S-P方程, [6,7,8]研究了其局部解和整体弱解的存在性. [9]中用半群的方法得到了三维空间经典解的整体存在性, [10]通过对其线性系统格林函数的详细分析, 得到了解的逐点估计.相较于双曲抛物的等熵Navier-Stokes方程, 加了静电势的N-S-P方程是一个双曲-抛物-椭圆的耦合系统.方程结构越复杂, 格林函数越难计算且形式越复杂, 做逐点估计更难. 另外, 因为有了静电势, 格林函数中含了一个非局部项, 这一项在低频时是奇异的, 因而在估计时遇到与[4,5]不同的新的困难. 从[9,10]中可看出, 方程的衰减与空间维数有关, 维数越低, 衰减越慢, 因而处理更麻烦. 本论文考虑(1.1)在常状态$ \left(\overline{\rho}, \overline{m}_1, \overline{m}_2\right)=\left(1, 0, 0\right) $附近的线性化方程, 研究其格林函数的构造、衰减, 继而得到线性方程的衰减.希望这些工作能给非线性方程的研究提供一个基础和支撑.
本文中, $ \alpha $是多重指标$ \alpha=\left(\alpha_1, \alpha_2\right) $, $ \partial_x^{\alpha}f\left(x\right) $表示$ \partial_{x_1}^{\alpha_1}\partial_{x_2}^{\alpha_2}f $, $ \lvert\alpha\rvert $表示$ \alpha_1+\alpha_2 $. $ F\left(f\right) $或$ \hat{f}\left(\xi\right) $表示函数$ f\left(x\right) $关于变量$ x $的傅立叶变换, 即$ F\left(f\right)\left(\xi, t\right)=\hat{f}\left(\xi, t\right)=\int _{\mathfrak{R}_n}{f}\left(x, t\right)e^{-ix\cdot\xi}dx $, 其中$ i $为虚数单位. $ F^{-1}\left(\hat{f}\right)\left(x, t\right) $或$ f\left(x, t\right) $表示$ \hat{f}\left(\xi, t\right) $关于$ \xi $的逆傅立叶变换, 即$ F^{-1}\left(\hat{f}\right)=f\left(x, t\right)=\left(2\pi\right)^{-2n}\int\hat{f}\left(\xi, t\right)e^{ix\cdot\xi}d\xi $. $ W^{s, p}\left(\mathfrak{R}^n\right) $是通常的索伯列夫空间, 范数为$ \left\|f\right\|_{W^{s, p}\left(\mathfrak{R}^n\right)} $= $ \sum\limits_{\lvert\alpha\rvert=0}^{s}\left\|\partial_x^{\alpha}f\right\|_{L^P\left(\mathfrak{R}^n\right)} $. $ W^{s, 2}\left(\mathfrak{R}^n\right) $记为$ H^s\left(\mathfrak{R}^n\right) $.任意实数$ x $, 定义$ x_+=\begin{cases}x, 若\; x\geq0 , \\0, {若\; x< 0 }.\end{cases} $
首先把方程(1.1)在$ \left(\overline{\rho}, \overline{m}\right)=\left(1, 0, 0\right) $附近做线性化.记$ \tilde{\rho}=\rho-\overline{\rho} $, $ \tilde{m}=m-\overline{m} $, 因为
所以方程(1.1)在$ \left(1, 0, 0\right) $附近的线性化方程为
为减少记号, 不妨还是记$ \rho=\tilde{\rho} $, $ m=\tilde{m} $, $ P^{\prime}\left(1\right)=c^2 > 0 $, 则(2.1)为
下面考虑(2.2)的格林函数$ G $, 即若(2.2)的初值为$ \left(\rho, m\right)\mid_{t=0}=\left(\rho_0, m_0\right) $, 我们要找出矩阵$ G $满足$ \dbinom{\rho}{m}=G\ast\dbinom{\rho_0}{m_0} $.此处及后面的$ \ast $是表示对空间变量的卷积.
记$ \gamma=\mu_1+\mu_2 $, 由(2.2)得
对空间变量$ x $作傅立叶变换, 得$ \hat{\rho}_{tt}=c^2\left(-\lvert\xi\rvert^2\right)\hat{\rho}-\hat{\rho}+\gamma\left(-\lvert\xi\rvert^2\right)\hat{\rho}_t $.
