具有耦合指数反应项的变系数扩散方程组解的爆破现象
Blow-Up Phenomenon for a Coupled Diffusion System with Exponential Reaction Terms and Space-Dependent Coefficients
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收稿日期: 2018-09-27
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Received: 2018-09-27
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该文研究了具有耦合指数反应项的变系数扩散方程组Dirichlet初边值问题的爆破现象.结合伯努利方程技巧和构造上下解方法以及修正微分不等式技巧,找到了变系数对整体解和爆破解的存在性的影响,且在整体空间中(N ≥ 1)导出了若干个不同测度意义下爆破解的爆破时间界的估计值.
关键词:
Blow-up phenomena for the Dirichlet initial boundary value problem of a coupled diffusion system with exponential reaction terms and space-dependent coefficients is considered. By virtue of the Bernoulli equation, the method of super-and-sub solutions and the modified differential inequality techniques, we founded the influence of space-dependent coefficients on the existence of global solution or blow-up solution at finite time. Moreover, upper and lower bounds for the blow-up time of the solution are derived under different measures in whole dimensional spaces (N ≥ 1).
Keywords:
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马丹旎, 方钟波.
Ma Danni, Fang Zhongbo.
1 引言
我们考虑具有耦合指数反应项的变系数扩散方程组
给出齐次Dirichlet边界条件和初始条件
其中
(S
(S
同时,非负初始值
指数反应模型(1.1)–(1.2)出现于许多应用领域.比如,燃烧理论中,模型(1.1)称为固体燃料点火模型,它描述固体燃料在有界的容器内超临界高活化能热爆炸的无量纲点火模型,见文献[1].我们通过简单的变换,模型(1.1)–(1.2)可转换成一个含有梯度项的反应扩散方程组,其常出现在某些物理模型中,比如弹道沉积过程中生长界面像的演化可以用扩散的Hamilton-Jacobi型方程组来描述,见文献[2].同时,模型(1.1)–(1.2)的稳态方程也有许多应用.此时其可描述热自燃问题[3],由Lord Kelvin[4]提出的重力平衡中等温气体球问题,由均匀电流对一物体加热产生的温度分布的问题[5],和关于Euler湍流的Osanger涡模型[6].它也是微分几何中常感兴趣的问题[7],以及一些其它的应用.
近几十年来,许多学者致力于反应-扩散方程解的整体存在性和非存在性、爆破现象及解的渐近性态的研究,我们建议读者参考文献[1, 8-11],综述性论文[12-13]及其中的相关文献.特别是, Bebernes和Eberly[1], Fila[9, Chapter2]及Quittner和Souplet[10, Chapter2; Chapter3]等的专著中详细介绍了具有Dirichlet边界条件和常系数(即,加权
最近,爆破时间的下界研究方面也有新的起色,其中研究具有乘幂反应的变系数单个方程中解的爆破时间下界的问题较多,参见文献[15-22] (空变系数情形),文献[23-27] (时变系数情形)及相关文献.除了前述的专著[1, 9-10]外,关于具有指数反应项的常数系数单个方程的研究方面, Tello [28]讨论了柯西问题解的长时间行为. Pulkkinen[29]考虑了Dirichlet初边值问题解的爆破与稳定性. Ioku [30]讨论了具有另一类平方指数反应项
但是,关于反应方程组中爆破解的爆破时间界的估计的研究甚少.具有乘幂型反应项的半线性方程组的研究方面, Payne和Song[34]考虑了如下的局部趋化模型
他们在二维和三维空间中得到了具有齐次Neumann边界条件的初边值问题爆破解的爆破时间的下界. Xu和Ye[35]对大初值及某些参数范围内研究了如下弱耦合局部反应-扩散问题
他们在齐次Dirichlet边界条件下得到了爆破解的确切的爆破时间. Payne和Philippin[36]研究了如下具有时变系数局部源项的半线性抛物方程组
在齐次Dirichlet边界条件下,他们得到了初边值问题的解在有限时刻爆破的条件及爆破时间的上界,并在二维和三维空间中得到了爆破时间的下界估计.但是,他们没有考虑高维情形以及时变系数的行为对解的爆破时间下界的影响且与我们的模型(1.1)–(1.4)不同. Tao和Fang[37]讨论了具有时变系数源项的弱耦合局部反应-扩散方程组
关于具有指数反应项的半线性扩散方程组研究方面, Kanel和Kirane[40]研究了如下半线性抛物方程组Neumann初边值问题
其中
在齐次Dirichlet边界条件下,他利用上下解方法和Kaplan方法,对大初始值得到了解的生命跨度估计值. Ghoul和Zaag[42]研究了如下具有指数源项的半线性抛物方程组
他们在齐次Dirichlet边界条件下得到了爆破解的存在性.
