带真空无磁扩散不可压磁流体方程柯西问题的局部适定性
Local well-Posedness for the Cauchy Problem of 2D Nonhomogeneous Incompressible and Non-Resistive MHD Equations with Vacuum
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收稿日期: 2019-12-12
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Received: 2019-12-12
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In this paper, we investigate the Cauchy problem of the nonhomogeneous incompressible and non-resistive MHD on
Keywords:
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陈明涛, 苏文火, 臧爱彬.
Chen Mingtao, Su Wenhuo, Zang Aibin.
1 引言
二维空间中, 非齐次不可压缩流体的运动可以由如下方程组描述
这里
该文主要考虑当磁场强度随着流体运动而变化, 而非简单的往外扩散, 且流体具有非常强导电性的MHD方程组, 称为无磁扩散MHD方程组
初值条件为
在弱意义下, 满足如下的远场条件
事实上, 对方程(1.2)同样有很多的结论, 当密度
当密度
定理1.1 设
令
则存在
以及对适当的常数
进一步, 若初值
定理1.2 除了方程(1.6)的初值假设外, 进一步假设初值满足
其中
则方程组存在唯一的局部强解
定理1.3 假设初值
讨论零磁扩散磁流体方程组主要有如下难点:首先对于定理1.1和定理1.2, 在全空间情形没有紧致性,
该文后面的内容作如下安排:第2部分中, 给出了证明过程中会用到的基本引理和不等式; 第3, 4部分, 分别给出了局部强解和经典解存在性所需要的先验估计; 定理1.1–1.3的证明则由第5部分给出.
2 预备知识
引理2.1 令
则存在一个适当小的
在
这里
引理2.2 若
其中
考虑如下的Stokes系统
则对上述的Stokes系统有
引理2.3 设
这里
另外, 关于有界均振空间(
引理2.4 存在常数
● 对任意的
● 对任意的
3 先验估计(Ⅰ)
从这部分开始, 将给出一些证明局部适定性的先验估计.对任意的
设
该部分的目的是得到关于
命题3.1 当
若
成立, 其中
引理3.1 令
证 通过对方程进行基本能量估计可得
取具有紧支集的光滑函数
则由(3.1)式, (3.5)式和
对不等式(3.7)在
取
这里
接下来, 对方程(2.2)
由Gagliardo-Nirenberg不等式以及
结合(3.10)式, 对
关于
上式第二, 四项可以得到
上式三, 五项, 由Hölder不等式以及Young不等式可以得到
把上面两部分的估计代入等式(3.14), 得到
结合(3.13)和(3.15)式, 有
因此, 只需估计(3.16)式右端最后一项即可.从而设不等式(2.7)的右边所有项
结合不等式(3.17), (3.12)和(3.13), 可得
将估计(3.18)代入(3.16)式, 对得到的不等式在
而对于
至于(3.19)式右端第二项的估计, 对(2.2)
并
把(3.20)式代入(3.19)式, 再结合(3.5)式, 即可得(3.4)式.证毕.
引理3.2 设
证 对方程(2.2)
对上式两端乘以
和引理3.1一样, 下面对上式右端进行逐项估.首先根据(3.1), (3.5), (3.9), (3.10)和(3.12)式, 对任意的
对于(3.23)式右端第二项的剩下部分, 利用Hölder不等式, (3.10)式以及(3.12)式可得
同样地, 利用Hölder不等式以及(3.9)式可得
最后, 借助(2.2)
对上述所有估计进行汇总, 并令
因此, 利用Gronwall不等式就可以得到(3.21).证毕.
引理3.3 在引理3.1中
证 对方程(2.2)
这表明
至于
令
由(3.31)式的估计以及Gagliardo-Nirenberg不等式, 上述等式容易得到
对
结合(3.33)和(3.34)式, 有
对于
把(3.36)式代入(3.35)式, 再利用Gronwall不等式可以得到(3.29)式.证毕.
有了引理3.1–3.3的估计之后, 可以直接给出命题3.1的证明.
令
4 先验估计(Ⅱ)
在这部分的先验估计中, 一般常数
首先, 有下列估计成立
引理4.1 存在常数
证 由兼容性条件(1.10), (2.1)和方程(2.2)
结合上式和(3.3)式以及(3.18)式可以推出
另一方面, 结合(3.3)式, (3.31)式以及(4.3)式, 对
而对
对
下面定义
其中
和
因此, 通过能量方法可以得到
在第二个和第三个不等式用到了(4.4)式和(4.7)式.类似的, 可以从(4.8)式得到
结合(4.10)和(4.11)式, 有
至于
上面最后一个不等式用了估计(3.3), (4.3), (4.4), (4.6)以及如下估计
把(4.13)式代入(4.12)式, 可知
最后通过(3.3), (4.2)和(4.14)式, 以及Gronwall不等式, 可得(4.1)式.引理4.1证毕.
