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本文主要考虑Landau—Lifshitz—Maxwell方程的解的存在唯一性、正则性、奇性分析以及有限时刻爆破解的存在性等几个方面.
Landau—Lifshitz方程具有鲜明的物理背景和深刻的物理意义.我们知道磁性是物质的基本性质也是物理学研究的重要内容之一.在居里温度或Neel温度之下,许多介质具有磁化现象,称之为铁磁介质.Landau和Lifshitz于1935年[72]研究铁磁体的磁畴壁运动时首次提出磁化运动方程(即Landau—Lifshitz方程,也称为铁磁链方程),这是研究磁化现象的最有用的工具.就像Navier—Stokes方程在流体力学中一样,Landau—Lifshitz方程在铁磁物质的磁化理论中扮演了极为重要的角色,成为研究的基石.
Landau—Lifshitz方程也具有重要的数学理论研究价值.它与几何分析以及其它著名方程密切相关,比如调和映照及其热流,Schodinger流以及Ginzburg—Landau方程.Landau—Lifshitz方程的部分正则性与调和映照及其热流极为相似.解的奇点集的研究属于偏微分方程的解的奇性分析范畴,它是人们特别关心的问题.同时,也可以用来分析和解析铁磁介质的磁化机理.例如,解的奇性结果可以解析铁磁体在磁化过程中的缺陷,对铁磁体元件的设计具有特别的指导意义.因此,Landau—Lifshitz方程是一个非常有意义而难度极大的研究课题.随着实际的需要以及非线性偏微分方程理论研究的发展,Landau—Lifshitz方程引起了国际上许多物理学家和数学家的关注,并作了大量的研究.
本文共分六章,
第一章介绍相关的物理背景以及数学研究进展。
第二章简单介绍文中要用到的一些基本知识。
第三章研究了一维具有周期初值条件的Landau—Lifshitz—Maxwell方程的整体光滑解的存在唯一性.首先利用差分微分方法证明了逼近问题的局部解的存在性,接着对逼近问题建立整体时间T的估计和关于系数∈的一致先验估计,得到逼近问题的整体存在性,然后令系数∈趋于零得到原问题的整体光滑解的存在性,最后证明了整体光滑解的唯一性.主要有以下的创新点:
(i).在证明一致先验估计时,我们成功地运用了Zhou,Guo和Tan在[119]中首次提出的球面上活动标架的办法,即{Z,Zx,Z×Zx}构成R3的基底.活动标架的应用简化了证明,而Guo和Su在[45]中并没有使用这种办法.同时,我们得到一些不同于[45]的先验估计(见本文该章第3.3节);
(ii).虽然我们使用[119]的球面活动标架法,但是我们的证明更加简化,这体现在,我们同时得到关于整体时间T的估计以及关于粘性系数∈的一致先验估计.同时,我们还需要考虑关于磁场的估计;
(iii).对比[60],我们考虑了交换场,并利用差分微分法利得到局部解的存在性(在[60]中并没考虑交换场).
第四章研究了二维紧致无边黎曼流形上的Landau—Lifshitz—Maxwell方程解的部分正则性。这一章主要证明了该方程存在整体弱解,在去掉至多有限个奇点后该弱解是正则的,也即是得到几乎光滑解(也称为Struwe解).对于二维问题,这个结果是最优的.我们首先利用Leray—Schauder不动点定理证明局部光滑解的存在性;然后建立先验估计;接着证明当初值光滑时几乎光滑解是存在的;最后利用光滑函数逼近一般初值,证明了对于一般初值问题几乎光滑解的存在性.
本章的创新点之一就是利用Leray—Schauder不动点定理证明了局部光滑解的存在性,由于Landau—Lifshitz—Maxwell方程不是强抛物方程组,所以不能采用[38]和[89]中的办法。同时,由于Landau—Lifshitz方程的耦合以及磁场的散度非零,我们也不能直接使用[108][109]中研究Maxwell方程所采用的不动点办法.但我们还是建立了适当的估计(见第4.3节),最后可以应用Leray—Schauder不动点定理.同时,我们去掉了[89]中关于磁场H的最大模以及L2模假设,给出了适当的先验估计。
第五章在第四章的基础上研究了二维紧致无边黎曼流形上Landau—Lifshitz—Maxwell方程长时间行为并作奇性分析.我们得到时间序列{tm),当tm→+∞时,(Z(·,tm),H(·,tm))在某种意义下弱收敛到(Z∞,H∞),并且在去掉至多有限个奇点后这种收敛还是强收敛的,同时(Z∞,H∞)满足带位势的调和映照方程.在奇性分析方面,我们首先证明了在有限奇性时刻会发生Bubble现象(即能量集中现象),在每个奇点处只有有限个Bubble,我们认为,磁场向量并不影响Bubble的产生.其次,我们得到有限时刻的能量恒等式,表明爆破前的能量等于爆破后弱解的能量与产生的Bubble的能量之和.这里,我们采用的方法是Lin—Wang[76]在研究调和映照热流时的办法,主要是通过构造p.S.序列来分析能量集中的过程。
第六章研究三维紧致无边黎曼流形上Landau—Lifshitz—Maxwell方程有限时刻爆破解的存在性.首先我们利用Galerkin方法证明了局部光滑解的存在性;接着建立能量估计以及时间层上单调不等式;然后得到Z的Holder连续模估计;最后利用反证法证明对于适当的初值,Landau—Lifshitz—Maxwell方程存在有限时刻爆破解.这至少给出了爆破解的实例。