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本文研究如下带有分数拉普拉斯算子的抛物方程:
其中Ω⊂
$ \mathbb{R}$ N(N≥1)是一个任意有界的开集,0<s<1,其中2*定义见文献[1]. (-Δ)2s是分数拉普拉斯算子,其定义如下:
其中
是标准化的常数,Γ是通常的Gamma函数.
分数次Sobolev空间[2-3].设Ω⊂
$\mathbb{R} $ N是一个任意开子集,对于s∈(0,1),我们定义其范数定义为
对一个任意开集Ω⊂
$\mathbb{R} $ N,我们令显然W0s,2(
$\overline{\Omega } $ )是Ws,2(Ω)的子空间,且通过简单计算可知W0s,2($\overline{\Omega } $ )存在等价范数$\left| \left\| \cdot \right\| \right| $ ,其定义为由文献[4]知存在一个常数C>0使得对任意u∈W0s,2(Ω)有
特别地,如果Ω是有界的,则(4)式对任意的q∈[1,2*]成立.
初始值u0(x)∈W0s,2(
$\overline{\Omega } $ ),W0s,2($\overline{\Omega } $ )是分数次Sobolev空间,其范数定义为近期,关于分数拉普拉斯算子的抛物方程被广泛研究[5-14].在文献[2]中,作者研究了对于问题(1)的弱解(u0∈L2(Ω))和强解(u0∈L∞(Ω))的存在条件.此外,作者还研究了解的动力学行为,如有限维全局吸引子的存在性,平衡态解的全局稳定性等.文献[3]利用势井法研究了问题(1),并在假设初始能量J(u0)<E0的条件下得到了解的爆破条件,其中,J定义为
这里C>0是由(4)式给出的Sobolev常数.
本文将继续研究问题(1)解的爆破条件.为了介绍本文的主要结果,首先介绍文献[2]中的一些定义和结论:
本文的主要结论是如下定理,该定理揭示了问题(1)的解在任意初始能量下都可能发生爆破.
定理1 设q∈(2,2*]且初始值u0∈W0s,2(
$\overline{\Omega } $ )满足:其中C>0是(4)式给出的Sobolev常数,则问题(1)的解u(t)在有限时间Tmax爆破且
我们将通过下面引理1来证明定理1.引理1的证明可参见文献[15].
引理1 若F(t)∈C2[0,T)是一个非负函数且满足
其中0<T≤+∞,r是一个正常数.如果F(0)>0和F′(0)>0,则有
且当t→T时,F(t)→+∞.
定理1的证明 定理的证明分为解的爆破及爆破时间的上界估计两个步骤.
第一步(解的爆破)若u(t)是问题(1)的初始值满足不等式(8)的解.如果存在时间t0使得J(u(t0))≤0,则由文献[3]的结论可知解在有限时间内爆破.因此在下面的证明中我们始终假设J(u(t))≥0.我们用反证法来证明定理,假设u(t)全局存在,定义函数
根据(7)式、不等式(4)和Hölder不等式以及J(u(t))≥0有
以及
于是由Gronwall不等式可知
另一方面,由(7)式、Hölder不等式以及J(u(t))≥0可得
根据不等式(9),(10),我们可以得到
当t足够大时,上述不等式不可能成立,故矛盾.因此u(t)在有限时间Tmax内爆破.
第二步(爆破时间的上界) 我们先证明I(u(t))<0,t∈[0,Tmax).我们知道
如果I(u(t))<0,t∈[0,Tmax)不成立,则存在t0∈[0,Tmax),使得I(u(t0))=0和I(u(t))<0,t∈[0,t0).根据(7)式知‖u(t)‖22在t∈[0,t0]是单调递增的,则有
根据J(u(t))的单调递减性、(4)式和Hölder不等式有
与(11)式矛盾,故I(u(t))<0,t∈[0,Tmax).
下面我将利用引理1估计Tmax的上界.取
并构建一个新函数
由(7)式和
$ \left\| u\left( t \right) \right\|_{2}^{2}$ 在t∈[0,Tmax)上的严格单调递增性有取
根据Hölder不等式有
于是由引理1可得
Blow-up of the Solutions to a Parabolic Equation with Fractional Laplace Operator at the Arbitrary Initial Energy Level
- Received Date: 18/12/2017
- Available Online: 01/05/2020
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Key words:
- fractional Laplace operator /
- blow-up /
- blow-up time
Abstract: In this paper, we consider a parabolic equation with the fraction Laplace operator. We prove that there exist blow-up solutions with arbitrary initial energy, and then we estimate the upper bound of the blow-up time.
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