数学物理学报, 2020, 40(5): 1259-1268 doi:

论文

N维外区域中带变系数非线性项的半线性波动方程解的爆破

黄守军,, 王娟,

Blow up of Solutions to Semilinear Wave Equations with Variable Coefficient for Nonlinearity in an N-Dimensional Exterior Domain

Huang Shoujun,, Wang Juan,

通讯作者: 王娟, E-mail: 649644039@qq.com

收稿日期: 2020-01-8  

基金资助: 国家自然科学基金.  11301006
国家自然科学基金.  11871075
安徽省自然科学基金.  1408085MA01

Received: 2020-01-8  

Fund supported: the NSFC.  11301006
the NSFC.  11871075
the NSF of Anhui Province.  1408085MA01

作者简介 About authors

黄守军,E-mail:sjhuang@ahnu.edu.cn , E-mail:sjhuang@ahnu.edu.cn

摘要

该文考虑NN≥2)维外区域中一类具有变系数非线性项的半线性波动方程的外问题,主要研究解的爆破和生命估计.基于文献[19-20]的方法,利用N=2及N≥3时外区域满足Dirichlet边界条件的调和函数以及测试函数方法,求出上述外问题解的生命跨度.特别地,变系数对解的的生命跨度的影响也在文中详细讨论.

关键词: 半线性波动方程 ; 外区域 ; 爆破 ; 生命估计

Abstract

In this paper, we are concerned with the N(N ≥ 2)-dimensional exterior problem for a class of semilinear wave equations with variable coefficient nonlinearity. We mainly consider the blow up and lifespan of the solutions. Base on [19-20], by utilizing the test function and the harmonic functions of N=2 and N ≥ 3 in the exterior domains with Dirichlet boundary condition, we are able to derive the upper bound of lifespan. In particular, the impact of the variable coefficient nonlinearity on the lifespan has been discussed in detail.

Keywords: Semilinear wave equation ; Exterior domain ; Blow up ; Life estimate

PDF (308KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

黄守军, 王娟. N维外区域中带变系数非线性项的半线性波动方程解的爆破. 数学物理学报[J], 2020, 40(5): 1259-1268 doi:

Huang Shoujun, Wang Juan. Blow up of Solutions to Semilinear Wave Equations with Variable Coefficient for Nonlinearity in an N-Dimensional Exterior Domain. Acta Mathematica Scientia[J], 2020, 40(5): 1259-1268 doi:

1 引言

本文考虑如下外区域中具有变系数非线性项的半线性波动方程

$ \begin{equation} \left\{ \begin{array}{ll} &\partial_{t}^2 u(x, t)-\Delta u(x, t) = \langle x\rangle^{-\alpha}|u(x, t)|^{p}, \quad\; \; \; (x, t)\in\Omega\times(0, T), \\ &u(x, t) = 0, \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; (x, t)\in\partial{\Omega}\times (0, T), \\ &u(x, 0) = \varepsilon f(x), \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; x\in\Omega, \\ &\partial_{t}u(x, 0) = \varepsilon g(x), \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; x\in\Omega. \end{array} \right. \end{equation} $

其中$ \Omega = \{x\in{{\Bbb R}} ^{2};|x|>1\}, \varepsilon $为正常数, $ 0<\alpha<2, \langle x\rangle = \sqrt{1+x^{2}} $, $ f(x) $, $ g(x) $为已知光滑函数.

半线性波动方程一直以来都是热点问题. John在文献[1]中第一次提出如下半线性波动方程

$ \begin{equation} \left\{ \begin{array}{ll}&\partial_{t}^2 u(x, t)-\Delta u(x, t) = |u(x, t)|^{p}, \quad (x, t)\in{{\Bbb R}} ^{N}\times(0, T), \\ &u(x, 0) = \varepsilon f(x), \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; x\in{{\Bbb R}} ^{N}, \\ &\partial_{t}u(x, 0) = \varepsilon g(x), \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; x\in{{\Bbb R}} ^{N}. \end{array} \right. \end{equation} $