关于
引理4.2 存在常数
证 对(3.22)式两端乘以
下面对(4.16)式进行逐项估计.对于
对于
上式右端不含
同样不难得到下面估计
从(4.4)式容易得到
由(4.3), (4.4)及(4.6)式, 对于(4.18)式右端的第五项
同样地, 有
把上述估计(4.19)–(4.23)代入(4.18)式, 可以得到
对于
上式最后一个不等式用到了估计(4.1), (4.3), (4.4), (4.6), (4.7)以及下面事实
令
把(4.17)式和(4.24)–(4.25)式代入(4.16)式, 取
通过(4.2)–(4.5)式, 有
因此
为了完成证明, 下面只需给出(4.27)式右边第一项
由引理2.3, (4.1)– (4.7)式以及(4.26)式, 利用Gagliardo-Nirenberg不等式可知
把(4.29)式代入(4.27)式, 取
对方程(4.30)两端乘以
因此, (4.15)式成立, 引理4.2得证.
关于密度和磁场有如下的高阶估计.
引理4.3 存在常数
证 对方程(4.8)和(4.9)两端分别用微分算子
根据(2.7)式, 方程(4.32)右边的最后一项可以做如下估计
上述估计还用到了(3.3), (4.3), (4.4), (4.6)以及(4.7)式.
另一方面, 由(4.15)式
把(4.33)式代入(4.32)式, 利用Gronwall不等式可得(4.31), (3.3), (4.2)以及(4.34)式.引理4.3得证.
关于速度的三阶导数, 以及
引理4.4 对常数
证 如果有下面估计成立
则不难得到(4.35)式的证明.事实上, 结合上式与不等式(2.5), (4.15)以及(4.29)可得
进一步, 根据(4.13), (4.31), (4.33)和(4.34)式有
最后, 结合(3.3), (4.1)和(4.31)式, 不难得到
因此, 从(4.36)–(4.39)式可得不等式(4.35).
下面只需证明(4.36)式成立即可.首先对方程(3.22)关于
方程两边乘以
下面只需对方程(4.40)右端每一项进行估计即可.对于
对于
上述估计用到了(2.6), (3.9)以及(4.5)式.除此之外, 还有用到了如下事实
其中
根据(3.9), (4.3), (4.4)以及(4.43)式可以得到
由柯西不等式以及(3.9), (4.5)和(4.6)式, 对
利用Gagliardo-Nirenberg不等式和(4.3)式可以得到
对于
对于上式最后一个不等号, 这里用到了下面估计
该不等式在条件(4.1), (4.3), (4.4)和(4.7)下是成立的.有了上述不等式做准备之后, 关于
把
5 主要结论的证明
有了第3部分, 第4部分的一系列先验估计, 下面可以证明该文的主要结论, 即定理1.1, 定理1.2和定理1.3.首先, 给出定理1.1的证明.
定理1.1的证明 设
这意味着存在
令
取
因为
接下来考虑下面Stokes系统的光滑解
这里
因此, 由引理2.1, 初值为
以及
接下来, 对
另外, 由(3.3)以及(3.31)式有
以及对任意的
同时, 根据(3.3)和(3.21)式可以推出
结合估计(5.7)–(5.12),
和
最后, 令
定理1.2的证明 设
则存在
另一方面, 取
接下来, 考虑Stokes问题的光滑解
对(5.23)式两边乘以
可推出
这里常数
把
结合上述估计以及(5.21)和(5.24)式可知存在子列
容易验证
因此, 由(1.9)式可知
另一方面, 由(5.23)式可知
结合(5.26)式有
因此, 由(5.26)和(5.27)式表明
和(5.28)式类似, 容易得到
最后, 由引理2.1, 初边值问题(2.2)在
定理1.3的证明 下面给出定理1.3的证明, 采用反证法.设
对任意的
首先, 由于(3.5)式成立, 就有如下引理.
引理5.1 设
证 对(1.1)
对其每一项可以做估计, 由分部积分以及Gagliardo-Nirenberg不等式有
对于第二项, 由有界均振空间与哈代空间的对偶性可知
上式第二个不等号用到了(2.8)和(2.9)式.
第三项关于磁场的估计, 由假设(5.29)有
最后一项, 利用方程(1.1)
把上述(5.32)–(5.35)式的估计代入(5.31)式, 由(5.29)式可以推出
结合(3.5)和(5.29)式可知(5.30)式成立.引理5.1证毕.
引理5.2 假设(5.29)式成立, 对
证 把算子
下面对(5.38)右端的每一项进行分别估计.首先, 由文献[29, Lemma 3.3], 有
根据方程(1.1)
类似的
把估计(5.39)–(5.41)代入(5.38)式, 则有
上述估计用到了(2.7)式以及嵌入不等式.
下面对方程(1.1)
结合(5.42)和(5.43)式, 由(5.29), (5.30)和(2.7)式, 以及
可得(5.37)式.引理5.2得证.
同文献[6, Lemma 5.3]同样的推导, 有如下引理.
引理5.3 设(5.29)式成立, 对任意的
最后, 由(5.30), (5.37)以及(5.44)式的一系列先验估计, 可以得到引理4.1–4.4的高阶估计, 这些高阶估计说明局部解就是经典解.
引理5.4 设(5.29)式成立, 对任意的
有了上述一系列的估计, 定理1.3就可以得到证明.事实上, 在引理5.1–5.4的估计下, 可以得到函数
满足所有(1.5)和(1.8)式中出现的条件.则由定理1.2可以把经典解延拓到
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