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非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程的拉回吸引子的后项紧性

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范红瑞, 王仁海, 李扬荣, 等. 非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程的拉回吸引子的后项紧性[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(3): 95-100. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.03.014
引用本文: 范红瑞, 王仁海, 李扬荣, 等. 非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程的拉回吸引子的后项紧性[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(3): 95-100. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.03.014
Hong-rui FAN, Ren-hai WANG, Yang-rong LI, et al. Backward Compactness of Pullback Attractors for the Non-Autonomous Kuramoto-Sivashinsky Equation[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(3): 95-100. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.03.014
Citation: Hong-rui FAN, Ren-hai WANG, Yang-rong LI, et al. Backward Compactness of Pullback Attractors for the Non-Autonomous Kuramoto-Sivashinsky Equation[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(3): 95-100. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.03.014

非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程的拉回吸引子的后项紧性

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11571283);贵州省教育厅自然科学基金项目(KY[2016]103)
详细信息
    作者简介:

    范红瑞(1992-),男,山西洪洞人,硕士研究生,主要从事无穷维随机动力系统与随机分析的研究 .

    通讯作者: 李扬荣, 博士,教授; 
  • 中图分类号: O211.4

Backward Compactness of Pullback Attractors for the Non-Autonomous Kuramoto-Sivashinsky Equation

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  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-03-10
  • 刊出日期:  2018-03-20

非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程的拉回吸引子的后项紧性

    通讯作者: 李扬荣, 博士,教授; 
    作者简介: 范红瑞(1992-),男,山西洪洞人,硕士研究生,主要从事无穷维随机动力系统与随机分析的研究
  • 1. 西南大学 数学与统计学院,重庆 400715
  • 2. 六盘水师范学院 数学系,贵州 六盘水 553004
基金项目:  国家自然科学基金项目(11571283);贵州省教育厅自然科学基金项目(KY[2016]103)

摘要: 本文运用一个关于后项紧的拉回吸引子的存在性定理,证明了非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程在外力项是后项λ-缓增有限的假设条件下存在一个唯一的后项紧的拉回吸引子.后项一致Gronwa引理是证明相应系统的后项渐进紧性的关键.

English Abstract

  • 由文献[1]知非自治动力系统所产生的拉回吸引子A={A(t)}t$ \mathbb{R}$是一时间依赖的,紧的,不变的和拉回吸引的一个集族,即对∀t$ \mathbb{R}$A(t)是紧的,不变的和拉回吸引的,但这类研究没有体现非自治动力系统关于时间依赖的独特性,因此在本文中我们将研究拉回吸引子在过去的时间内的并(即$ \bigcup\limits_{\mathit{s}\le \mathit{t}}{\mathit{\boldsymbol{A}}\left( \mathit{s} \right)}$)的紧性,我们称之为拉回吸引子A的后项紧性.目前仅有文献[2]对拉回吸引子的后项紧性进行了研究,并且文献[2]已经建立了完善的存在性理论,我们将用这一理论证明非自治项的Kuramoto-Sivashinsky方程有一个唯一的后项紧的拉回吸引子.

  • 定义1  若定义在Banach空间X上的一族映射S(ts):XX,∀ts满足对于任意的trsS(ss)=idxS(ts)=S(tr)S(rs),则称S(·,·)是一个非自治的过程.

    定义2  设A={ A(t)}t$ \mathbb{R}$是Banach空间X中的一个非自治集,若对任意的t$ \mathbb{R}$$ \overline{\bigcup\limits_{\mathit{s}\le \mathit{t}}{\mathit{\boldsymbol{A}}\left( \mathit{s} \right)}}$是紧的,则称AX中是后项紧的.若对任意的t1t2$ \mathbb{R}$,当t1t2时,有A(t1)⊂A(t2),则称A是单调递增的.