解二阶常微分方程初值问题
得到
其中
由(2.5)易得
为求解$ \hat{m} $, 将$ \hat{m}\left(\xi, t\right) $分解成与$ \xi $平行和垂直的两个向量,即
其中$ a\left(\xi, t\right)\in \mathfrak{R}^1 $, $ b\left(\xi, t\right)\in \mathfrak{R}^2 $, 且$ \xi^\tau b=0 $.对(2.2)的第二个方程关于空间向量作傅立叶变换,得
于是
所以得
解常微分方程得
由(2.5), (2.6)得
由(2.4), (2.6), (2.9), (2.10), (2.11)得
由(2.7), (2.12)得
由(2.8), (2.13)得
其中$ I $为单位矩阵.
由(2.7), (2.12), (2.14) 得
若记
则由(2.4), (2.15) 得
我们称$ G\left(x, t\right) $为方程(2.2)的格林函数.
由(2.16)可得
我们希望通过对$ G $的估计及(3.1)式来得到方程(2.2)的解的逐点估计.
为方便,我们记
因为$ \lambda_+ $, $ \lambda_- $在高、低, 中频时,有不同的表现形式,所以我们定义光滑截断函数
其中$ \varepsilon $充分小, $ R $充分大, $ 2\varepsilon< R $.记$ \chi_2\left(\xi\right)=1-\chi _1\left(\xi\right)-\chi _3\left(\xi\right) $. $ \chi _i\left(D\right)\left(i=1, 2, 3\right) $表示象征为$ \chi _i\left( \xi\right)\left(i=1, 2, 3\right) $的算子.符号$ B_N\left(x, t\right) $表示$ B_N\left(x, t \right)=\left(1+\frac{\left|x\right|^2}{1+t}\right)^{-N} $.
定理3.1 对任意正常数$ N $, 多重指标$ \alpha $, 存在仅依赖于$ N $, $ \alpha $的常数$ C_{N, \alpha} $, 有
证 当$ \left|\xi\right| $充分小时,由$ Taylor $展开有
所以
于是对任意多重指标$ \alpha $, $ \beta $, 存在正常数$ b $, $ C $, 有
由[11]的引理3.1, (2.17), 本定理得证.
因为$ \hat{G}_{21} $, $ \hat{G}_{22} $中有非局部算子$ \frac{1}{\left|\xi\right|^2} $, 所以我们需要用新的技巧来估计它们.
定理3.2 存在正常数$ C $, 有
证 把$ \left|\partial_x^\alpha\chi_1\left(D\right)G_{21}\right| $估计分成两部分,
由(2.17), (2.17), (3.2) (3.7), (3.8), (3.9)得
当$ N > 1 $时,
当$ N > \frac{1}{2} $时,
当$ \left | y \right | \le \frac{\left | x \right | }{2} $时,有
又
取(3.5)中$ N > 2 $, 则由(3.5), (3.14), (3.15), (3.16), (3.17) 得
由$ I_1 $, $ I_2 $的估计, 得到(3.12).用同样的方法可得到(3.13).
对中频的部分,我们有下面定理.
定理3.3 对任意正整数$ N $, 存在正常数$ C $, $ b $, 有$ \left | \partial _x^\alpha \chi _2\left ( D \right ) G\left ( x, t \right ) \right | \le Ce^{-bt}B_N\left ( x, t \right ) $.
证 因为
所以当$ \varepsilon \le\left|\xi \right | \le R $时, $ \hat G $无奇点, 无需考虑对$ \xi $的可积性问题, 又$ \left|Re\lambda_{\pm}\right|\le -b $, 所以$ \left | \partial_x^\alpha\chi _2\left (D\right ) G\left ( x, t \right ) \right | \le \int \xi^\alpha\chi _2\left ( \xi \right )\hat G\left ( \xi, t \right ) d\xi\le Ce^{-bt}B_N\left ( x, t \right ) $.
定理3.3得证.
当$ \left|\xi\right| $充分大时, 由泰勒展开有
所以高频时, 若$ \left |\alpha \right | $大, $ \xi ^\alpha\hat G $关于$ \xi $是不可积分的, 只有(2.2)的初值有光滑性时, 才能得到(2.2)解的光滑性.这就是下面的定理.