式中$ \varepsilon $为正常数, $ f(x) $, $ g(x) $是已知光滑函数.其证明了方程(1.2)的临界指数$ p_{c}(3) = 1+\sqrt{2} $,并说明了当$ 1<p<1+\sqrt{2} $时,方程(1.2)的解在有限时间内爆破,当$ p>1+\sqrt{2} $时,存在整体解.接着Glassey [2]得到了当$ N\leq3 $时,以上结论仍然成立.随后, Strauss [3]猜测:当$ 1<p<p_{s}(N) $时,方程(1.2)没有整体解,当$ p>p_{s}(N) $时,方程(1.2)整体解存在,并提出了对于更一般的维数,方程(1.2)存在临界指数$ p_{s}(N) $,且$ p_{s}(N) $

给出.随后不久, Sideris [4]得出了当$ N\geq4 $时,方程(1.2)在$ 1<p<p_{s}(N) $时没有整体解,对于$ N = 4 $的情况, Zhou [5]证实了Strauss猜测. Georgiev, Lindblad和Sogge [6]证明了对于所有维数, Strauss猜测都成立.而对于临界情形$ p = p_{s}(N) $, Schaeffer [7]证明了$ N = 2, 3 $时没有整体解, Yordanov和Zhang [8]及Zhou [9]证明了高维情况没有整体解.

对于半线性波动方程的外区域问题,也有很多研究.在文献[10]中, Sobajima和Wakasa考虑了如下外区域中的半线性波动方程

$ \begin{equation} \left\{ \begin{array}{ll}&\partial_{t}^2 u(x, t)-\Delta u(x, t) = |u(x, t)|^{p}, \quad (x, t)\in\Omega\times(0, T), \\ &u(x, t) = 0, \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; (x, t)\in\partial{\Omega}\times (0, T), \\ &u(x, 0) = \varepsilon f(x), \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; x\in\Omega, \\ &\partial_{t}u(x, 0) = \varepsilon g(x), \quad\; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; x\in\Omega, \end{array} \right. \end{equation} $

其中$ \Omega = {{\Bbb R}} ^{N}\backslash\overline{B(0, 1)} $,其提出并证明了当$ N\geq3 $时,解生命跨度的上界.当$ N = 3, 4 $$ p_{s}(N)<p<\frac{N+3}{N-1} $时,文献[11-12]给出了方程(1.3)解的存在性,当$ N = 3 $$ 2<p<p_{s}(3) $时, Yu [13]得到了方程(1.3)解生命跨度的下界,而对于$ N\geq3 $$ 1<p<p_{s}(N) $这种情况, Zhou和Han在文献[14]中给出并证明了方程(1.3)解生命跨度的上界.对于临界情形$ p = p_{s}(N) $,可参见文献[15-17].

Zhang[18]考虑了如下带变系数非线性项的半线性波动方程

$ \begin{equation} \left\{ \begin{array}{ll}&\partial_{t}^2 u(x, t)-\Delta u(x, t) = \langle x\rangle^{-\alpha}|u(x, t)|^{2}, \quad (x, t)\in{{\Bbb R}} _{+}\times{{\Bbb R}} ^{3}, \\ &u(x, 0) = \varepsilon f(x), \quad\; \; \; \; \partial_{t}u(x, 0) = \varepsilon g(x). \end{array} \right. \end{equation} $

证明了当$ \alpha\in[0, \frac{1}{2}) $$ T_{\varepsilon}\leq A\varepsilon^{-\frac{2}{1-2\alpha}} $,当$ \alpha = \frac{1}{2} $时, $ T_{\varepsilon}\leq\exp(B\varepsilon^{-2}) $,这里$ A, B $是一个与$ \varepsilon $无关的正常数, $ T_{\varepsilon} $是解的最大存在区间.当$ \alpha = 0 $时, $ T_{\varepsilon}\leq A\varepsilon^{-2} $与方程(1.2)的结果相同,由此可见,非线性项中变系数对解的生命跨度有很大的影响,受文献[18]的启发,本文研究外区域中具有变系数非线性项的半线性波动方程(1.1).不同于文献[18],我们将对一般$ N $维外区域中半线性波动方程展开讨论,并着重研究变系数对解生命跨度的影响.本文给出$ N\geq2 $的解生命跨度的上界,证明的主要方法是测试函数法,并利用外区域Dirichlet边界条件的调和函数,该想法来自于Ikeda和Sobajima[19-20].

