本文研究如下具有强阻尼和对数非线性源项的p-Laplacian型波动方程的初边值问题
其中$ \Omega \subset {R^n} $$ \left( {n \ge 1} \right) $是一个具有光滑边界$ \partial \Omega $的有界区域, $ {\Delta _p}u = - div( {\left| {\nabla u} \right|^{p - 2}}\nabla u) $, $ {u_0}(x) \in {W^{1,p}}(\Omega ) $, $ {u_1} \in {L^2}(\Omega ) $, 指数$ p $满足
非线性波动方程可用来描述物理学和其他应用科学中的许多现象, 如粘弹性力学和量子力学理论[1, 2], 目前关于其解的性质已有许多文献, 例如[3–5]. 考虑如下p-Laplacian型波动方程的初边值问题
由势阱法可定义方程(1.2)的势阱深度Tsutsumi [8]得到了在Ibrahim和Lyaghfouri[12]得到了解的Ye[13]等人通过势阱法及对数Sobolev不等式证明了方程整体解的存在性, 并用凸方法得到了解的$ L^2 $范数在有限时刻爆破.
对于问题
其中$ f \in {C^1} $, $ \left| {f(u)} \right| \le c{\left| u \right|^r} $, $ \left| u \right| \ge 1 $, $ 1 \leq r<\frac{5 p}{2(3-p)} $, 定义方程(1.3)的能量泛函为
其中Pei[14]研究了在Chen[15]等人使用Galerkin方法证明了解的存在性, 得到了解以多项式衰减的估计. 若源项为对数非线性项, 当Di[16]等人利用势阱法考虑了全局解的存在唯一性, 解的衰减估计以及解爆破的上下界. Ma[17]得到了解以指数衰减的估计和解在无穷时刻爆破.若源项为非线性项, 当Zu[18]在$ 3 $维情况下对上述结果进行推广得出在不同的初始能量下弱解在有限时刻爆破的上界及下界.
受文[16]的启发, 本文进一步考虑$ p>2 $时解的存在性, 衰减估计和爆破情况, 并结合文献[18]中得到解的衰减估计的方法, 对数Sobolev不等式, 势阱理论和Sobolev嵌入定理, 使用Galerkin方法得到本文结论.
为了说明本文的主要结果,下面引入能量泛函
下面的定理为本文的主要结论.
定理1.1 假设$ (H) $成立, $ u_{0} \in W_{0}^{1, p}(\Omega) $, $ u_{1} \in L^{2}(\Omega) $, $ 0 < E(0) < d $, $ I(u_0) >0 $, 那么问题(1.1)存在唯一整体解$ u(x,t) $满足$ u \in {L^\infty }(0,\infty ;W_0^{1,p}) $, $ {u_t} \in {L^2}(0,\infty ;W_0^{1,2}) $.
定理1.2 假设$ {u_0} $, $ {u_1} $, $ p $满足定理1.1, $ u(x,t) $是问题(1.1)的解, 则存在一个正常数$ C = C({u_0},{u_1}) $, 使得能量泛函$ E(t) $满足以下多项式衰减估计
定理1.3 假设$ (H) $成立, $ u_{0} \in W_{0}^{1, p}(\Omega) $, $ u_{1} \in L^{2}(\Omega) $, $ \int_{\Omega} u_{0} u_{1} dx>0 $, $ 0 < E(0) < d $, $ I(u_0) <0 $, 则问题(1.1)的弱解在有限时间$ {T^*} $内爆破, 即
且时间$ {T^*} $的上限如下
其中$ b = d - E(0) > 0 $, $ \eta > \max \left\{ {0,\frac{{2{{\left\| {{u_0}} \right\|}^2} - (p - 2) {\int_{\Omega} u_{0} u_{1} dx}}}{{b(p - 2)}}} \right\} $.
首先, 我们介绍一些将在整篇论文中使用的定义和引理.
为了方便, 本文中所提到的$ C $是一个不依赖于未知函数的正常数, 在不同地方其具体值可能不同. 我们定义这些符号$ W_0^{1,p}(\Omega ) = W_0^{1,p}, {L^2}(\Omega ) = {L^2}, {\left\| u \right\|_{{L^p}(\Omega )}} = {\left\| u \right\|_p}, {\left\| u \right\|_{{L^2}(\Omega )}} = \left\| u \right\|, {(u,v) = \displaystyle{\int}_\Omega {uv} dx,u,v \in W_0^{1,p}.} $
为了证明方程解的整体存在性,还需定义泛函
根据(1.6), (1.7),
定义集合
以及定义势阱深度
在本文中, 我们考虑问题(1.1)的弱解$ u(x,t) $, 其定义如下. 在不造成混淆的情况下, 我们有时会用$ u(t) $来表示$ u(x,t) $.