定理3.4 当$ \rho_0\in H^{l+s} $, $ m_0\in H^{l+s} $, $ s> 1 $, $ max\left \{ \left \| \rho_0 \right \|_{H^{l+s}}, \left \| m_0 \right \|_{H^{l+s}} \right \}=E $, 当$ \left | \alpha \right | \le l $时, 对任意正整数$ N $, 存在正常数$ C_N $, $ b $, 有$ \left | \partial _x^\alpha \chi _3\left ( D \right ) \rho \right |+\left | \partial _x^\alpha \chi _3\left ( D \right ) m \right | \le CEe^{-bt}B_N\left ( x, t \right ). $
证 由(3.1), (3.19), (3.20), 当$ \left | \alpha \right | \le l $时, 有
由(3.1), (3.19), (3.20), 当$ \left|\alpha\right|<l $, 有
所以$ \left|\partial_x^\alpha\rho\right|\le CEe^{-bt}B_N\left(x, t\right ) $, $ \left|\partial_x^\alpha m\right|\le CEe^{-bt}B_N\left(x, t\right) $.
为得到解的逐点估计, 还需要下述两个引理.
引理3.1 当$ N $, $ s>1 $, 且$ N>s $, 有$ \int B_N\left(x-y, t\right)\left(1+\left|y\right|^2\right)^{-s}dy\le CB_s\left(x, t\right). $
证 当$ \left | x \right | ^2\le 1+t $, 有
当$ \left | x \right | ^2> 1+t $, $ \left | y \right | \le \frac{\left | x \right | }{2} $, 有$ \left | x-y \right | \ge \left | x \right | -\left | y \right | \ge \frac{\left | x \right | }{2}, $所以
当$ \left | x \right | ^2> 1+t $, $ \left | y \right | > \frac{\left | x \right | }{2} $, 由(3.14), 有
引理3.1得证.
引理3.2 当$ s> 1 $, 有$ \int B_\frac{1}{2}\left ( x-y, t \right ) \left ( 1+\left | y \right | ^2 \right ) ^{-s}dy\le CB_\frac{1}{2}\left ( x, t \right ) $.
证 当$ \left | x \right | ^2\le 1+t $, 有$ \int B_\frac{1}{2}\left ( x-y, t \right ) \left ( 1+\left | y \right | ^2 \right ) ^{-s}dy\le C\le CB_\frac{1}{2}\left ( x, t \right ). $当$ \left | x \right | ^2> 1+t $, $ \left | y \right | \le \frac{\left | x \right | }{2} $, 有$ \left | x-y \right | \ge \left | x \right | -\left | y \right | \ge \frac{\left | x \right | }{2} . $于是
当$ \left | x \right | ^2> 1+t, \left | y \right | > \frac{\left | x \right | }{2} $, 有$ \left | x-y \right | \le \left | x \right | +\left | y \right | \le 3\left | y \right |, $于是
引理3.2得证.
由定理3.1、定理3.2、定理3.3、引理3.1、引理3.2、式(3.1)得如下定理.
定理3.5 当初值$ \left | \rho _0 \right | +\left | m_0\right | \le C\left ( 1+\left | x \right | ^2 \right ) ^{-s} $, $ s> 1 $, 有
综合定理3.4、定理3.5、式(3.1), 得到本文主要结论.
定理3.6 当初值$ \left | \rho _0 \right | +\left | m_0\right | \le C\left ( 1+\left | x \right | ^2 \right ) ^{-s_1} $, $ s_1>1 $, 且$ \rho _0\in H^{l+s_2} $, $ m _0\in H^{l+s_2} $, max$ \left \{ \left \| \rho_0 \right \|_{H^{l+s_2} }, \quad\left \| m_0 \right \|_{H^{l+s_2} }\right \}\le E $, $ s_2>1 $, 当$ \left | \alpha \right | \le l $, 有
注:由(3.14)及定理3.6, 知$ \left \| m \right \| _{L^2} $关于时间$ t $不衰减, 这是非线性方程组(1.1)存在性做不下去的重要原因之一.