本文内容安排如下:第2节给出了方程(1.1)解的相关定义,同时给出了本文的主要结果,即$ N = 2 $$ N\geq3 $时解生命跨度;为了证明本文的主要结果,第3节首先引入截断函数,然后给出可以推导解生命跨度上界的主要特性,利用$ N = 2 $$ N\geq3 $时外区域Dirichlet边界条件的调和函数以及测试函数方法[19-20],求出方程(1.1)解生命跨度,从而证明了本文的主要结果.

2 主要结果

定义2.1  我们称$ u $为方程(1.1)的弱解,如果

其中$ u(x, 0) = \varepsilon f(x) $,以及对于每个$ \psi\in C^{2}(\Omega\times[0, T) $且supp$ \psi\subset\subset\overline{\Omega}\times[0, T)) $$ \psi|_{\partial\Omega} = 0 $,

定义2.2  LifeSpan(u)称为初边值问题(1.1)的解的最大存在时间,即

定理2.1  设$ N = 2 $, $ 0<\alpha<2 $, $ 1<p<\infty $.$ u $为方程(1.1)的唯一解,如果$ p\leq2-\frac{\alpha}{2} $, $ g(x)\log|x|\in L^{1}(\Omega) $,且设初值满足

$ \begin{equation} \int_{\Omega}g(x)\log|x|{\rm d}x>0, \end{equation} $

那么$ \mbox{LifeSpan(u)}<\infty $.并且LifeSpan(u)有如下上界

这里$ C $是一个与$ \varepsilon $无关的正常数.

定理2.2  设$ N\geq3 $, $ 0<\alpha<2 $, $ 1<p<\infty $.$ u $为方程(1.1)的唯一解,如果$ p\leq2-\frac{\alpha}{2} $, $ g(x)(1-|x|^{2-N})\in L^{1}(\Omega) $,且设初值满足

$ \begin{equation} \int_{\Omega}g(x)(1-|x|^{2-N}){\rm d}x>0, \end{equation} $

那么$ \mbox{LifeSpan(u)}<\infty $.并且$ \mbox{LifeSpan(u)} $有如下上界

这里$ C $是一个与$ \varepsilon $无关的正常数.

注2.1  由文献[1]可知,当$ N = 3 $时,方程(1.2)生命跨度的上界为

这里$ B $是一个与$ \varepsilon $无关的正常数.由文献[18]可知,方程(1.4)生命跨度的上界为

比较方程(1.2)和(1.4)的结果可发现,方程(1.4)中$ \alpha = 0 $时,生命跨度的上界和方程(1.2)的相同,不同于文献[18],我们将对一般$ N $维外区域中半线性波动方程展开讨论,并着重研究变系数对解生命跨度的影响,且本文$ \alpha $的范围更大.

3 主要结果的证明

选取如下截断函数$ \eta\in C^{2}([0, \infty)) $$ \eta^{*}\in L^{\infty}([0, \infty)) $ (参见文献[19])

定义3.1  对于$ p>1 $, $ R>0 $,我们引入如下测试函数[19]

其中

同时令$ P(R) = \{(x, t)\in\Omega\times[0, \infty):(|x|-1)^{2}+t\leq R\} $.

为了完成本节的证明,需要如下引理.

引理3.1[19]  设维数$ N = 2 $, $ \psi_{R} $$ \psi_{R}^{*} $如定义3.1,那么$ \psi_{R} $满足如下性质

(ⅰ)如果$ (x, t)\in P(\frac{R}{2}) $,那么$ \psi_{R}(x, t) = 1 $;且如果$ (x, t)\notin P(R) $,那么$ \psi_{R}(x, t) = 0 $.