定义2.1 (弱解) 若$ u(0) = {u_0} \in W_0^{1,p} $, $ {u_t}(0) = {u_1} \in {L^2} $, 且$ u \in {L^\infty }(0,T ;W_0^{1,p} $), $ {u_t} \in {L^2}(0,T ;W_0^{1,2}) $, 满足$ \left( {{u_t}(t),v} \right) + \displaystyle{\int}_0^t {\left( {|\nabla u{|^{p - 2}}\nabla u,\nabla v} \right)} dt + \left( {\nabla u,\nabla v} \right) = \displaystyle{\int\limits_0^t} {\left( {|u{|^{p - 2}}u\ln |u|,v} \right)} dt + \left( {{u_1},v} \right) + \left( {\nabla {u_0},\nabla v} \right), \forall v \in W_0^{1,p}. $则称$ u(x,t) $是问题(1.1)在$ \Omega \times \left( {0,T} \right) $的弱解.
下面给出需要在定理证明过程中用到的引理.
引理2.4 [19] 设$ p $满足$ 1 \le p < n $, 对一切$ u \in H_0^1 $, 有
其中$ q $满足如下关系
引理2.5 [20][$ {L^p} $-对数Sobolev不等式]若$ u \in H_0^1 $, 有
其中$ a >0 $是一个常数.
引理2.6 [21]假设$ E(t) $是一非增长函数, 常数$ q \ge 0 $, $ \gamma > 0 $, 满足
则有
引理2.7 [22] 假设$ \rho $是一个正常数, 则有
引理2.8 [23] 假设$ G(t) $是一个正的二次可微函数, 对$ \forall t > 0 $, 满足
其中$ \alpha > 0 $. 若$ G(t) > 0 $, $ {G^\prime}(t) > 0 $, 则$ \exists {T^ * } \le \frac{{G(0)}}{{\alpha {G^\prime}(0)}} $, 使得
同时, 给出势阱深度$ d $和势阱的一些性质.
引理2.9 若$ \forall u \in W_0^{1,p} $, $ {\left\| u \right\|_p} \ne 0 $, 有
(1) $ \mathop {\lim }\limits_{\lambda \to {0^ + }} J(\lambda u) = 0 $, $ \mathop {\lim }\limits_{\lambda \to + \infty } J(\lambda u) = - \infty $;
(2) $ \exists {\lambda ^ * } > 0 $, 使得$ \frac{d}{{d\lambda }}J(\lambda u){|_{\lambda = {\lambda ^ * }}} = 0 $;且$ J(\lambda u) $在$ 0 < \lambda < {\lambda ^ * } $单调递增, 在$ {\lambda ^ * } < \lambda < + \infty $单调递减;
(3) 当$ 0 < \lambda < {\lambda ^ * } $时, $ I(\lambda u) > 0 $, 而$ {\lambda ^ * } < \lambda < + \infty $时, $ I(\lambda u) < 0 $, 且$ I({\lambda ^ * }u) = 0 $.
证 (1)由$ J(\lambda u) $的定义, 对$ \forall u \in W_0^{1,p} $, 有
则$ (1) $成立.
(2) 对$ J(\lambda u) $求导, 可得
令$ \frac{d}{{d\lambda }}J(\lambda u) = g(\lambda ) $, 有
若$ \frac{d}{{d\lambda }}J(\lambda u){|_{\lambda = {\lambda ^ * }}} = 0 $, 则
且有$ \frac{d}{{d\lambda }}g(\lambda ){|_{\lambda = {\lambda ^ * }}} = - {\lambda ^{p - 2}}\left\| u \right\|_p^p < 0. $满足$ J(\lambda u) $在$ 0 < \lambda < {\lambda ^ * } $单调递增, 在$ {\lambda ^ * } < \lambda < + \infty $单调递减.
(3) 由$ I(\lambda u) $的定义, 对$ \forall u \in W_0^{1,p} $, 有
因此, $ I({\lambda ^ * }u) = {\lambda ^ * }\frac{d}{{d{\lambda ^ * }}}J({\lambda ^ * }u) = 0 $.
引理2.10 假设$ u \in W_0^{1,p} $, $ {\left\| {\nabla u} \right\|_p} \ne 0 $, 则有$ d \ge M $, 其中$ M=\frac{1}{p^{2}}(2 \pi)^{\frac{n}{2}} e^{\frac{2(n+p)-p^{2}}{2}} $.
