本文考虑如下带有对数阻尼项波动方程的柯西问题
算子
其通过如下Fourier逆变换定义
这里
问题(1.1)可以看成某种带有结构阻尼机制的类波方程, 下面先回顾已有波动方程的研究结果. Strauss[1]研究了如下经典波动方程的柯西问题
得到临界指数$ p_c $, $ p_c $为$ \left( n-1 \right) p^2-\left( n-1 \right) p-2=0, n\geqslant 2 $的正根. 若$ p>p_c $时, 问题(1.5)的解在小初值情形下整体存在, 若$ 1<p<p_c $问题(1.5)的解在有限时刻爆破. 文[2]在超临界情形下证明问题(1.5)解的整体解存在, 文[3, 4]在次临界情形下证明问题(1.5)的解在有限时刻爆破.
随后, 一些学者研究带阻尼项的波动方程[5, 6]. 文[5]研究如下半线性阻尼波动方程的柯西问题
得到了临界指数
若初值足够小且具有紧支集, 非线性指数$ p $满足如下条件时
问题$ (1.6) $的解整体存在. 文[6]研究次临界时, 若$ \int_{R^n} u_0(x)dx>0 $, 问题(1.6)的解在有限时刻爆破.
近年来, 许多学者将问题(1.6)推广到带有分数阶结构阻尼的波动方程. 文[7]研究如下分数阶波动方程的柯西问题
在假设小初值情形下, 通过整体迭代法证明了当$ p>p_c $时, 问题$ (1.7) $的解整体存在, 利用检验函数法证明了$ 0<p<p_c $问题$ (1.7) $的解在有限时刻爆破.
Charao[8]在波动方程中引入了对数型阻尼项, 研究如下具有对数阻尼项波动方程的柯西问题
得到了问题$ (1.8) $解的渐近性态, 以及解在$ L^2 $意义下的最优估计.
文[9]将问题$ (1.8) $推广到带对数阻尼机制的对数型类波方程
其中$ L=\log(I-\Delta) $, 问题(1.9)可以看成是如下模型的推广
得到了其在$ L^2 $框架下解的渐近性态, 并应用它来研究关于$ L^2 $范数的解的最优衰减率.
基于以上文献的启发, 本文在问题$ (1.9) $基础上考虑非线性问题$ (1.1) $, 研究是否可以得到一个临界指数$ p_c $, 使得$ p>p_c $时问题$ (1.1) $的解整体存在, $ 0<p<p_c $时问题$ (1.1) $的解有限时刻爆破. 本文的难点在于合理处理对数阻尼项的估计. 本文结构安排如下: 第二节引入相关符号以及证明文章主要结论所需公式引理; 第三节证明问题$ (1.1) $解的整体存在性; 第四节证明问题$ (1.1) $解的爆破. 下面给出本文的主要结论.
定理1.1 假设$ m\in[1, 2) $, $ \max\{\sigma, \; n(\frac{1}{m}-\frac{1}{2})+2k\}\leqslant l <k+\sigma $. 若
指数$ p $满足
初值$ (u_0, u_1)\in \mathcal{A}= (L^m\cap \dot{H}^{k+l})\times (L^m\cap \dot{H}^{k+l-\sigma}) $, 且存在一个足够小的常数$ \varepsilon $使得
问题$ (1.1) $存在唯一的整体解
且有如下衰减估计
定理1.2 假设$ \sigma\geqslant 1 $, $ m\in[1, 2) $, $ 0<k<\sigma $, 当$ n\leqslant2k, \; p>1 $或$ n>2k, p\leqslant \frac{n}{n-2k} $时, 设初值$ (u_0, u_1)\in(L^m\cap \ {L}^{2})\times (L^m\cap {L}^{2}) $, 满足$ \int_{\mathbb{R}^n} u_0(x)dx\geqslant 0 $且
或
若$ 1<p<1+\frac{2\sigma m}{n} $时, 问题$ (1.1) $的解在有限时刻爆破.
本文引入如下记号.
(1) 齐次Sobolev空间
(2) $ f\lesssim g $表示存在一个常数$ C $使得$ f\leqslant Cg $.
下面通过引理2.1给出$ \rho(\xi) $的定义.
