具奇异敏感的趋化模型解的整体有界性
Global Boundedness of the Solution for Chemotaxis Model with Singular Sensitivity
DOI: 10.12677/PM.2023.1311330, PDF, HTML, XML, 下载: 105  浏览: 171 
作者: 牛 聪, 陈 越:辽宁师范大学数学学院,辽宁 大连
关键词: 奇异敏感古典解整体有界性Singular Sensitivity Classical Solution Global Boundedness
摘要: 本文研究齐次Neumann边界条件下的具奇异敏感的抛物–椭圆趋化模型:其中Ω⊂ℝ为有界区间,α,β,χ > 0。当时,模型存在整体有界的古典解。
Abstract: This article studies a parabolic-elliptical chemotaxis model with singular sensitivity under homo-geneous Neumann boundary conditions:, where Ω⊂ℝ, α,β,χ > 0. It’s proved that the classical solution of is globally bounded.
文章引用:牛聪, 陈越. 具奇异敏感的趋化模型解的整体有界性[J]. 理论数学, 2023, 13(11): 3185-3192. https://doi.org/10.12677/PM.2023.1311330

1. 前言

趋化性是细胞在化学信号影响下定向运动的生物学现象,这个过程在各种生物学应用中起着很大的作用,例如胚胎发育、伤口愈合和血管形成。Keller和Segel首先提出关于趋化性的数学模型,在此之后Keller-Segel模型在过去的几十年中已经得到了深入的研究,并且发现了一系列性质,如解的存在性、有界性、有限时间内爆破。本文在一维背景下研究一类具奇异敏感的抛物–椭圆趋化模型:

{ u t = u x x χ ( u v α v x ) x , x Ω , t > 0 , 0 = v x x v + u β , x Ω , t > 0 , u x = v x = 0 , x Ω , t > 0 , u ( x , 0 ) = u 0 ( x ) , x Ω , (1.1)

其中 α , β , χ > 0 , Ω 是有界区间, u = u ( x , t ) 表示细胞密度, v = v ( x , t ) 表示化学信号浓度,初值

u 0 C 0 ( Ω ¯ ) 并且 u 0 0 。交叉扩散项 χ ( u v α v x ) x 刻画了奇异趋化敏感效应,其中 χ v α 为指标 α 的敏感函数。根据奇异敏感函数 χ v α 可知,当 v 变小时,趋化强度增强,能否证明 v 的一致下界对建立古典解的整

体动力学行为至关重要。

现回顾 α = 1 时的相关结论。若 β = 1 ,文献 [1] 证明了当 n = 2 n 3 , 0 < χ < 2 n 2 时径向解是整体有界的,当 n 3 χ > 2 n n 2 Ω u 0 | x | 2 足够小时解在有限时间内爆破;文献 [2] 讨论了经典非径向解的整体存在性和一致有界性,证明了当 0 < χ < 2 n 时系统具有唯一的全局有界古典解。若(1.1)中的化学信号产生

u β g ( u ) C 1 ( [ 0 , ) ) 代替,满足次线性增长 λ 1 g ( u ) λ 2 ( 1 + u ) β 0 < λ 1 λ 2 ,文献 [3] 证明了当

β [ 0 , 1 2 ] 时解是整体有界的。对于相应的抛物–抛物趋化模型,其中 0 < g ( u ) K u β ( K , β > 0 ) ,Liu证明了当 0 < β < 2 + 2 n 0 < χ < min { 1 , 2 n β } 时存在全局经典解 [4] 。

β ( 0 , 1 ) 时,因无法确定 v 的一致正下界,这给证明模型解的整体存在及有界性带来困难;当 β 1 时,可以确定 v 的一致正下界,但是趋化项的处理困难。在本文模型中细胞质量守恒,我们根据抛物–椭圆方程组理论以及Neumann热半群理论来证明模型的古典解整体有界。为了探究出 α , β 满足什么条件,模型的古典解整体有界,我们通过分类讨论的形式来证明。

