考虑如下一维半线性薛定谔方程初边值问题
其中$\lambda=\lambda_{1}+{\rm i}\lambda_{2}\in{\Bbb C}\setminus\{0\}$, 并且$\lambda_{1}>0.$假设初值$f(x)=f_{1}(x)+{\rm i}f_{2}(x)$满足
这里和后面的介绍中, $C$指的是一个正常数, 但不是固定不变的.
方程(1.1)在Sobolev空间$H^{s}(s\geq0)$中局部解的存在性, 可参见文献[1, 16]及其中相关的参考文献.如果想要研究解的大时间行为:解是整体存在还是在有限时间内破裂, 那么非线性项的指数$p$起着重要的作用.首先介绍两个重要的指数:一个是$p_{c}(n)=1+\frac{2}{n}$, 它是由Germain等[4]引入的; 另一个是$p_{0}(n)$, 它是方程$(n-1)p^{2}-(n+1)p-2=0$的正根, 是由Strauss[13]引入的, 文中作者证明了当$p>p_{0}(n+1)$时, ${\Bbb R}^n$中的小初值Cauchy问题(1.1)存在整体解.指数$p_c(n)=1+\frac{2}{n}$被称作Fujita指数, 是小初值半线性热传导方程和耗散半线性波动方程Cauchy问题的临界指标, 相关结果见文献[2, 10, 15].更多关于小初值半线性薛定谔方程解在有限时间内破裂的结果, 见文献[11-12].
Ikeda和Wakasugi[6]研究了方程(1.1)在${\Bbb R}^n$中的Cauchy问题, 当$p$满足$1<p\leq p_{c}(n)$时, 选择合适的初值, 得到了解在有限时间内破裂的结果, 证明过程运用了反证法, 该方法由Zhang[17-18]引入.此外, 运用Kuiper[9]中的试探函数方法, Ikeda[5]证明了$1<p<1+\frac 2n$时的生命跨度上界满足如下形式
其中$\alpha=\frac k2-\frac{1}{p-1}$且$n<k<\frac {2}{p-1}$.最近, Ikeda和Inui[7]证明了当$1<p<1+\frac4n$时小初值$L^2$和$H^1$解将在有限时间内破裂,并进一步给出了解的生命跨度上界估计.
本论文研究一维空间中半无界区域上的初边值问题(1.1), 当$1<p\leq2$时将证明解在有限时间内破裂; 进一步, 当$1<p<2$时, 将建立解的生命跨度上界估计.证明的主要方法是反正法和试探函数法.与文献[5-6, 9, 14]相比, 我们借鉴了文献[3]中的想法, 引入黎曼-刘维尔分数阶导数来构造新的试探函数.
注1.1 我们猜测初边值问题(1.1)存在临界指标$p=2$, 该指标相应于二维Cauchy问题的临界指标.初边值问题(1.1)在$p>2$时的整体存在性是一个非常有趣的问题.
注1.2 对于临界情性$p=2$, 本文中的方法无法建立其生命跨度上界估计, 这也是我们接下来要研究的问题.
本文的主要结论为如下两个定理:
定理1.1 当$1<p\leq 2$时, 假设初始值满足条件(1.2), 则初边值问题(1.1)的解将在有限时间内破裂.
定理1.2 当$1<p\leq 2$时, 假设初始值满足条件(1.2), 则存在$\varepsilon_{0}>0$和$C=C(p, \lambda)$, 使得方初边值问题(1.1)解的上生命跨度上界估计满足
其中$\varepsilon\in(0, \varepsilon_{0})$.
正文内容安排如下:在第二部分介绍黎曼-刘维尔分数阶导数并构造试探函数.在第三部分证明定理1.1.在第四部分证明定理1.2.
在这部分, 我们将引入黎曼-刘维尔分数阶导数来构造一个试探函数.下文中$AC[0, T]$指的是定义在$[0, T]$上绝对连续的函数, 其中$0<T<\infty$, 则对任意的$g\in AC[0, T]$, 其$\alpha$阶的右手黎曼-刘维尔分数阶导数定义如下
其中$\alpha\in (0, 1)$且$\Gamma$是欧拉函数.关于黎曼-刘维尔分数阶导数的详细定义, 见文献[8].
引理2.1[8] 令$g\in AC^{N+1}[0, T]:=\{g: [0, T]\rightarrow {\Bbb R}$, $ \partial_t^Ng\in AC[0, T]\}$, 则对任意指数$N\geq 0$, 有
其中$\partial_t^N$指的是对$t$的$N$阶偏导.
引理2.2 令$h(t)=\big(1-\frac tT\big)_{+}^{\sigma}$其中$t\geq 0$, $T>0$且$\sigma\gg 1$, 则有
因此进一步可以得到
引理$2.2$的证明可以通过变量替换得到, 具体可见文献[3].
设$\Phi(x)$是一个光滑、单调递减的函数, 且满足以下条件
记$\phi_{1}(x)=\Phi(\frac{x}{B})$, $\phi_{2}(t)=(1-\frac{t}{T})_{+}$, 我们构造如下形式的试探函数
则由引理$2.2$可以得到
方程(1.1)两边同时乘以$\phi(t, x)$, 并在$[0, T]\times[0, \infty)$上积分, 得
式(3.1)两边取实部, 得到
令
则(3.2)式可以简写为
由(1.2)和(2.8)式易得
结合(3.4)和(3.5)式可得
接下来我们将对$K_{1}$和$K_{2}$分别进行估计.对于$K_{1}$, 注意到$l, k\gg1$, 再结合(2.8)式、Hölder不等式和Young不等式, 可得
当$1<p<2$时, 引入如下变量替换: $s=\frac{t}{T}, y=\frac{x}{T^{\frac{1}{2}}}, B=T^{\frac{1}{2}}$, 则对$K_{11}$有如下估计
结合(3.7)式, 得
根据试探函数$\phi(t, x)$的构造易得
利用和估计$K_1$相同的办法, 我们可以得到
再次利用(3.8)式中相同的变量替换, 得
联立(3.11)式, 得到
因此, 结合(3.6), (3.9)和(3.13)式, 得到
令$T\rightarrow +\infty$, 则当$1<p<2$时有
由此可得对于任意的$t, x>0$, 有$u(t, x)=0$成立, 这样我们就得到了一个矛盾.于是, 解将在有限时间内破裂.
当$p=2$时, 引入如下变量替换
其中$1\ll M<T$且当$T\rightarrow \infty$时就不会同时有$M\rightarrow \infty$.则可以估计$K_{11}$如下
估计$K_{21}$如下
上述两式结合(3.6)式可得
这等价于
上式中令$T\rightarrow \infty$得
这意味着
另外通过计算我们有
则可对$K_{2}$进行如下估计
联立(3.6), (3.7), (3.16)和(3.22)式可得
上式等价于
结合(3.20)和(3.23)式并令$T\rightarrow +\infty$得
再令$M\rightarrow +\infty$, 那么可以得到
同样导致矛盾, 因此完成了定理1.1的证明.
首先, 由Hölder可对$K_{1}$和$K_{2}$进行如下估计
另一方面, 引入如下的变量替换
则通过直接计算可估计$K_{11}$和$K_{21}$如下
联立(4.1), (4.2), (4.3)和(4.4)式可得
由(3.4), (3.5)和(4.5)式可推出
由于对任意的$a>0$, $0<b<1$及$c\geq0$有
因此由(4.6)和(4.7)式可得
从(4.8)式可以得出我们预期的解的生命跨度上界估计
于是完成了定理1.2的证明.