本文讨论下面非自治格点长波-短波共振方程组的初值问题
格点系统是某些变量离散化的时空系统,包括耦合的常微分方程组、耦合映射 格点和细胞自动机[12, 13]. 在某些情况下,格点系统表现为偏微分方程的空间变量离散化近似. 格点系统在许多领域有广泛的应用,涉及电子工程[11]、图象处理与模式识别[14, 15, 16]、激光理论[20]、材料科学[22]、化学反应理论[19, 32]、生物学[31]等.
目前已有很多文献研究了格点系统. 例如,文献 [9, 26, 27, 28, 29] 研究了 随机格点系统,文献 [1, 2, 25, 40, 43, 44, 45, 46, 47, 49, 50]研究了格点系统指数吸引子,拉回指数吸引子 和一致指数吸引子,文献 [8, 17, 23, 24]研究了格点方程组的行波解问题. 同时,数学物理学家 们把格点动力系统的理论应用到许多数学物理模型中. 例如,文献 [7] 研究了格点 反应扩散方程组,文献 [30] 研究了三分子可逆 Gray-Scott 方程组,文献 [33]研究了离散的非线性 Schrödinger 方程组,文献 [36, 42] 研究了离散的耦合非线性 Schrödinger型方程组,文献 [51]研究了格点KGS方程组,文献 [52]研究了格点长波-短波共振方程组.
方程组 (1.1)-(1.2) 可以看作是下面非自治 长波-短波共振方程组在 R 上的一个离散近似
由于它的重要性,长波-短波共振方程组已经被广泛地研究,参见文献 [3, 5, 6, 21, 35, 52].特别地,文献 [52] 研究了格点长波-短波共振方程组(1.1)-(1.2),作者首先证明了方程组的解算子生成的过程存在紧致核截面,然后给出核截面的 Kolmogorov ε-entropy熵的上界估计,最后,证明了核截面的上半连续性.
本文的主要目的是估计文献 [52] 中所得的核截面的分形维数. 正如文献[48] 所指出,有限分形维数的重要性体现为: 对某个度量空间E,若 A是它的紧子集,且dimf(A)<m/2,其中m是某个自然数,则存在Lipschitz内射 φ:A↦Rm,并且 A 的逆映射是Hölder连续的.这个性质表明 A 可以被放入到映 Rm中的某个紧集到 A的连续映射的图中.
不变集的分形维数已被广泛地研究[10, 18, 34, 39]. 值得强调的是, 文献[18]证明了吸引子存在有限分形维数的一个准则,该准则是 Ladyzhenskaya的关于不变集的有限维数定理(见文献[34])的一个推广. 后来,文献 [48] 利用 文献[18] 中的思想方法来证明Hilbert空间中不变子集存在有限分形维数的准则.
在这篇文章中,我们将用文献 [48] 中法则去估计文献 [52] 中所得的核截面的分形维数. 本文的主要任务是证明方程组(1.1)-(1.2)所生成的过程: (1)在核截面 K(τ)上有Lipschitz性质; (2)在吸收集 B0中有压榨性质. 这里想指出的是,格点长波-短波共振方程组含有非线性项(B(|u|2))m,这给我们 在证明 Lipschitz 性质和压榨性质时带来了困难,因此需要做细致的计算和分析来处理这一项.
先介绍相关空间和算子. 记
为把格点方程组(1.1)-(1.3)写成向量形式,记 \ell^{2} = (\ell^{2},(\cdot,\cdot),\|\cdot\|),\, l^{2}=(l^{2},(\cdot,\cdot),\|\cdot\|), 则\ell^{2}和 l^{2}均为Hilbert空间. 记 E=\ell^{2}\times l^{2} ,并在其中定义内积: 对于任意的\psi^{(j)}=(u^{(j)},v^{(j)})^{T}\in E,j=1,2,
为讨论初值问题 (2.5)-(2.7) 解的适定性, 我们需要假设外力项函数满足的一定的性质. 记 {\mathcal C}_{b}({\mathbb R},X) 为从 {\mathbb R} 到 X 的连续有界函数全体,则\forall f(t)\in {\mathcal C}_{b}({\mathbb R},X),有 \sup\limits_{t\in {\bf {\Bbb R}}}\sum\limits_{m\in {\bf {\Bbb Z}}}|f_{m}(t)|^{2} < +\infty. 记
本文,我们需要以下假设.
