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本文考察如下发展型p-Laplace方程组的正解:
{ut=div(|(△)u|p-2(△)u)+f(u,v),(x,t)∈Ω×(0,T),(1.1)vt=div(|(△)v|p-2(△)v)+g(u,v),(x,t)∈Ω×(0,T),
其中Ω为Rn中具有光滑边界的有界区域,f(u,v)和g(u,v)为非负的连续函数,对每个变量不减,p>2.边界条件为:
{()u/()η=h(u,v),(x,t)∈()Ω(0,T),(1.2)()u/()η=s(u,v),(x,t)∈()Ω×(0,T),
其中h(u,v)、s(u,v)是正的C1函数,对每个变量不减.初值条件为:{u(x,0)=u0(x),x∈Ω,v(x,0)=v0(x),x∈Ω.(1.3)
其中u0(x),u0(x)在(Ω)上为正的连续函数.
我们通过讨论常微分方程组的初值问题来研究问题(1.1)-(1.3)正解的性质,相应的常微分方程组为
ψ′(σ)=h(ψ(σ),ψ(σ)),σ∈R,ψ′(σ)=s(ψ(σ),ω(σ)),σ∈R,ψ(0)=ψ0,ψ(0)=ψ0.(1.4)
其中ψ0,ψ0是适当选取的非负常数.
这一类具有非线性边界条件的发展型p-Laplace方程组初边值问题在化学,物理,生物,经济等领域具有广泛应用.
本文运用上下解方法,通过构造上下解,将该类发展型p-Laplace方程组(1.1)-(1.3)的解与相应的常微分方程组(1.4)的解关联起来,在有界区域的情形下,我们得到了如下正解的全局有限性及有限时间爆破性结果.
定理1.如果(1.4)的每个正解爆破,那么(1.1)-(1.3)的每个正解爆破.
假定(1.4)有全局正解,并假定F(σ)/ψ′(σ),G(σ)/ψ′(σ)财时单调递增或者递减,F和G定义为
F(σ)=(ψ′(σ))p-2ψ″(σ)+(ψ′(σ))p-1+f(ψ(σ),ψ(σ)),σ∈R,G(σ)=(ψ′(σ))p-2ψ″(σ)+(ψ′(σ))p-1+g(ψ(σ),ψ(σ)),σ∈R.@那么在上述假设下,我们得出
定理2.如果
∫∞1/min{F(σ)/ψ′(σ),G(σ)/ψ′(σ)}dσ<∞,那么(1.1)-(1.3)的解在有限时刻爆破.
定理3.如果
∫∞1/min{F(σ)/ψ′(σ),G(σ)/ψ′(σ)}dσ=+∞,那么(1.1)-(1.3)的解全局有限.
以上结果的证明依赖于上下解方法.这种方法是建立在比较原理上的,为了证明问题(1.1)-(1.3)的比较原理,我们首先证明如下线性边界条件下的p-Laplace方程的弱比较原理,Hopf边界点比较原理和强比较原理.
令QT=Ω×(0,T),()pQT=((Ω)×{0})∪(()Ω×(0,T]),(Q)T=(Ω)×[0,T],若u,v∈C2(Ω,(0,T]),且有ut-△pu≥vt-△pv,(x,t)∈QT.(2.7)
那么如下引理成立:
引理2.1(弱比较原理)若在()pQT上有u≥v,那么在QT上有u≥v.
引理2.2(Hopf比较原理)在QT上有u>v,对某些P(x0,t0)∈()Ω×(0,T]有u(x0,t0)=v(x0,t0)且在QT上有|(△)u|>0,那么()u/()η(x0,t0)<()u/()η(x0,t0).
引理2.3(强比较原理)若在QT上有u≥v,()pQT上有u≠v,那么在QT上有u>v.
我们在本文中分别给出上下解得定义,随后用上述引理推广证明了具有非线性边界条件的发展型p-Laplace方程组的比较原理,结果为:
引理2.4如果问题(1.1)-(1.3)的ε-上解((u),(v))满足(u)0(x)>u0(x),(v)0(x)>(v)0(x),x∈Ω,那么(u)(x,t)>u(x,t),(v)(x,t)>v(x,t),(x,t)∈Ω×(0,T).
引理2.5如果问题(1.1)-(1.3)的ε-下解((u),(v))满足(u)0(x)<u0(x),(v)0(x)<v0(x),x∈Ω,那么(u)(x,t)>u(x,t),(v)(x,t)>v(x,t),(x,t)∈Ω×(0,T).
在此基础上,我们利用常微分方程组(1.4)的解构造问题(1.1)-(1.3)的下解:
令{w(x,t)=ψ(α(x)+β(t)),(x,t)∈Ω×(0,T),z(x,t)=ψ(α(x)+β(t)),(x,t)∈Ω×(0,T).
其中(ψ,ψ)是常微分方程组(1.4)的解.取β(t)=κt,α(x)=δ||x-x0||2(x0(∈)(Ω)).经过计算,我们可以选取适当的δ,κ,ψ0,ψ0使得(w,z)为(1.1)-(1.3)的ε-下解,再通过上述比较原理及定理1的条件证明了前面的定理1.
类似定理1的证明,取
α(x)=δ||x-x0||2(x0(∈)(Ω))β′(t)=min{CF(β(t))/ψ′(β(t))-ε1,CG(β(t))/ψ′(β(t)),-ε2,我们能够选取合适的C,δ,β(t),ψ0,ψ0,ε1,ε2,使得(ω,z)为(1.1)-(1.3)的ε-
下解,再通过比较原理及定理2的条件证明了定理2.
在定理3的证明中,取
β′(t)=Lmax{F(β(t+k))/ψ′(β(t+k))+ε1,G(β(t+k))/ψ′(β(t+k))+ε2}.
选取适当的k,L,β(t),ψ0,ψ0,ε1,ε2,使得(w,z)为(1.1)-(1.3)的ε-上解,从而通过比较原理及定理3的条件证明了定理3.
最后,我们根据证明的条件构造出了2个具体方程组例子.