引理2.1 设$ \delta _0\in ( 0, 1 ) $, 令$ \varphi(\xi) =\log( 1+|\xi |^{2\sigma})( 1+\log( 1+|\xi |^{2\sigma} )) $, $ \psi(\xi ) =\dfrac{1}{1+\log ( 1+|\xi |^{2\sigma})} $, $ \phi (\xi ) =\sqrt{\log ( 1+| \xi|^{2\sigma})} $, 则
(1) 若$ |\xi|\leqslant \delta _0 $, 则$ \varphi ( \xi ) \leqslant \psi ( \xi ) , \varphi ( \xi ) \leqslant \phi ( \xi ). $
(2) 若$ | \xi |\geqslant \delta _0 $, 则$ \psi ( \xi) \leqslant \varphi ( \xi ) , \psi ( \xi ) \leqslant \phi ( \xi ). $
证 当$ r\geqslant0 $时, 设$ \theta ( r) =( 1+\log( 1+r^{2\sigma} ) ) \sqrt{\log ( 1+r^{2\sigma} )}-1. $
由于$ \theta(0)=-1 $和$ \theta(1)=(1+\log2)\sqrt{2}-1>0 $, $ \theta(r) $关于$ r $连续, 存在$ 0<\delta_{0}<1 $使得$ \theta(\delta_{0})=0 $.
当$ 0\leqslant r\leqslant\delta_{0} $时, 有$ (1+\log(1+r^{2\sigma}))\sqrt{\log(1+r^{2\sigma})}\leqslant1, $即$ \varphi ( r) \leqslant\phi (r)\leqslant\psi(r ). $
当$ r\geqslant \delta_{0} $时, 有$ (1+\log(1+r^{2\sigma}))\sqrt{\log(1+r^{2\sigma})}\geqslant 1, $即$ \varphi (r )\geqslant \phi (r )\geqslant \psi(r ). $综上, 证毕.
对于$ \delta_{0}>0 $, 当$ \xi\in{\mathbb{R}^n} $定义如下函数
设$ G(t, \xi), \; H(t, \xi) $是下面线性问题的基本解
其中$ \delta(x) $是Dirichlet函数. $ (2.2) $式在Fourier空间中的解可以写为
(2.3)式由Laplace逆变换定义. 由于在此过程中并未考虑到分母的零点, 下面证明算子$ \widehat G(t, \xi), \; \widehat H(t, \xi) $存在.
引理2.2 $ \widehat G(t, \xi), \widehat H(t, \xi) $存在.
证 定义
为了证明$ \mathcal{L}^{-1}[{\lambda}/{F(\lambda)}] $存在, 我们需要考虑$ F(\lambda) $的零点. 若$ \lambda_{1}=\sigma_{1}+i\nu_1 $是$ F(\lambda) $的一个零点, 即$ \sigma_{1} $和$ \nu_1 $满足
当$ |\xi|=0 $时, $ \sigma_{1}=\nu_{1}=0 $(显然), 当$ |\xi|\ne0 $时, $ \sigma_{1}<0 $. (反证法) 若$ \sigma _1\geqslant0 $, $ \nu_{1}=0. $
与$ ReF(\lambda_{1})=0 $矛盾. 若$ \sigma _1\geqslant0 $, $ \nu_{1}\ne0. $
与$ ImF(\lambda_{1})=0, $矛盾. 因此$ \sigma_{1}<0 $.
综上, 当$ |\xi|=0 $时, $ {\lambda}/{F(\lambda)} $在$ {\lambda \in \mathbb{C}, Re(\lambda)>0} $解析. 当$ |\xi|\ne0 $时, $ {\lambda}/{F(\lambda)} $在$ {\lambda \in \mathbb{C}, Re(\lambda)\geqslant0} $解析, 若$ \lambda=\sigma+iv, \; \sigma>max\{Re \lambda_s\} $, 其中$ \lambda_{s} $是$ F(\lambda) $所有奇异点. 有
易知$ J_{1} $收敛, 下面我们考虑$ J_{2} $, 由
知$ J_{2} $收敛, 所以$ \widehat G(t, \xi) $存在. 同理得$ \widehat H(t, \xi) $存在.
由Duhamel原理, 问题$ (1.1) $的解可以表示为
其线性问题的解为
为得到算子$ \widehat G(t, \xi) $, $ \widehat H(t, \xi) $的估计, 先利用能量法得到问题$ (1.1) $的解在Fourier空间中的逐点估计. 下面先对其线性问题进行Fourier变换, 得
引理2.3 若$ t>0, \; \xi \in R_{\xi}^n $, 假设$ u(t, x) $是问题$ (1.1) $的解, 则
证 $ (2.7) $式两边同乘$ \overline{\widehat{u_t}} $得
其中
$ (2.7) $式两边同时乘$ \rho(\xi) $得
取实部得
定义如下函数
得
下面估计$ E(t, \xi) $
由(2.13)和(2.14)式得
即
将$ (2.15) $式代入上式得
将$ E(t, \xi), \; E^{'}(t, \xi) $代入$ (2.17) $式, 引理2.3得证.