证 由引理2.9和(1.6), 可得
由引理2.5, 令$ a = \sqrt {2\pi } $, 可知
又由$ I({\lambda ^ * }u) = 0 $可知$ (\frac{n}{p}\ln \sqrt {2\pi } e - \ln {\left\| {{\lambda ^ * }u} \right\|_p} - \frac{{p - 2}}{2}) \le 0, $从而得到$ \left\|{\lambda ^ * }u\right\|_{p}^{p} \geq(2 \pi)^{\frac{n}{2}}e^{\frac{2(n+p)-p^{2}}{2}}. $
因此,根据$ d $的定义,可得$ d \ge M > 0 $.
在这一节中, 我们将证明弱解的全局存在性和唯一性.
证明定理1.1 证明解的整体存在性分为三个步骤. 首先, 第一步, 构造近似解. 假设$ \left\{ {{w_j}} \right\}_{j = 1}^\infty $为$ W_0^{1,p} $中的一组基, 且$ {w_j} $是满足狄利克雷边界条件的Laplace算子的特征函数, 即
同时$ \left\{ {{w_j}} \right\}_{j = 1}^\infty $在$ {L^2} $中是标准正交的, $ {E_v} $是由$ \left\{ {{w_1},{w_2}, \cdots ,{w_j}} \right\} $张成的线性子空间. 接下来, 构造问题(1.1)的近似解$ {u_m}(x,t) = \sum\limits_{i = 1}^m {{g_{jm}}(t)} {w_j},{g_{jm}}(t) \in {C^2}[0,T],\forall T > 0, $其中未知函数$ {g_{jm}}(t) $满足以下关系
其初值条件为: $ {u_m}(0) = {u_{0m}} $, $ {u_{mt}}(0) = {u_{1m}}. $由于$ W_0^{1,p} $在$ {L^2} $中稠密, 则初值条件满足
因此, 根据常微分方程中的Picard迭代法, 问题$ (3.2) $-$ (3.4) $在$ \left[ {0,t_m} \right] $, $ 0 < t_m < T $中存在一个局部解$ {u_m}(t) $.
第二步, 为了证明解的整体存在性,需要对构造的近似解$ {u_m}(x,t) $进行先验估计. 先对(3.2)关于$ t $求导, 然后在其两边同时乘以$ g_{jmt} $, 得到
对(3.5)关于$ j $从$ 1 $到$ m $求和, 并在$ [0,t] $上进行积分, 得到
接下来, 证明
假设(3.7)不成立, 即存在最小时间$ {t^*} $, 使得$ ({u_m},{u_{mt}}) \in \partial W $, 即有
或者
由(3.6)可以知道, (3.8)显然不成立. 若(3.9)成立, 根据$ d $的定义, 可以得到$ E({u_m}({t^ * }),{u_{mt}}({t^ * })) > J({u_m}({t^ * })) \ge d $, 这也是不成立的. 因此, 由(3.6)和(3.7)可以得到
根据(1.6), (1.7), 引理2.5, 令$ a = \sqrt \pi $, 整理可得
根据$ \left( {{\Delta _p}u,v} \right) = \left( {|\nabla u(t){|^{p - 2}}\nabla u(t),\nabla v} \right) $, 由(3.14)和Hölder不等式, 可得
第三步, 对近似解$ {{u_m}} $取极限. 由估计$ (3.11)-(3.15) $可知, 存在一个函数列$ \left\{ {{u_m}} \right\} $的子序列(仍记为$ \left\{ {{u_m}} \right\} $)和函数$ u $, 使得
其中$ \chi = {\Delta _p}u $(证明见[13]). 利用Aubin–Lions–Simon[24]引理和上式可知
因此, 令$ {\Omega _1} = \left\{ {x \in \Omega |\left| {{u_m}(x,t)} \right| \le 1} \right\},{\Omega _2} = \left\{ {x \in \Omega |\left| {{u_m}(x,t)} \right| \ge 1} \right\} $, 通过引理2.4, 引理2.7和(3.14), 得到
其中$ {\phi ^{(m)}} = |{u_m}{|^{p - 2}}{u_m}\ln |{u_m}| $,$ {p^\prime } = \frac{p}{{p - 1}} $. 由(3.20), (3.21)有
令$ m \to \infty $, 根据(3.2)得到
且由(3.3)和(3.4)知道$ u $满足初值条件. 因此$ u $是问题(1.1)的全局弱解.
