一類帶有指數反應項的非局部擴散方程的爆破分析

裴海杰, 楊 麗, 杜宛娟

(西華師范大學 數學與信息學院, 四川 南充 637009)

一類帶有指數反應項的非局部擴散方程的爆破分析

裴海杰, 楊 麗, 杜宛娟*

(西華師范大學 數學與信息學院, 四川 南充 637009)

研究一類帶有指數反應項的非局部擴散方程在Neumann邊界條件下解的爆破性質.首先證明解的存在性、唯一性和比較原則,并在適當的條件下,證明解在有限時刻爆破.此外還得到解的爆破速率、爆破集以及對解的生命跨度的估計.

非局部擴散; 爆破; 有限時刻爆破; 爆破集; 爆破速率; 生命跨度

1 預備知識及主要結果

本文主要在Ω×(0,T)內研究如下非局部擴散問題的爆破性質

(1)

其中:奇數m>1,k>0均為參數;J:RN→R是一個非負有界的徑向對稱函數(J(z)=J(-z)),且滿足

Ω為一個有界連通光滑區域;初值u0是非負非平凡的.

近年來,對非局部擴散的研究已經取得諸多成果,參看文獻[1-5].方程

(2)

已被廣泛應用于對非局部擴散過程的描述,例如人口動力學、化學反應、動力系統等.如果將u(x,t)視作種群在點x處t時刻的密度函數,J(x-y)為某種群從y地點遷移到x的概率分布函數,那么(J*u)(x,t)便是這個種群從其他地方遷到x處的速率[6].相應地

便可表示該種群從x地遷到其他地方的速率.如此考慮,在缺乏內源的條件下,將得到密度函數u滿足非局部擴散方程(2)的結論.此外,由于種群在點x處t時刻的擴散不僅依賴于其密度u在(x,t)的值,并且通過卷積項J*u,擴散還與u在x鄰近的值有關,因此方程(2)被稱作非局部擴散方程.此外,方程(2)與經典熱方程ut=△u具有許多相似性質.例如,它們的有界固定解為常數,均滿足最大值原理,甚至在J是緊支的條件下,擾動的傳播速度也是有限的.然而,在一般情況下是不滿足正則性的影響.因此,對這類非局部擴散方程解的性質的研究就顯得格外有意義.

文獻[7]研究了如下的非局部擴散方程

(3)

其中,m>1,p>0,J:RN→R為一個有界非負函數,且滿足

Ω?RN是一個有界光滑連通區域.在非負非平凡初值u0(x)的條件下,文獻[7]得到了解的爆破速率及爆破集.

此外,在Ω區域內還有

定理 1.2 設u和v均是問題(1)的連續解,如果對任意x∈Ω有u0(x)≤v0(x),那么對一切(x,t)∈Ω×(0,∞),都有u(x,t)≤v(x,t)成立.

定理 1.6 (爆破集:一般情況)在一般區域Ω上考慮問題(1),其中k>1,奇數m>1.對于給定點x0∈Ω及ε>0,必存在初值u0(x)使得B(u)?Bε(x0)={x∈Ω:‖x-x0‖<ε}.

2 局部存在性、唯一性及比較原則

定義映射T:Xt0→Xt0為

那么,易得問題(1)的解恰好是以上映射在某個球域內(包含于Xt0)的不動點.

引理 2.1 上述定義的映射T映Xt0→Xt0.令u0和v0為非負函數,且u,v∈Xt0,那么存在正常數C使得

(4)

其中

其中

于是Tu0(u)在t=0處連續.

因此,映射Tu0(u)在任意的t∈(0,t0]處連續.

其中

對變量x積分并使用Fubini定理有

注 2.1 函數u(x,t)是問題(1)的解當且僅當

注 2.2 問題(1)的解對初值的連續依賴性:如果u和v均是問題(1)的連續解,相應地,初值為u0與v0,那么存在常數C,使得對所有t0>0有

定理1.2的證明 假設u0(x)+δ0以及點x0∈Ω,使得u(x0,t0)=v(x0,t0),且對一切(x,t)∈Ω×[0,t0],有u(x,t)≤v(x,t).考察集合E={x∈Ω|u(x,t0)=v(x,t0)}.由x0∈E,所以E≠?.此外E為閉集.令x1∈E,則有

于是對任意y∈Br(x1),有u(y,t0)=v(y,t0),因此E是開集,所以E=Ω,矛盾.

對于連續的u(x,0)和v(x,0),考察遞減的C1函數列un(x,0)和vn(x,0),在L1(Ω)意義下滿足,當n→∞時有:

且un(x,0)≤vn(x,0).