引理2.4 基本解$ G(t, \xi), H(t, \xi) $满足
证 在$ (2.8) $式中, $ u $满足$ (2.6) $式, 令$ \widehat{u}_{1}=0 $, 得
令$ \widehat{u}_{0}=0 $, 得
引理2.5 假设$ k\geqslant0, \; l\geqslant 0, \; m\in [1, 2) $有
证 当$ |\xi|\leqslant\delta_{0} $时, $ \rho( \xi ) |\gtrsim |\xi|^{2\sigma} $; 当$ |\xi|>\delta_{0} $时, $ \rho( \xi ) |\gtrsim|\xi|^{-2\sigma} $, 由引理2.4得
其中$ k\geqslant0, \; l\geqslant 0, \; m\in [1, 2) $.
引理2.6 (G-N不等式) 假设$ p, \; p_0, \; p_1\in(1, \infty) $且$ k\in[0, s), \; s>0, $$ f\in L^{p_0}(\mathbb{R}^n)\cap\dot{H}^s_{p_1}(\mathbb{R}^n) $有
其中$ \beta=\beta_{k, s}=\frac{\left( \frac{1}{p_0}-\frac{1}{p}+\frac{k}{n} \right)}{\left( \frac{1}{p_0}-\frac{1}{p_1}+\frac{s}{n} \right)} $且$ \beta \in \left[ \frac{k}{s}, 1 \right]. $
引理2.7 (Leibniz法则) 假设$ s>0, \; 1\leqslant r\leqslant \infty, \; 1<p_1, \; p_2, \; q_1, \; q_2\leqslant \infty $满足
当$ f\in \dot {H}_{p_1}^{s}(\mathbb{R}^n )\cap L^{q_1}(\mathbb{R}^n ) $, $ g\in \dot {H}_{p_2}^{s}(\mathbb{R}^n)\cap L^{q_2}(\mathbb{R}^n) $时, 有
引理2.8 (链式法则) 假设$ s>0, \; p>[s] $, 且$ 1<r, r_1, r_2<\infty $满足
当$ f\in \dot {H}_{r_2}^{s}(\mathbb{R}^n ) \cap L^{r_1}(\mathbb{R}^n ) $时, 有
引理2.9[5] 若$ \alpha, \beta\in \mathbb{R} $, 有
定义空间
装备相应的范数
定义算子$ N $
下证算子$ N $满足如下两个不等式
由引理$ 2.5 $得
其中$ l\geqslant n(\frac{1}{m}-\frac{1}{2})+2k $. 综上, 有
下证
在$ [0, t/2] $用$ (L^2\cap L^m)-L^2 $估计和$ \left[t/2, t\right] $用$ L^2-L^2 $估计, 可得
由引理$ 2.6 $得
其中$ \beta_{1}, \beta_{2} $满足
解得
若$ -\frac{np}{2\sigma}(\frac{1}{m}-\frac{1}{mp})+1<0 $, 即$ p>1+\frac{2\sigma m}{n} $有
若$ -\frac{np}{2\sigma}( \frac{1}{m}-\frac{1}{2p})+1<-\frac{n}{2\sigma}( \frac{1}{m}-\frac{1}{2}) $, 即$ p>1+\frac{2\sigma m}{n} $有
其中$ \tau \in [0, t/2], \; (1+t-\tau)\approx (1+t) $, $ \tau\in[t/2, t], \; (1+\tau)\approx(1+t) $. (3.9)和(3.10)式代入(3.6)式得
下面对$ \lVert |D|^ku^{nl}\left( t, \cdot \right) \rVert _{L^2} $估计, 由(3.7)式得
当$ \sigma\leqslant l<k+\sigma $, 由引理$ 2.6 $和引理$ 2.8 $得
其中$ \frac{1}{2}=\frac{p-1}{r_1}+\frac{1}{r_2} $, $ \beta_{r_{1}} $, $ \beta_{r_{2}} $满足
由$ (3.13) $式得
若$ k<\sigma $, $ p>1+\frac{2\sigma m}{n} $则
其中$ \tau \in [0, t/2], \; (1+t-\tau)\approx (1+t) $, $ \tau\in[t/2, t], (1+\tau)\approx(1+t) $. 若$ l\geqslant n(\frac{1}{m}-\frac{1}{2})+2k $, 且$ p>1+\frac{2\sigma m}{n} $, 由引理$ 2.9 $得
(3.15)和(3.16)式代入(3.12)式得
由(3.4)和(3.5)式知(3.1)式成立. 下面估计$ \lVert u^{nl}-v^{nl} \rVert _{L^2} $.
