带Logistic源的奇异趋化模型解的整体存在性
Global Existence of Solutions to a Singular Chemotaxis System with Logistic Source
DOI: 10.12677/AAM.2022.111002, PDF, HTML, XML, 下载: 291  浏览: 463 
作者: 李 铮, 穆丽荣:辽宁师范大学,辽宁 大连
关键词: 趋化奇异敏感整体存在Chemotaxis Singular Sensitivity Global Existence
摘要: 本文考虑带有齐次Numann边界的抛物–抛物趋化系统:,其中为有界光滑区域。证明得到若,则系统存在整体古典解。
Abstract: This paper deals with the chemotaxis system with signal-dependent sensitivity and logistic source under homogenous Neumann boundary condition: , , where  and  is a bounded smooth domain. If with and , then the system admits a globally bounded classical solution.
文章引用:李铮, 穆丽荣. 带Logistic源的奇异趋化模型解的整体存在性[J]. 应用数学进展, 2022, 11(1): 9-15. https://doi.org/10.12677/AAM.2022.111002

1. 引言

趋化性是指细胞占据一个空间,由其中不均匀分布的物质产生的化学信号刺激细胞的运动。对细胞的不同研究和实验一直在探索细胞如何引导其自然运动,并根据化学梯度刺激的强度随机改变其运动路线。趋化系统在1970年由Keller和Segel提出,它描述了细胞受化学信号刺激所产生的聚集现象。这一系统在过去几年得到了广泛的研究,相关的趋化模型及生物学背景概述参阅 [1]。我们考虑如下的带有奇异灵敏度的趋化模型:

{ u t = Δ u χ ( u v v ) + f ( u ) , x Ω , t > 0 , v t = Δ v v + u , x Ω , t > 0 , (1.1)

其中 χ v 是由韦伯–费希纳定律确定的,刻画细胞向化学信号运动的趋化强度。下面介绍关于系统(1.1)的相关结论。若 f ( u ) 0 ,当 n = 2 时,如果 χ < χ 0 ( χ 0 > 1.01 )或者当 n 3 时,如果 χ < 2 n ,则解整体有界 [2] [3]。若 f ( u ) = r u μ u k r , μ > 0 ,当 χ 相对于r恰当小,系统(1.1)存在一个全局有界古典解 [4]。

对于如下带有奇异灵敏度的模型:

{ u t = Δ u χ ( u v α v ) + f ( u ) , x Ω , t > 0 , v t = Δ v u v , x Ω , t > 0 , (1.2)

其中 χ > 0 。该系统可以追溯到Keller和Segel研究的流动的大肠杆菌游动带的形成。 u v 表示细胞u在趋化过程中氧气v被消耗,这自然表明v在时间上保持有界。关于解的整体存在性,人们对它的研究不如对其信号产生的研究那么广泛。 f ( u ) = r u μ u k 的存在有助于推导适当的先验估计,并确保经典解或最终正则化的弱解的全局存在。若 α ( 0 , 1 ] f ( u ) 0 ,当 χ > 0 ,若 v 0 L ( Ω ) < χ 1 α 1 Ω u 0 < 1 χ v 0 1 α 2 C G N 4 ,则系统(1.2)存在整体解 [5]。若 α = 1 f ( u ) r u μ u 2 ,对于 n 2 ,当 0 < χ < 2 n μ > n 2 n 时,系统 (1.2)存在全局经典解;对于 n = 1 ,当 χ < 2 μ > 0 时,系统(1.2)存在整体有界解 [6],另外,在二维情况下, [7] 证明了 χ > 1 μ > 0 时古典解的整体存在。

本文将考虑如下的带有奇异灵敏度和logistic源的趋化系统:

{ u t = Δ u χ ( u v α v ) + k u μ u 2 , x Ω , t > 0 , v t = Δ v u v , x Ω , t > 0 , ν u = ν v = 0 , x Ω , t > 0 , u ( , 0 ) = u 0 , v ( , 0 ) = v 0 , x Ω , (1.3)

其中 χ , α , k , μ > 0 Ω 2 ( n 2 ) 是光滑有界区域。初始值满足

u 0 C 0 ( Ω ¯ ) , v 0 W 1 , ( Ω ) , u 0 0 , v 0 0. (1.4)

我们将证明系统(1.3)古典解的整体存在性。

定理1.1. 设 n 2 α ( 0 , 1 ] 。若 v 0 L ( Ω ) < χ 1 1 α n 2 μ > n 2 2 n ,则系统存在整体古典解。

2. 古典解的整体存在性

在这一章节中,我们主要证明古典解的整体存在性。首先陈述方程(1.3)古典解的局部存在性,证明的具体细节见文献 [7]。

引理2.1. 令 α > 0 ,初值 ( u 0 , v 0 ) 满足(1.4)。则方程(1.3)存在 ( u , v ) ( C 0 ( Ω ¯ × ( 0 , T max ) ) C 2 , 1 ( Ω ¯ × ( 0 , T max ) ) ) 2 在古典解意义下满足系统(1.4)。此外, T max = 或者 lim sup t T max u L ( Ω ) =