假设 (H) 设常数 \alpha,\beta,\gamma 和 f(t),g(t) 满足
下面我们给出方程组(2.8)-(2.9)已有的一些结果.
引理 2.1[52] 设 f(t)=(f_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal C}_{b}({\bf {\Bbb R}},\ell^{2}),g(t)=(g_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal C}_{b}({\bf {\Bbb R}},l^{2}). 则对任意的初值 \psi_{\tau}=(u_{\tau},v_{\tau})^{T}\in E ,方程组(2.8)--(2.9) 有唯一解 \psi(t)=(u(t),v(t))^{T}\in E 且 \psi(t)\in {\mathcal C}([\tau,+\infty),E)\cap {\mathcal C}^{1}((\tau,+\infty),E). 另外,解映射
引理 2.2[52] 设引理2.1的条件成立. 则方程组 (2.8)-(2.9)相应于初值 \psi_{t-s}=(u_{t-s}, v_{t-s})^{T}\in E 的解\psi(t)=(u(t),v(t))^{T}=U(t,t-s){\psi_{t-s}}\in E 满足 \|\psi(t)\|^{2}_{E} \leqslant C_{0}{\mathrm e}^{-\theta s}+\frac{r^{2}_{0}}{2\theta},\forall s>0, 其中C_{0},\theta=\min\{\frac{\alpha}{2},\frac{\beta}{2}\} 和 r_{0} 均为不依赖于 t 和 s 的常数. 也就是说,过程\{U(t,\tau)\}_{t\geqslant\tau} 在 E上存在 一致有界吸收集{\mathcal B}_0\subset E,即对任意有界集{\mathcal B}\subset E, 存在时间s({\mathcal B})>0,使得 U(t,t-s){\mathcal B}\subseteq {\mathcal B}_0,\,\forall s\geqslant s({\mathcal B}), 其中{\mathcal B}_0={\mathcal B}(0,R_{0})\subset E是E中以0为中心, R_{0}:= \frac{r_{0}}{\sqrt{\theta}}为半径的闭球.
由引理2.2知存在时间t_{0}:= t_{0}({\mathcal B}_0),使得
引理 2.3[52] 设f(t)=(f_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal H}(X=\ell^{2}), g(t)=(g_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal H}(X=l^{2}),则 U(t ,t-s)\psi_{t-s}=\psi(t)=(\psi_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in E 为初值问题(2.8)--(2.9)的解,其中\psi_{t-s}\in {\mathcal B}_0. 则对任意的\varepsilon>0,存在时间T(\varepsilon,{\mathcal B}_0)>0, M(\varepsilon,s,{\mathcal B}_0)\in {\bf {\Bbb Z_{+}}}使得
引理 2.4[52] 设引理2.3的条件成立. 则 \left\{U(t,\tau)\right\}_{t\geqslant \tau} 存在一族紧致核截面 \{{\mathcal K}(\tau)\}_{\tau\in {\Bbb R}}\subset E,满足
(1) 紧致性: 对每个 \tau\in {\Bbb R},{\mathcal K}(\tau) 是 E 中紧集,且 {\mathcal K}(\tau) =\bigcap\limits_{T>0} \overline{\bigcup\limits_{s>T}U(\tau,\tau-s){\mathcal B}_{0}} \subset {\mathcal B}_{0};
(2) 不变性: U(t,\tau){\mathcal K}(\tau)={\mathcal K}(t), \,\forall t\geqslant \tau,\,\tau\in {\mathbb R};
(3) 拉回吸引性: 对 E 中的任何有界集 {\mathcal B},都有 \lim\limits_{s\rightarrow +\infty } {\mathrm dist}_{E}(U(\tau,\tau-s){\mathcal B},{\mathcal K}(\tau))=0, 其中 {\rm dist}_{E}(Y_1,Y_2)=\sup\limits_{x\in Y_1}\inf\limits_{y\in Y_2}\|x-y\|_{E}.