定理1.1 假设 α ( 0 , 3 2 ) , β ( 0 , 2 ) ,则系统(1.1)存在整体有界古典解。

注 尽管次线性产生( β ( 0 , 1 ) )不能直接建立化学信号 v 先验的正下界,但在一维情形下,借助Hölder

不等式与 u L p 估计来刻画 v 的一致正下界并得到超对数敏感( α ( 1 , 3 2 ) )情形古典解的整体有界性。

2. 预备知识

采用不动点理论和标准的抛物–椭圆正则性理论,可以得到古典解局部存在性,详细证明参考文献 [5] 。

引理2.1 (局部存在性)假设 χ > 0 , α ( 0 , 3 2 ) , β ( 0 , 2 ) ,则存在 T max ( 0 , ] 及唯一非负函数 ( u , v ) ,其中 u C 0 ( [ 0 , T max ) ; C 0 ( Ω ¯ ) ) × C 2 , 1 ( Ω ¯ × ( 0 , T max ) ) , v C 2 , 0 ( Ω ¯ × ( 0 , T max ) ) ,在古典解意义下满足系统(1.1)。另外,当 T max < 时, lim t T max u L ( Ω ) = 或者 lim t T max inf x Ω v ( x , t ) = 0

( u , v ) 是模型(1.1)的局部古典解,然后我们有以下的基本估计。

引理2.2 存在一些非负常数 m 0 L i ( i = 1 , 2 , 3 ) 使得

Ω u ( x , t ) d x = Ω u 0 d x = : m 0 , t ( 0 , T max ) , (2.1)

{ v x L ( Ω ) L 1 , β ( 0 , 1 ) , v x L p ( Ω ) L 2 , β = 1 , v x L 1 β 1 ( Ω ) L 3 , β ( 1 , 2 ) , (2.2)

并且有

Ω v x 2 v 2 d x + Ω u β v d x = | Ω | . (2.3)

3. 主要结果

引理3.1 如果 χ > 0 , α ( 0 , 3 2 ) , β ( 0 , 2 ) ,则对于 p > 1 ,存在常数 L 4 > 0 使得

Ω u p d x L 4 , t ( 0 , T max ) . (3.1)

证明 首先,由常数变易公式

u = e t ( 2 x 2 1 ) u 0 χ 0 t e ( t s ) ( 2 x 2 1 ) ( u v α v x ) x d s , t ( 0 , T max ) .

根据Neumann热半群理论(参考 [6] ),对于 p > 1

u L p ( Ω ) u 0 L ( Ω ) | Ω | 1 p + χ K 4 0 t ( 1 + ( t s ) 1 + 1 2 p ) e λ 1 ( t s ) u v α v x L 1 ( Ω ) d s C 1 + C 2 sup s ( 0 , t ) u v α v x L 1 ( Ω ) , t ( 0 , T max ) , (3.2)

其中, C 1 = u 0 L ( Ω ) | Ω | 1 p , C 2 = χ K 4 0 t ( 1 + ( t s ) 1 + 1 2 p ) e λ 1 ( t s ) d s , λ 1 > 0 表示齐次Neumann边界条件下 Δ 的第

一个非零特征值。

1) β ( 0 , 1 )

根据Hölder不等式和Young不等式及引理2.2有

Ω u v α v x d x = Ω ( u β 2 v x v 3 2 ) 2 α 3 v x 1 2 α 3 u 1 α β 3 d x ( Ω u β 2 v x v 3 2 d x ) 2 α 3 ( Ω v x u 3 α β 3 2 α d x ) 3 2 α 3 ( Ω v x 2 v 2 d x + Ω u β v d x ) 2 α 3 ( Ω v x u 3 α β 3 2 α d x ) 3 2 α 3 | Ω | 2 α 3 L 1 3 2 α 3 ( Ω u 3 α β 3 2 α d x ) 3 2 α 3 . (3.3)