令u(x,0)和v(x,0)分別為初值un(x,0)和vn(x,0)的解,則un(x,0)≤vn(x,0).讓n→∞,結合注2.2和一致收斂定理,便得到定理1.2的結果.

3 爆破與爆破速率

定理1.3的證明 由于

對x在Ω上積分,使用Fubini定理和Jensen不等式得

注意到∫Ωu(x,t)dx不是全局的,u也不可能是全局的.對以上不等式積分便可得到對解的生命跨度估計

由(1)式知

(5)

對不等式(5)在區間(t,T)積分有

(6)

因為u(x,t)爆破,對某個ε>0和一個足夠大的k,存在時刻t0使得對任意t∈(t0,T)有

同樣在區間(t,T)上積分得

(7)

現讓ε→0,結合(6)與(7)式可得

定理1.4證畢.

4 爆破集

下面給出問題(1)解的爆破集的一些結果.

假設u是問題(1)的解且在T處爆破.首先研究在對稱區域上的情形,即定理1.5的證明.為簡化工作,考察一維情況,即Ω=(-L,L),徑向對稱情形可相似處理.

首先證明一個引理：如果初始條件在原點處有唯一最大值,那么對每一個t∈(0,T),問題(1)的解在該點處有唯一最大值成立.

引理 4.1 對任意k,按照定理1.5的假設,則問題(1)的解是對稱的,且滿足ux<0,其中(x,t)∈(0,L]×(0,T).

證明 注意到u(-x,t)也是問題(1)的解,而對稱性則可通過唯一性得到.

設w(x,t)=ux(x,t),那么w(x,t)滿足方程

如果存在點(x0,t0)滿足w(x0,t0)=0,由J′是奇函數以及u的對稱性,易得一個矛盾.引理證畢.

定理1.5的證明 第一步,證明滿足解的生命跨度估計條件的唯一爆破點為x=0.

給定x0>0,設ψ(t)=u(0,t)-u(x0,t)并應用均值定理,得到函數ψ(t)滿足

其中

且ζ∈(0,x0).對該不等式積分可得

(8)

下面利用反證法構造一個矛盾,證明所需結論.

假設

由于

所以

因此存在ε>0,使得當ε→0+有

此外,如果u(0,t)有界,則有

(9)

結合(8)與(9)式可得

于是

矛盾,即證明了所需結論.

第二步,證明唯一可能的爆破點是原點.

考察函數

(10)

則Z(x,s)滿足

由爆破速率可知

因此

(11)

由比較原則知

(12)

故u(x,t)≤C,即u(x,t)有界.定理1.5證畢.

(13)

考慮在x0的鄰域內的u0,且越遠離x0越小.設φ是一個非負光滑函數,且滿足supp(φ)?Bε/2(x0)及φ(x)>0對所有x∈Bε/2(x0)成立.

現在令u0(x)=Nφ(x)+δ.選取足夠大的N與足夠小的δ使之滿足(13)式.讓N足夠大,由定理1.3得

而且T可以任意的小.

再令φ(x,t)=eu(x,t),對爆破速率使用上界可得

且

(14)

這樣,φ(x,t)是下述方程的下解

(15)

(16)

只需證明在δ和T足夠小時,(15)式的解w從t=0(或w(0)=eδ)到t=T均保持有界.為得到這個結論,采用文獻[5]的方法.

且

由于t=0,m是一個大于1的奇數,δ與T都足夠小,得到

于是,對一切s>-lnT,z′(s)<0,且當s→∞,z(s)→-∞,定理得證.

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2010 MSC：35B44; 35B51

(編輯 李德華)

Blow-up Analysis for a Nonlocal Diffusion Equation with an Exponential Reaction Term

PEI Haijie, YANG Li, DU Wanjuan

(CollegeofMathematicsandInformation,ChinaWestNormalUniversity,Nanchong637009,Sichuan)

In this paper, we will mainly investigate the blow-up properties of a nonlocal diffusion equation with an exponential reaction term under Neumann boundary conditions. First, we prove the existence, uniqueness and the validity of a comparison principle of solutions. Then we show that solution blows up in a finite time within some proper conditions. Moreover, we will also study the blow-up rate, blow-up set and obtain the estimate for the life span of solutions.

nonlocal diffusion; blow-up; blow-up in finite time; blow-up rate; blow-up set; life span

2015-05-29

國家自然科學基金(11301419)和四川省教育廳自然科學重點項目(13ZA0010和14ZB0143)

O175.2

A

1001-8395(2017)01-0078-06

10.3969/j.issn.1001-8395.2017.01.013

*通信作者簡介：杜宛娟(1981—),女,副教授,主要從事偏微方程的研究,E-mail:duwanjuan28@163.com