由H{ö}lder不等式和引理2.6得
$ (3.19) $式代入$ (3.18) $式得
下面对$ \lVert |D|^k\left( u^{nl}-v^{nl} \right) \rVert _{L^2} $估计.
引入积分表达式
其中$ G=u|u|^{p-2} $. 由$ (3.22) $式, 引理$ 2.7 $和Minkowski不等式得
其中$ \frac{1}{2}=\frac{1}{s_1}+\frac{1}{s_2}=\frac{1}{s_3}+\frac{1}{s_4} $. 若$ \sigma\leqslant l<k+\sigma $, 由引理$ 2.6 $得
其中$ \beta_3 $, $ \beta_4 $, $ \beta_5 $满足
其中$ \frac{1}{s_4}=\frac{1}{s_5}+\frac{p-2}{s_6} $. (3.24)和(3.25)式代入(3.23)式得
$ (3.26) $式代入$ (3.21) $式, 再由$ (3.15) $和$ (3.16) $式得
由$ (3.20) $式和(3.27)式知(3.2)式成立, 再由Banach不动点定理知问题$ (1.1) $在小初值情形下整体解存在. 定理1.1证毕.
为证明定理1.2, 先给出如下引理.
引理4.1[10] 假设$ \left< x \right> =\left( 1+|x|^2 \right) ^{\frac{1}{2}} $, $ m\in N $且$ s\in[0, 1). $则$ q\in N, \; x\in\mathbb{R}^n $时, 以下估计成立
引理4.2[10] 假设$ \varphi _R\left( x \right) =\varphi \left( x/R \right) $, $ x \in\mathbb{R}^n $, 其中$ \varphi \left( x \right) =\left< x \right> ^{-q} $, $ \sigma \geqslant1 $, 则
若$ \varphi \left( x \right)=\left< x \right> ^{-n-2s_{\sigma}}=\left( 1+|x|^2 \right) ^{-n/2-s_{\sigma}}, $其中当$ \sigma $是整数时, $ s_{\sigma} \in (0, 1) $; 当$ \sigma $是分数时, $ 0<s_{\sigma} \leqslant\sigma -[\sigma] $则
下证定理2.2
选择测试函数$ \eta \left( t \right) :=\left\{ \begin{array}{l} 1\; \; \; \; \; \; \; \; 0\leqslant t\leqslant \frac{1}{2}, \\ \text {递减}\; \; \; \frac{1}{2}\leqslant t\leqslant 1, \\ 0\; \; \; \; \; \; \; \; t\geqslant 1, \end{array} \right. $满足
其中$ \frac{1}{p}+\frac{1}{p^{'}}=1 $.
引入测试函数$ \psi _R\left( t, x \right) :=\eta _R\left( t \right)\varphi _R\left( x \right) :=\eta \left( t/R^{2\sigma} \right) \varphi \left( x/R \right) . $定义如下两个函数
两式相减并进行分部积分得
由引理4.1, $ 4.2 $得
由Young不等式得
因为$ \eta(t) $单调递减, 即$ -\eta_{R}^{'}(t)\geqslant 0, -\widetilde{I}_R\geqslant0 $. 当$ m=1 $时, 若$ 1<p<1+\frac{2\sigma m}{n} $即
当$ R\rightarrow \infty $时,
与$ \int_{\mathbb{R}^n}u_1( x ) \varphi _R( x ) dx>0 $矛盾. 当$ m\in (1, 2) $时, 若$ 1<p<1+\frac{2\sigma m}{n} $即
得$ n\left( 1-\frac{1}{m} \right) \leqslant -2\sigma p^{'}+2\sigma+n $与$ n\left( 1-\frac{1}{m} \right)>-2\sigma p^{'}+2\sigma +n $矛盾, 故定理$ 1.2 $得证.