    定义3  设S(·,·)和A={ A(t)}t$ \mathbb{R}$分别是定义在Banach空间X上的一个非自治过程和非自治集,若满足:

    (ⅰ) A是后项紧的,即对∀t$ \mathbb{R}$$ \overline{\bigcup\limits_{\mathit{s}\le \mathit{t}}{\mathit{\boldsymbol{A}}\left( \mathit{s} \right)}}$X中是紧的;

    (ⅱ) A是不变的,即S(tτ)A(τ)=A(t),tτ

    (ⅲ) A是拉回吸引的,即对于X中每个有界集D,有

    其中$ \rm{dis}{{\rm{t}}_{\mathit{X}}}\left( \mathit{A}, \mathit{B} \right)=\underset{\mathit{a}\in \mathit{A}\ \mathit{b}\in \mathit{B}}{\mathop{\rm{supinf}}}\, {{\left\| \mathit{a}\rm{-}\mathit{b} \right\|}_{\mathit{X}}}$是Hausdorff-半距离,则称A是一个关于非自治过程S(·,·)的后项紧的拉回吸引子.

    下面我们引用文献[1]中的一个存在性定理:

    定理1  设S(·,·)是定义在Banach空间X上的一个非自治过程.若满足

    (ⅰ) S(·,·)在X上有一个单调递增的有界的闭的吸收集$ \mathscr{K}={{\left\{ \mathscr{K}\left( \mathit{t} \right) \right\}}_{\mathit{t}\in \mathbb{R}}}$

    (ⅱ) S(·,·)是后项渐进紧的:{S(snsn-τn)xn}n=1X的拓扑下有一个收敛子列,这里,t$ \mathbb{R}$sntτn→+∞当n→+∞,xnL2中的有界列;

    S(·,·)有一个后项紧的拉回吸引子A={A(t)}t$ \mathbb{R}$,其中

  • 讨论如下具有初边值条件的非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程的后项紧的动力学行为

    其中,

    对于ν和非自治项g我们有如下假设:

    (F0) $ \mathit{\nu >}\frac{2}{{{\left( \frac{2\rm{ } \pi \rm{ }}{\mathit{l}} \right)}^{2}}}$

    (F1) gLloc2($ \mathbb{R}$L2(Ω));

    (F2)外力项是后项λ-缓增有限的:

    其中

    下面我们给出本文所讨论的函数空间并定义相应的内积与范数,定义

    下面分别定义在LH上的内积与范数:

    由文献[3]可知,由Galevkin逼近法,我们容易证明对于每一个u0Ls$ \mathbb{R}$K-S方程(2)在假设F1下是适定的,即使方程(2)有唯一的解u(·,su0)∈C([s,+∞),L)∩Lloc2([s,+∞),H),因此我们可以定义一个非自治过程S(·,·):LL,即

    本文主要结论.

    定理2  在L中,非自治的Kuramoto-Sivashinsky方程(2)在假设(F0)-(F2)下有一个单调递增的有界的吸收集$ \mathscr{K}={{\left\{ \mathscr{K}\left( \mathit{t} \right) \right\}}_{\mathit{t}\in \mathbb{R}}}$,这里$ \mathscr{K}\left( \mathit{t} \right)$由(12)式给出,且有唯一的后项紧的拉回吸引子A={A(t)}t$ \mathbb{R}$,其中

  • 这一小节将证明前面(4),(5)式中定义的过程S(·,·):LL在假设(F0)-(F2)下有一个增的有界吸收集.

    下面我们先给出在空间L上的一个后项估计.