引理2.2. 令 α > 0 ,则 v ( , t ) L ( Ω ) v 0 L ( Ω ) t [ 0 , T max )

证明. 根据 u , v 的正性,由比较原理得证。

我们通过变换 w = ln v v 0 L ( Ω ) 的方法来估计v的逐点下界。

引理2.3. 令 α ( 0 , 1 ] ,如果对于 p > n 2 ,存在 L 1 ( t ) > 0 使得 u L p ( Ω ) L 1 ( t ) t [ 0 , T max ) ,那么存在 d ( t ) > 0 ,使得

v v L ( Ω ) e d ( t ) , Ω × ( 0 , T max ) . (2.1)

证明. 令 w = ln v v 0 L ( Ω ) ,则

{ w t = Δ w | w | 2 + u , Ω × ( 0 , T max ) , ν w = 0 , Ω × ( 0 , T max ) , w ( , 0 ) = w 0 : = ln v v 0 L ( Ω ) , Ω . (2.2)

通过常数变易法,有

w = e t Δ w 0 + 0 t e ( t s ) Δ ( u | w | ) 2 e t Δ w 0 + 0 t e ( t s ) Δ u d s , t ( 0 , T max ) .

利用半群估计( [8], Lemma 1.3(i)),知存在 c 1 > 0 使得

w L ( Ω ) e t Δ w 0 L ( Ω ) + 0 t e ( t s ) Δ u L ( Ω ) d s w 0 L ( Ω ) + c 1 0 t ( 1 + ( t s ) n 2 p ) e λ 1 ( t s ) u L p ( Ω ) d s , t ( 0 , T max ) .

p > n 2 时,式子 0 ( 1 + ( t s ) n 2 p ) e λ 1 ( t s ) u L p ( Ω ) d s 是可积的,又因为 u L p ( Ω ) < L 1 ( t ) ,所以可得

w L ( Ω ) w 0 L ( Ω ) + c 1 L 1 ( t ) 0 t ( 1 + ( t s ) n 2 p ) e λ 1 ( t s ) d s = : d ( t ) .

由w的定义可知 v v 0 L ( Ω ) e d ( t ) Ω × ( 0 , T max )

引理2.4. 令 α ( 0 , 1 ] 。当 p > n 2 ( n 2 ) 时,如果 v 0 L ( Ω ) < χ 1 1 α n 2 并且 μ > n 2 2 n ,则存在 L 2 ( t ) > 0 使得

u L p ( Ω ) L 2 ( t ) , t [ 0 , T max ) . (2.3)

证明. 对于 p > n 2 r > 0 ,由方程(1.3)得到

d d t Ω u p v r d x = p Ω u p 1 v r u t d x r Ω u p v r 1 v t d x = p Ω u p 1 v r Δ u d x p χ Ω u p 1 v r ( u v α v ) d x r Ω u p v r 1 Δ v + p k Ω u p v r d x + ( r μ p ) Ω u p + 1 v r d x

= p ( p 1 ) Ω u p 2 v r | u | 2 d x p r χ Ω u p v r α 1 | v | 2 d x r ( r + 1 ) Ω u p v r 2 | v | 2 d x + 2 p r Ω u p 1 v r 1 u v d x + p ( p 1 ) χ Ω u p v r α u v d x + p k Ω u p v r d x + ( r μ p ) Ω u p + 1 v r d x , t ( 0 , T max ) . (2.4)

通过杨氏不等式 得

2 p r Ω u p 1 v r 1 u v d x + p ( p 1 ) χ Ω u p v r α u v d x = Ω [ 2 p r + p ( p 1 ) χ v 1 α ] u p 1 v r 1 u v d x p ( p 1 ) Ω u p 2 v r | u | 2 d x + Ω [ 2 p r + ( p 1 ) χ v 1 α ] u p 1 v r 1 u v d x p ( p 1 ) Ω u p 2 v r | u | 2 d x + Ω [ 2 p r + p ( p 1 ) χ v 1 α ] 2 4 p ( p 1 ) Ω u p v r 2 | v | 2 d x . (2.5)

由估计(2.4)和(2.5)可得

d d t Ω u p v r d x Ω { [ 2 p r + p ( p 1 ) χ v 1 α ] 2 4 p ( p 1 ) r ( r + 1 ) v 1 α p r χ } Ω u p v r 2 | v | 2 d x + p k Ω u p v r d x + ( r μ p ) Ω u p + 1 v r d x , t ( 0 , T max ) . (2.6)

定义

h ( r ) : = [ 2 p r + p ( p 1 ) χ v 1 α ] 2 4 p ( p 1 ) r ( r + 1 ) v 1 α p r χ , r > 0.

r ( r , r + ) ( r ± = p 1 2 ( 1 ± 1 p χ 2 v 0 L ( Ω ) 2 2 α ) ) ,有

h ( r ) = 1 p 1 [ r 2 ( p 1 ) r + p ( p 1 ) 2 χ 2 v 2 2 α 4 ] 1 p 1 [ r 2 ( p 1 ) r + p ( p 1 ) 2 χ 2 v 0 L ( Ω ) 2 2 α 4 ] < 0.