(ⅱ)存在正常数$ C_{1} $使得对每个$ (x, t)\in P(R) $,有

(ⅲ)存在正常数$ C_{2} $使得对每个$ (x, t)\in P(R) $,有

(ⅳ)存在正常数$ C_{3} $使得对每个$ (x, t)\in P(R) $,有

  该引理由Ikeda和Sobajima [19]给出,具体过程可参见文献[19].

下述引理由文献[19]给出,但是论述不够清楚,为了后面讨论方便,我们给出详细的证明.

引理3.2  设维数$ N = 2 $, $ \delta>0 $, $ C_{0}>0 $, $ R_{1}>0 $, $ \theta\geq0 $, $ \kappa\in{{\Bbb R}} $以及对于$ T>R_{1} $, $ 0\leq w\in L_{loc}^{1}([0, T);L^{1}(\Omega)) $.假设对于每个$ R\in[R_{1}, T) $,有

$ \begin{equation} \delta+{\int\!\!\!\int} _{P(R)}w(x, t)\psi_{R}(x, t){\rm d}x{\rm d}t\leq C_{0}R^{-\frac{\theta}{p'}}(\log R)^{\frac{\kappa}{P'}} \bigg({\int\!\!\!\int} _{P(R)}w(x, t)\psi_{R}^{*}(x, t){\rm d}x{\rm d}t\bigg)^{\frac{1}{p}}. \end{equation} $

那么$ T $有如下上界

  令

则由文献[20]的讨论可得

对于$ R\in(R_{1}, T) $,从(3.1)式可以推断

于是

$ \begin{equation} \frac{{\rm d}}{{\rm d}\rho}((\log2)\delta+Z(\rho))^{1-p}\leq-(p-1)(\log2)^{-p}C_{0}^{-p}, \rho\in(0, \rho_{T}). \end{equation} $

对上式在$ [\rho_{1}, \rho_{2}]\subset(0, \rho_{T}) $上积分,有

$ \rho_{2}\uparrow\rho_{T} $$ \rho_{1}\downarrow0 $,有

如果函数$ e^{\theta(p-1)s}s^{-\kappa(p-1)} $在无穷远处是不可积的,那么$ T $必须是有限的.更确切地说,对于较大的$ T $, $ \rho_{T} $的渐近性态分别如下:如果$ \theta>0 $,那么$ \rho_{T}\approx\frac{1}{(p-1)\theta}T^{\theta(p-1)}(\log T)^{-\kappa(p-1)} $;如果$ \theta = 0 $$ \kappa<\frac{1}{p-1} $,那么$ \rho_{T}\approx\frac{1}{1-\kappa(p-1)}(\log T)^{1-\kappa(p-1)} $;如果$ \theta = 0 $$ \kappa = \frac{1}{p-1} $,那么$ \rho_{T}\approx\log\log T $.由此,引理3.2得到证明.

引理3.3  设维数$ N\geq3 $, $ \psi_{R} $$ \psi_{R}^{*} $如定义3.1,那么$ \psi_{R} $满足如下性质

(ⅰ)如果$ (x, t)\in P(\frac{R}{2}) $,那么$ \psi_{R}(x, t) = 1 $;且如果$ (x, t)\notin P(R) $,那么$ \psi_{R}(x, t) = 0 $.

(ⅱ)存在正常数$ C_{4} $使得对每个$ (x, t)\in P(R) $,有

(ⅲ)存在正常数$ C_{5} $使得对每个$ (x, t)\in P(R) $,有

(ⅳ)存在正常数$ C_{6} $使得对每个$ (x, t)\in P(R) $,有

  该引理由Ikeda和Sobajima[19]给出,具体过程可参见文献[19].