    引理1  若假设(F0)-(F2)成立,则对于每一个R>0和t$ \mathbb{R}$,存在一个$ {{\mathit{\tau }}_{\rm{1}}}=\frac{\rm{ln}\ \mathit{R}}{\mathit{\alpha }}>0$,使得当ττ1u0N(0,R)⊂L时,有

    其中,$ {{\mathit{C}}_{\rm{0}}}=\rm{min}\left( \frac{\mathit{\nu }}{2}, \frac{\mathit{\nu }}{2}{{\left( \frac{\rm{2 } \pi \rm{ }}{\mathit{L}} \right)}^{4}} \right)$M(t)是一个关于时间t的有限的增函数,

      让方程(2)与uL上作内积并注意到

    于是得到

    由Young不等式可知:

    由Poincare不等式可知

    这里λ1是算子-D2的首特征值,由Young不等式知

    进一步结合文献[3]中的结果λ1= $ {{\left( \frac{\rm{2 } \pi \rm{ }}{\mathit{L}} \right)}^{2}}$

    由假设(F0)可知λ>0且令

    对(10)式在[s-τs](st)上用Gronwall不等式可知

    则当ττ1u0N(0,R)⊂L时有

    这里M(t)由(9)式给出,这个不等式就是我们想要的(7)-(8)式,由假设(F2)知M(t)是一个关于时间t的有限的增函数.证闭.

    由引理1知(4),(5)式中的过程S(·,·):LL在假设(F0)-(F2)下有一个增的有界的吸收集.

    定理3  若假设(F0)-(F2)成立,则(4),(5)式中的过程S(·,·):LLL中有一个增的有界的吸收集$ \mathscr{K}={{\left\{ \mathscr{K}\left( \mathit{t} \right) \right\}}_{\mathit{t}\in \mathbb{R}}}$,这里,

      由假设(F2)知M(t)是一个关于时间t的有限的增函数,于是由引理1知$ \mathscr{K}={{\left\{ \mathscr{K}\left( \mathit{t} \right) \right\}}_{\mathit{t}\in \mathbb{R}}}$是一个增的有界的吸收集.

  • 我们将利用上面引理1的结果(7)-(8)式来得到方程在H空间上的一个后项估计,我们先介绍一个具有非自治形式的后项的一致Gronwa引理,其证明与文献[4]的证明完全类似,因此我们省略了证明.为了计算方便,我们认为c是可能改变的正常数.

    引理2  后项的一致Gronwa引理:若yh1h2是3个正的局部可积的函数,对于每个t$ \mathbb{R}$y′在[s-τs](stτ≥0)上是可积的且它们满足:

    其中r∈[s-τs],stτ≥0则对于σ∈(0,τ),有

    这里,

    引理3  若假设(F0)-(F2)成立,则对于每一个R>0和t$ \mathbb{R}$,存在一个$ {{\mathit{\tau }}_{\rm{1}}}=\frac{\rm{ln}\ \mathit{R}}{\mathit{\alpha }}>0$,使得当ττ1u0N(0,R)⊂L时,有

    其中,

      让方程(2)与D4uL上做内积可知

    类似于文献[3]的做法,由Young不等式和插值不等式知,

    由(14)-(15)式知

    把引理2中的后项一致Gronwa引理(t$ \mathbb{R}$固定,σ=1,τ>2,st)应用到(16)式知

    这里,

    于是当τ≥max(2,τ1)时,由(8)-(9)式有

    于是

    证闭.

    定理4  若假设(F0)-(F2)成立,则(4),(5)式中定义的过程S(·,·):LLL上是后项渐进紧的.

      为了证S(·,·):LLL上是后项渐进紧的,我们只需证明{S(snsn-τn)u0,n}n=1L的拓扑下有一个收敛子列,其中,t$ \mathbb{R}$是固定的,R>0,sntτn→+∞当n→+∞和u0,nN(0,R)⊂L.因为τn→+∞当n→+∞,所以存在一个n0>0使得当nn0时有τn≥max(2,τ1)(τ1在引理1中),于是由引理3知{S(snsn-τn)u0,n}n=n0H中是有界的,由Sobolev紧嵌入HL知{S(snsn-τn)u0,n}n=n0L中是相对紧的.于是{S1(snsn-τn)u0,n}n=n0L的拓扑下有一个收敛子列.证闭.

    本文结论即定理2的证明.

      由定理3和定理4知定理1中的条件满足,于是定理2成立.

参考文献 (4)

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