如果 v 0 L ( Ω ) < χ 1 1 α n 2 并且 μ > n 2 2 n ,则存在 p ( n 2 , 1 χ 2 v 0 L ( Ω ) 2 2 α ) 使得 r ( r , min { r + , μ p } ) 。因此,由式(2.6)得

d d t Ω u p v r d x p k Ω u p v r d x , t ( 0 , T max ) .

进而 有

Ω u p v r d x e p k t Ω u 0 p v 0 r d x : = C 2 ( t ) , t ( 0 , T max ) .

综上所述,可得

u L p ( Ω ) = ( Ω u p v r v r d x ) 1 p ( Ω u p v r v r L ( Ω ) d x ) 1 p v L ( Ω ) r p ( ( Ω u p v r d x ) 1 p ) v L ( Ω ) r p C 2 ( t ) 1 p = : L 2 ( t ) .

证明完成。

证明定理1.1.

通过常数变易法,有

u = e t Δ u 0 + 0 t e ( t s ) Δ ( u v α v ) d s + 0 t e ( t s ) Δ ( k u μ u 2 ) d s e t Δ u 0 + 0 t e ( t s ) Δ ( u v α v ) d s + c 1 T max , t ( 0 , T max ) (2.7)

其中 c 1 : = sup ξ > 0 ( k ξ μ ξ 2 )

p 1 > n 2 ,定义

p l + 1 = { n p l 2 ( n p l ) , p l n , , p l > n , l = 1 , 2 , .

p l n 。为了去估计 u L p l + 1 ( Ω ) ,需要去控制 0 t e ( t s ) Δ ( u v α v ) L p l + 1 ( Ω ) d s 。由半群估计( [8], Lemma 1.3(iv))和引理2.3,存在 c 2 , C 3 ( t ) > 0 使得

0 t e ( t s ) Δ ( u v α v ) L p l + 1 ( Ω ) d s c 2 C 3 ( t ) 0 t ( 1 + ( t s ) 1 2 n 2 ( 1 θ 1 p l + 1 ) e λ 1 ( t s ) ) u v L θ ( Ω ) d s . (2.8)

如果 η < n p l n p l ,由( [9], Lemma 2.4(ii)),存在 c 3 > 0 满足

v L η ( Ω ) c 3 ( 1 + sup t ( 0 , T max ) u L p l ( Ω ) ) . (2.9)

θ < n p l 2 n p l 接近 n p l 2 n p l ,则 1 2 n 2 ( 1 θ 1 p l + 1 ) < 1 p l θ p l θ < n p l n p l 。从而,根据(2.3)及(2.7)~(2.9)并利用Hölder不等式,可得

u L p l + 1 ( Ω ) c 2 C 3 ( t ) 0 t ( 1 + ( t s ) 1 2 n 2 ( 1 θ 1 p l + 1 ) e λ 1 ( t s ) ) u v L θ ( Ω ) d s + u 0 L ( Ω ) + c 1 T max C 4 ( t ) ( 1 + sup t ( 0 , T max ) u L p l ( Ω ) ) 2 0 t ( 1 + ( t s ) 1 2 n 2 ( 1 θ 1 p l + 1 ) e λ 1 ( t s ) ) d s + c 4 ( 1 + T max ) c 4 ( 1 + T max ) + C 5 ( t ) ( 1 + sup t ( 0 , T max ) u L p 1 ( Ω ) ) 2 l C 6 ( t ) , t ( 0 , T max ) (2.10)

其中 c 4 , C 4 ( t ) , C 5 ( t ) , C 6 ( t ) > 0 。易知对 l 1 p l + 1 p l l n 2 ,并且当 p l n 时,有 p l + 1 。固存在 p ¯ > n 满足(2.10)成立。

p l > n ,由( [10], Lemma 3.3),知

0 t e ( t s ) Δ ( u v α v ) L ( Ω ) d s c 5 C 7 ( t ) 0 t ( t s ) 1 2 n 2 p l e λ 1 ( t s ) u v L p l ( Ω ) d s .

η = 时,(2.9)式依然成立,又因为积分 0 ( t s ) 1 2 n 2 p l d s 可积,则存在 C 8 ( t ) , C 9 ( t ) > 0 使得

u L ( Ω ) C 8 ( t ) ( u 0 L ( Ω ) + 0 t ( 1 + ( t s ) 1 2 n 2 p l ) e λ 1 ( t s ) d s ) + c 1 T max = : C 9 ( t ) .

证明完毕。

3. 结论

本文通过一系列的不等式放缩行为进而完成了系统(1.3)的解的全局存在性证明,首先对 u L p ( Ω ) 进行了估计,最终通过对 u L ( Ω ) 的估计完成了证明,即定理1.1,若 v 0 L ( Ω ) < χ 1 1 α n 2 μ > n 2 2 n ,则系统(1.3)存在整体古典解。

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