引理3.4  设维数$ N\geq3 $, $ \delta>0 $, $ C_{0}>0 $, $ R_{1}>0 $, $ \theta\geq0 $, $ \kappa\in{{\Bbb R}} $以及对于$ T>R_{1} $, $ 0\leq w\in L_{loc}^{1}([0, T);L^{1}(\Omega)) $.假设对于每个$ R\in[R_{1}, T) $,有

$ \begin{equation} \delta+{\int\!\!\!\int}_{P(R)}w(x, t)\psi_{R}(x, t){\rm d}x{\rm d}t\leq C_{0}R^{-\frac{\theta}{p'}} \bigg({\int\!\!\!\int}_{P(R)}w(x, t)\psi_{R}^{*}(x, t){\rm d}x{\rm d}t\bigg)^{\frac{1}{p}}. \end{equation} $

那么$ T $有如下上界

  令

则由文献[20]的结果,可得

对于$ R\in(R_{1}, T) $,从(3.3)式我们可以推断

上式意味着

$ \begin{equation} \frac{{\rm d}}{{\rm d}\rho}((\log2)\delta+Z(\rho))^{1-p}\leq-(p-1)(\log2)^{-p}C_{0}^{-p}, \rho\in(0, \rho_{T}). \end{equation} $

对上式在$ [\rho_{1}, \rho_{2}]\subset(0, \rho_{T}) $上积分,我们有

$ \rho_{2}\uparrow\rho_{T} $$ \rho_{1}\downarrow0 $,可得

如果$ \theta>0 $,即$ (p-1)\theta-1>-1 $,那么有

如果$ \theta = 0 $,即$ (p-1)\theta-1 = -1 $,那么有

于是,引理3.4得到证明.

本节我们将给出本文主要结果定理2.1和定理2.2的证明.

定理2.1的证明  当$ N = 2 $时,由定义2.1可知,对每个supp$ \psi\subset\subset\bar{\Omega}\times[0, T) $$ \psi|_{\partial\Omega} $$ \psi\in C^{2}(\bar{\Omega}\times[0, T)) $,有

$ \psi = \Phi(x)\psi_{R}(x, t) $,其中$ \Phi(x) = \log|x| $,由引理3.1有

其中$ C_{7} = 2C_{2}+C_{3}+\frac{C_{1}}{R_{0}} $.从而有

由假设(2.1)式,当$ R\rightarrow+\infty $时,有

所以存在$ R_{0} $,使得当$ R\geq R_{0} $时, $ \int_{\Omega}g(x)\log|x|{\rm d}x\geq c_{0} $,从而有

于是

$ w = |u(t)|^{p}\frac{1}{(1+x^{2})^{\frac{\alpha}{2}}}\Phi $,则由引理3.2可得定理2.1.证毕.

定理2.2的证明  当$ N\geq3 $时,由定义2.1,对每个有supp$ \psi\subset\subset\bar{\Omega}\times[0, T) $$ \psi|_{\partial\Omega} $$ \psi\in C^{2}(\bar{\Omega}\times[0, T)) $,我们有

$ \psi = \Phi(x)\psi_{R}(x, t) $,其中$ \Phi(x) = 1-|x|^{2-N} $,由引理3.3可得

其中$ C_{9} = 2C_{5}+C_{6}+\frac{C_{4}}{R_{1}} $.从而有

由假设(2.2)式,当$ R\rightarrow+\infty $时,有

所以存在$ R_{1} $,使得当$ R\geq R_{1} $时, $ \int_{\Omega}g(x)\log|x|{\rm d}x\geq c_{1} $,从而有

于是

$ w = |u(t)|^{p}\frac{1}{(1+x^{2})^{\frac{\alpha}{2}}}\Phi $,则由引理3.4可得定理2.2.证毕.

参考文献

Fritz J .

Blow-up of solutions of nonlinear wave equations in three space dimensions

Manuscripta Math, 1979, 28, 235- 268

DOI:10.1007/BF01647974      [本文引用: 2]

Glassey R T .

Finite-time blow-up for solutions of nonlinear wave equations

Math Z, 1981, 177, 323- 340

DOI:10.1007/BF01162066      [本文引用: 1]

Strauss W A .