综上所述,具有耦合指数反应项的变系数扩散方程组(1.1)–(1.2)齐次Dirichlet初边值问题中解的爆破现象以及爆破时间界的研究还未得到展开.主要难点在于找到变系数
本文的剩余部分结构如下:在第2节中,我们建立问题(1.1)–(1.4)整体解的存在性和非存在性的充分条件.在第3节中,我们得到了爆破时间的上界并证明了解在某些特殊情况下发生无限爆破现象.在第4节中,我们导出了在整体空间
2 整体解的存在性和非存在性
本节中,我们结合伯努利方程技巧和构造上下解方法,得到了大家熟知的问题(1.1)–(1.4)对小的初值解整体存在,对大初值解在有限时刻发生爆破的结果.
我们先引入两个固定边界薄膜振动问题
其中
其中
由
或者
其中
则我们可以得到如下主要结论.
定理2.1 假设变扩散系数
证 我们先证明整体解的存在性.令
及
则直接计算可得
利用常微分方程(2.3)及条件
类似地,我们有
同时,我们易知
于是,由比较原理易知
紧接着,我们证明解的非整体存在性.令
及
则我们直接计算可得问题(2.5)和问题(2.6)的确切解
其中
现在,我们验证
利用常微分方程(2.5)及条件
类似地,我们有
同时,我们易知
由比较原理,我们知
定理2.1证毕.
3 爆破时间$ t^* $ 的上界
本节中,结合伯努利方程技巧和泰勒展开式,我们建立了问题(1.1)–(1.4)解在有限或无限时刻发生爆破的充分条件,并在有限时刻发生爆破的情形中估计了
首先,我们给出Kaplan测度意义下的有限时刻爆破.
定理3.1 假设
其中
若
其中
则问题(1.1)–(1.4)的非负古典解
证 对
对(3.1)式中第二项运用Hölder不等式及条件
类似地,我们有
将(3.2)和(3.3)式代入到(3.1)式,我们导出
我们先寻找函数使得
为了此目的,设
现在,我们证明解
因此,对(3.4)式从
同时,
类似地,我们有
结合(3.6)–(3.8)式,我们导出
注意到
其次,对于固定的正整数
令
其中
利用(3.5)式类似的证明方法,我们有
再令
比较问题(3.10)和(3.11),我们易验证
直接计算问题(3.11)的解,并对
利用定理3.1中
同时,由
定理3.1证毕.
特别地,在某些特殊情况下问题(1.1)–(1.4)解对任意非负初始值发生无限爆破现象.
定理3.2 假设
证 利用类似于定理3.1中方法,我们得到
因为
将(3.14)式代入到(3.13)式,并利用定理3.2中的条件,我们可导出
对(3.15)式从
于是,问题(1.1)–(1.4)的非负古典解
定理3.2证毕.
4 爆破时间的下界
我们利用修正微分不等式技巧,在整体空间上若干个不同测度意义下给出了爆破时间
4.1 $ N\geq3 $ 的情形
由于
定理4.1 假设
(A
(A
定义辅助函数
其中
如果
其中
证 对直接求导并利用(1.1)–(1.3)及Green公式,我们有
对(4.1)式中第二项运用Hölder不等式及Young不等式,我们可得
由
因此,对(4.2)式中第一项运用Hölder不等式及Young不等式,我们有
对(4.3)式中第一项运用Hölder不等式并由条件
现在,对(4.4)式的最后一项,利用高维空间
其中
结合(4.2)–(4.5)式并利用带
其中
其中
将(4.6)和(4.7)式代入(4.1)式整理可得
取
其中
如果
定理4.1证毕.
其次,我们对权函数加适当条件,可得到问题(1.1)–(1.4)爆破解在加权测度意义下爆破时间下界的估计值.
定理4.2 假设
其中
其中
如果
其中
证 对
对(4.11)式的第一项、第三项和第四项,运用Hölder不等式和Young不等式,我们可得
及
其中
利用Hölder不等式估计(4.13)式中第二项,我们有
现在,对(4.15)式的最后一项,利用高维空间
其中
结合(4.13), (4.15)和(4.16)式并利用带
其中
其中
对于充分小的
同时,由
因此,再利用Hölder不等式得到
将(4.20)和(4.21)式代入到(4.19)式,我们导出
其中
如果
定理4.2证毕.
4.2 $ N = 1 $ 的情形
当
我们有如下结论.
定理4.3 假设
其中
如果
其中
证 对
对(4.25)式中第一项运用Hölder不等式及Young不等式,我们可得
由
因此,对(4.26)式中第一项运用Hölder不等式和Young不等式,我们有
将(4.27)代入(4.26)式,我们有
类似地,我们有
将(4.28)和(4.29)代入到(4.25)式,我们导出
其中
如果
定理4.3证毕.
4.3 $ N = 2 $ 的情形
定理4.4 假设
其中
如果
其中
证 对
由加权Poincaré不等式及条件(A
及
其中
类似于定理4.3的证明过程,我们可得
及
将(4.33)–(4.36)式代入到(4.32)式,并由条件(A
其中
如果
定理4.4证毕.
注4.1 本节定理4.1,定理
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