本部分估计引理2.4所得核截面的分形维数.
定义 3.1 对任意的 \tau\in {\mathbb R}, 核截面{\mathcal K}(\tau)的分形维数定义为
关于向量空间中不变集的分形维数的一般定义(参见文献[18, 34, 39]).
记
下面的引理在估计核截面的分形维数时起关键作用.
引理3.1 若假设(H) 成立且 引理2.4的条件成立. 则对任意的 \tau\in {\mathbb R},存在不依赖于\tau\in {\mathbb R} 的正数T^{*},L(T^{*}),N^{*} 和 \eta\in (0,1/2),使得
(I) 对任意的\psi^{(1)}_{\tau},\psi^{(2)}_{\tau}\in {\mathcal K}(\tau),有
(II) 存在投影算子 P_{2N^{*}}: E\mapsto E^{(2N^{*})} 使得对每个 \tau\in {\mathbb R}, \psi^{(1)}_{\tau},\psi^{(2)}_{\tau}\in{\mathcal K}(\tau)\subseteq {\mathcal B}_{0},有
证 由文献 [52,引理3.1]知, 存在E中以2为直径覆盖{\mathcal K}(\tau) 的一致有界闭子集. 对任意的\tau\in {\mathbb R},记 \psi^{(1)}(t)=(u^{(1)}(t),v^{(1)}(t))^T=U(t,\tau)\psi^{(1)}_{\tau}, \psi^{(2)}(t)=(u^{(2)}(t),v^{(2)}(t))^T=U(t,\tau)\psi^{(2)}_{\tau},\forall t\geqslant\tau 为初值问题(2.8)-(2.9)的两个解, 其中\psi^{(1)}_{\tau}, \psi^{(2)}_{\tau}\in{\mathcal K}(\tau)\subseteq {\mathcal B}_{0}. 对t-\tau\geqslant t_{0},\psi^{(1)}(t), \psi^{(2)}(t) \in {\mathcal K}(t)\subset {\mathcal B}_{0}. 文后记 \begin{eqnarray*} &\psi_{d}(t)=\psi^{(1)}(t)-\psi^{(2)}(t),\quad u_{d}(t)=u^{(1)}(t)-u^{(2)}(t),\quad & v_{d}(t)=v^{(1)}(t)-v^{(2)}(t). \end{eqnarray*} 由(2.8)-(2.9)式得
(II) 定义一个光滑函数 \chi(x)\in {\mathcal C}^{1}({\bf {\Bbb R}}_+,[0, 1]),满足 \begin{eqnarray*} \quad \chi(x)=\left\{ \begin{array}{ll} 0,0\leqslant x\leqslant 1; \\ 1,x\geqslant 2, \end{array} \right.\,{\mbox{且}} |\chi'(x)|\leqslant \chi_0 \,(\mbox{正常数}), \forall\,x\in {\bf {\Bbb R}}_+. \end{eqnarray*} 记 p_d=(p_{dm})_{m\in {\Bbb Z}},q_d=(q_{dm})_{m\in {\Bbb Z}}, z_{d}=(z_{dm})_{m\in {\Bbb Z}}, p_{dm}=\chi(\frac{|m|}{M})u_{dm}, q_{dm}=\chi(\frac{|m|}{M})v_{dm}, z_{dm}=(p_{dm},q_{dm}), 其中M为某个正数. 由于(u^{(1)},v^{(1)}) 和 (u^{(2)},v^{(2)})满足 (2.5)式,因此
定理 3.1 若假设(H) 成立且 引理2.4的条件成立, \{{\cal K}(\tau)\}_{\tau\in {\Bbb R}}为过程\{U(t,\tau)\}_{t\geqslant \tau} 的核截面. 则对任意的\tau\in {\Bbb R},核截面{\mathcal K}(\tau)的分形维数满足
证 由文献[48,引理3.1和定理2.1]可得该定理的结果. 证明完毕.