一阶格点系统的不变测度与Liouville型方程
Invariant Measures and Liouville Type Equation for First-Order Lattice System
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收稿日期: 2019-03-7
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Received: 2019-03-7
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该文讨论一阶格点系统的解在相空间中的概率分布问题.作者先证明该格点系统的解算子生成的过程存在拉回吸引子,然后证明拉回吸引子上存在唯一的Borel不变概率测度,且该不变测度满足Liouville型方程.
关键词:
This article discusses the probability distribution of solutions in the phase space for the first-order lattice system. The authors first prove the the process generated by the solutions operator of the lattice system possesses a pullback attractor. Then they prove that there is a unique family of invariant probability measures contained in pullback attractor and the measures satisfy a Liouville type equation.
Keywords:
本文引用格式
李永军, 桑燕苗, 赵才地.
Li Yongjun, Sang Yanmiao, Zhao Caidi.
1 引言
本文讨论下面的一阶格点系统
其中
方程(1.1)可以看作是下面反应扩散方程在
迄今关于格点动力系统的动力学的研究已有很多工作.例如文献[13-14]研究了一阶和二阶耗散格点动力系统整体吸引子的存在性和上半连续性;文献[15-18]研究了非自治格点动力系统存在紧致核截面与一致吸引子的充要条件,以及核截面与一致吸引子的上半连续性和熵的估计,并将理论应用于具体的格点数学物理方程;文献[19]研究了一阶时滞格点系统吸引子的存在性;文献[20-22]研究了随机格点动力系统的随机吸引子;文献[23-25]讨论了格点动力系统指数吸引子与一致指数吸引子的存在性问题.值得指出的是,文献[26]证明了一般非自治格点系统存在拉回吸引子的充要条件,并研究了格点Klein-Gordon-Schrödinger方程组不变测度的存在性.
本文的初衷是研究一般一阶格点系统(1.1)的不变测度的存在性.不变测度的研究来源于统计物理,对于人们理解湍流的运动规律很有帮助[27],其主要原因是湍流的几个主要物理量(如速度,动能)关于时间平均后表现出很强的规律.如今已有若干文献研究了耗散系统的不变测度和统计解,例如文献[28]研究了耗散系统稳态统计解的上半连续性;文献[29]应用广义Banach极限构造了一般度量空间上的连续动力系统的不变测度;后来,文献[30]改进了文献[28-29]的结果,给出了一类广泛的耗散半群的不变测度和统计解的构造方法.最近,文献[31]把文献[30]的结果推广到非自治耗散系统,证明了完备的度量空间
证得了拉回吸引子上不变测度的存在性之后,本文的第二个目的是证明该不变测度满足Liouville型方程. Liouville方程及其相应的Liouville定理是统计物理中的重要结果.粗略地讲,它是指在哈密顿动力学演化下的点集在相空间中的分布可以随时间演化而变形,但该点集的测度(或相体积)是守恒的(见文献[36, p113]).本文将证明一阶格点系统(1.1)的不变测度也满足Liouville型方程和Liouville定理的结论.
2 解的存在唯一性与拉回吸引子
为把问题(1.1)–(1.2)写成一阶常微分方程的初值问题,我们在空间
则
简单计算可得
我们记
为保证以上初值问题解的存在唯一性和有界性,我们假设函数
引理2.1 设条件
(1)对每个
其中
(2)上述对应于
证 (1)注意到
其中
其中
(2)用
因为
所以
由上式和Gronwall不等式即得(2.5)式.证明完毕.
引理2.1表明若条件(H)成立,则对每个
从而问题(2.1)–(2.2)的解算子
在
记
显然,
引理2.2 设条件
证 记
则由(2.5)式知结论成立.
由条件(H)知,对每个给定的时间
引理2.3 设条件
证 选取适当光滑函数
考虑任意的
经过计算和估计,有
其中(2.13)式中的
现对任意的
把(2.17)式代入(2.16)式有
对上式应用Gronwall不等式,得
由(2.3)式知对上述
再由(2.8)式知对上述
从(2.18)–(2.20)式即推得(2.9)式.证明完毕.
应用文献[26,定理2.1]和上面证得的引理2.2、引理2.3,我们得到本节的主要结果如下.
定理2.1 假设条件
(1)紧性:
(2)不变性:
(3)拉回吸引性:
3 不变测度与Liouville型方程
本节我们先证明过程
先介绍广义Banach极限的概念.
定义3.1[27] 记
(ⅰ)对任何
(ⅱ)如果通常意义下的极限
则称
注3.1 我们讨论"拉回"吸引子时需要考虑初始时间
引理3.1 设条件
证 考虑给定的
由条件(H)知(3.2)式的右端的上界与
任取
则
用
而由微分中值定理知存在常数
对任意
记
则由(3.5)式得
对上式用Gronwall不等式且注意到
也即是
由(2.7)式知当
结合文献[31,定理3.1、定理4.1]和本文证得的定理2.1和引理3.1,我们得到下面结果.
定理3.1 设条件
其中
下面证明定理3.1中的不变Borel测度
设
(1)对任意
(2)映射
我们把满足上述条件(1)–(2)的全体函数的集合记作
对于一般Banach空间中的试验函数类的定义和常见选取方法可以参考文献[27, p178,定义1.2].
定理3.2 设条件
证 为简洁起见,我们取
设
对任意
因为测度
由(3.6)和(3.7)式知积分
与
因此
同时,经过简单变换和计算我们也有
结合(3.13)–(3.16)式并应用Fubini定理,就有
再由
(3.18)式的右端与
证明完毕.
据定理3.2,我们易得下面推论.
推论3.1 设条件
在统计物理中,满足
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