接下来, 证明解的唯一性. 假设$ u,v $是问题(1.1)的两个解, 令$ W(t) = {u_t}(t) -{v_t}(t) $, 且$ u(0) = v(0),{u_t}(0) = {v_t}(0) $, $ z = u - v $, 则由问题(1.1)可得
其中$ f(u) = {\left| u \right|^{p - 2}}u\ln \left| u \right|,u \in R $. 接下来, 将方程(3.23)与$ W $做内积, 并关于$ t $积分, 整理化简得到
其中$ 0 < \theta < 1 $. 由Poincaré不等式, 令$ {U_\varepsilon } = \varepsilon u + (1 - \varepsilon )v $, $ 0 \le \varepsilon \le 1 $, 可以得到
因此利用Hölder不等式和Sobolev不等式可将(3.24)右边第一项化简为
且由引理2.7, 可以得到
其中$ \mu > 0 $. 将(3.28)代入(3.27)可得
同理, (3.24)右边第二项可化简为
(3.24)左边第三项利用Hölder不等式可化简为
因此, 可得
由(3.29), (3.30)和(3.32)可得
因此, 由(2.5)可知, $ \exists {T_1} > 0 $, 使得
即$ u = v $, 则问题(1.1)存在唯一的整体弱解.
在本节中, 通过给定一些适当的条件, 建立了问题(1.1)的能量的多项式衰减估计.
证明定理1.2 根据方程(1.1), 可以得到
即$ E(t) $在$ [0,\infty ) $上是一个非递增函数. 假设$ q = (p - 2)/p > 0 $, 将方程(1.1)两端与$ {E^q}(t)u(t) $做内积, 得到
将等式(4.2)中的每一项分别展开, 有
由(4.2)可得
根据引理2.4, (1.4)和(4.1),
因为$ E(t) $是一个非增长函数, 则$ {G_1} $可化简为
同理, 可把$ {G_2} $, $ {G_3} $, $ {G_4} $, $ {G_5} $化简,
于是由$ (4.4) $和$ {G_2} $, $ {G_3} $, $ {G_4} $, $ {G_5} $的估计, 可得
令$ T \to \infty $,对$ \forall T \ge S \ge 0 $, 可以得到
因此, 根据引理2.6, 可得
于是问题(1.1)的能量是以多项式衰减的.
在本节中, 我们考虑了$ ({u_0},{u_1}) \in V $的弱解在有限时间内爆破的结果, 并给出了问题(1.1)爆破时间的上限.
引理5.11 假设$ ({u_0},{u_1}) \in V $,$ E(0) < d $, 则对$ \forall t \in [0,T) $,$ (u,{u_t}) \in V $, 且满足
证 假设在$ t = {t_0} $时, $ (u,{u_t}) \notin V $. 即存在一列$ \{ {t_n}\} $, 当$ {t_n} \to t_0^ - $, 有$ I(u({t_n})) < 0 $, $ E({t_n}) < d $. 利用$ {\left\| \cdot \right\|_{W_0^{1,p}}} $的弱下半连续性, 可得
由于$ (u({t_0}),{u_t}({t_0})) \notin V $, 则有$ I(u({t_0})) = 0 $或者$ E(u({t_0})) > d $. 但$ E(u({t_0})) > d $与(5.2)矛盾; 且若$ I(u({t_0})) = 0 $, 根据$ d $的定义, 得到$ E(u({t_0})) > d $, 与(5.2)矛盾. 即$ (u,{u_t}) \in V $. 因此, 根据引理2.9和$ (u,{u_t}) \in V $,
证明定理1.3 这个定理将利用$ Levine $的凹性论证理论来证明. 假设$ u $是问题(1.1)的全局弱解, 则$ {T^ * } = \infty $. 对任一$ T > 0 $, $ b > 0 $, $ \eta > 0 $, 定义$ G(t) $
首先, $ G(t) $关于$ t $求一阶导, 有
$ G(t) $关于$ t $求二阶导, 有
化简$ {G^{\prime \prime }}(t) $可得
由$ b $的定义, $ p>2 $, 可得
根据(5.5), 有
由Cauchy-Schwarz不等式和Young不等式, 得到$ {\left( {{G^\prime }(t)} \right)^2} $的估计为
根据(5.4), (5.8)和(5.10), 计算化简得到
由$ \eta $的定义, 则有
因此, 根据引理2.8, $ \exists {T^ * } > 0 $, 满足
即有
且$ \mathop {\lim }\limits_{t \to {T^{ * - }}} G(t) = \infty $, 与假设矛盾. 故定理1.3得证.