Nonlinear scattering theory at low energy

J Funct Anal, 1981, 41, 110- 133

DOI:10.1016/0022-1236(81)90063-X      [本文引用: 1]

Sideris T C .

Nonexistence of global solutions to semilinear wave equations in high dimensions

J Differential Equations, 1984, 52, 378- 406

DOI:10.1016/0022-0396(84)90169-4      [本文引用: 1]

Zhou Y .

Cauchy problem for semilinear wave equations in four space dimensions with small initial data

J Partial Differential Equations, 1995, 8, 135- 144

URL     [本文引用: 1]

Georgiev V , Lindblad H , Sogge C D .

Weighted Strichartz estimates and global existence for semilinear wave equations

Amer J Math, 1997, 119, 1291- 1319

DOI:10.1353/ajm.1997.0038      [本文引用: 1]

Shaeffer J .

The equation $u_{tt}-\Delta u=|u|^{p}$ for the critical value of p

Proc Roy Soc Edinburgh Sect A, 1985, 101, 31- 44

DOI:10.1017/S0308210500026135      [本文引用: 1]

Yordanov B T , Zhang Q S .

Finite time blow up for critical wave equations in high dimensions

J Funct Anal, 2006, 231, 361- 374

DOI:10.1016/j.jfa.2005.03.012      [本文引用: 1]

Zhou Y .

Blow up of solutions to semilinear wave equations with critical exponent in high diensions

Chin Ann Math Ser B, 2007, 28, 205- 212

DOI:10.1007/s11401-005-0205-x      [本文引用: 1]

Sobajima M, Wakasa K. Finite time blowup of solutions to semilinear wave equation in an exterior domain. 2018, arXiv: 1812.09128

[本文引用: 1]

Du Y , Metcalfe J , Sogge C D , Zhou Y .

Concerning the Strauss conjecture and almost global existence for nonlinear Dirichlet-wave equations in 4-dimensions

Comm Partial Differential Equations, 2008, 33 (79): 1487- 1506

URL     [本文引用: 1]

Hidanoidano K , Metcalfe J , Smith H F , et al.

On abstract Strichartz estimates and the Strauss conjecture for nontrapping obstacles

Trans Amer Math Soc, 2010, 362, 2789- 2809

[本文引用: 1]

Yu X .

Generalized Strichartz estimates on perturbed wave equation and applications on Strauss conjecture

Differential Integral Equations, 2011, 24, 443- 468

URL     [本文引用: 1]

Zhou Y , Han W .

Blow-up for solutions to semilinear wave equations with variable coefficients and boundary

J Math Anal Appl, 2011, 374, 585- 601

DOI:10.1016/j.jmaa.2010.08.052      [本文引用: 1]

Zha D , Zhou Y .

Lifespan of classical solutions to quasilinear wave equations outside of a star-shaped obstacle in four space dimensions

J Math Pures Appl, 2015, 103 (9): 788- 808

URL     [本文引用: 1]

Lai N A , Zhou Y .

Finite time blow up to critical semilinear wave equation outside the ball in 3D

Nonlinear Anal, 2015, 125, 550- 560

DOI:10.1016/j.na.2015.06.007     

Lai N A , Zhou Y .

Nonexistence of global solutions to critical semilinear wave equationn in exterior domain in high dimensions

Nonlinear Anal, 2016, 143, 89- 104

DOI:10.1016/j.na.2016.05.010      [本文引用: 1]

Zhang Q D .

Global existence and finite time blow up for the weighted semilinear wave equation

Nonlinear Analysis: Real World Applications, 2020, 51, 103006

DOI:10.1016/j.nonrwa.2019.103006      [本文引用: 5]

Ikeda M , Sobajima M .

Remark on upper bound for lifespan of solutions to evolution equations in a two-dimensional exterior domain

J Math Anal Appl, 2019, 470 (1): 318- 326

URL     [本文引用: 12]

Ikeda M, Sobajima M. Upper bound for lifespan of solutions to certain semilinear parabolic, dispersive and hyperbolic equations via a unified test function method. 2017, arXiv: 1710.06780

[本文引用: 6]

/