由插值不等式得

( Ω u 3 α β 3 2 α d x ) 3 2 α 3 = u L 3 α β 3 2 α ( Ω ) 3 α β 3 ( u L 1 ( Ω ) ( 3 2 α ) p ( 3 α β ) ( 3 α β ) ( p 1 ) u L p ( Ω ) α ( 2 β ) p ( 3 α β ) ( p 1 ) ) 3 α β 3 m 0 ( 3 2 α ) p ( 3 α β ) 3 ( p 1 ) u L p ( Ω ) α ( 2 β ) p 3 ( p 1 ) . (3.4)

结合(3.2),(3.3),(3.4),对 p > 3 3 α ( 2 β ) ,由Young不等式得

u L p ( Ω ) = C 1 + C 2 | Ω | 2 α 3 L 1 3 2 α 3 m 0 ( 3 2 α ) p ( 3 α β ) 3 ( p 1 ) sup s ( 0 , t ) u L p ( Ω ) α ( 2 β ) p 3 ( p 1 ) C 1 + 1 2 sup s ( 0 , t ) u L p ( Ω ) + m 0 ( 3 2 α ) p ( 3 α β ) ( 3 + α β 2 α ) p 3 ( C 2 | Ω | 2 α 3 L 1 3 2 α 3 ) 3 ( p 1 ) ( 3 + α β 2 α ) p 3 , t ( 0 , T max ) . (3.5)

因此,解这个不等式有

u L p ( Ω ) 2 C 1 + 2 m 0 ( 3 2 α ) p ( 3 α β ) ( 3 + α β 2 α ) p 3 ( C 2 | Ω | 2 α 3 L 1 3 2 α 3 ) 3 ( p 1 ) ( 3 + α β 2 α ) p 3 , t ( 0 , T max ) . (3.6)

2) β = 1

文献 [1] 引理2.1有,存在 η 1 > 0 使得对于非负函数 f C 1 ( Ω ¯ ) ,当在边界 Ω φ υ = 0 时, Δ φ + φ = f

的解满足

φ ( x ) η 1 Ω f d x . (3.7)

因此 β = 1 时根据Hölder不等式,插值不等式和引理2.2,对 p > 2

Ω u v α v x d x 1 η α Ω u v x d x 1 η α u L p p 1 ( Ω ) v x L p ( Ω ) L 2 η α u L 1 ( Ω ) p 2 p 1 u L p ( Ω ) 1 p 1 L 2 η α m 0 p 2 p 1 u L p ( Ω ) 1 p 1 . (3.8)

把(3.8)代入(3.2),由Young不等式得

u L p ( Ω ) C 1 + C 2 L 2 η α m 0 p 2 p 1 sup s ( 0 , t ) m 0 p 2 p 1 sup s ( 0 , t ) u L p ( Ω ) 1 p 1 C 1 + 1 2 sup s ( 0 , t ) u L p ( Ω ) + m 0 ( C 2 L 2 η α ) p 1 p 2 , t ( 0 , T max ) . (3.9)

因此,解这个不等式得

u L p ( Ω ) 2 C 1 + 2 m 0 ( C 2 L 2 η α ) p 1 p 2 , t ( 0 , T max ) . (3.10)

3) β ( 1 , 2 )

根据Hölder不等式和插值不等式及引理2.2,对 p > 1 2 β

Ω u v α v x d x 1 η α Ω u v x d x 1 η α v x L 1 β 1 ( Ω ) u L 1 2 β ( Ω ) L 3 η α u L 1 ( Ω ) ( 2 β ) p 1 p 1 u L p ( Ω ) ( β 1 ) p p 1 L 3 η α m 0 ( 2 β ) p 1 p 1 u L p ( Ω ) ( β 1 ) p p 1 . (3.11)

将(3.11)代入(3.2),并且由Young不等式得

u L p ( Ω ) = C 1 + C 2 L 3 η α m 0 ( 2 β ) p 1 p 1 sup s ( 0 , t ) u L p ( Ω ) ( β 1 ) p p 1 C 1 + 1 2 sup s ( 0 , t ) u L p ( Ω ) + m 0 ( C 2 L 3 η α ) p 1 ( 2 β ) p 1 , t ( 0 , T max ) . (3.12)

因此,解这个不等式有

u L p ( Ω ) 2 C 1 + 2 m 0 ( C 2 L 3 η α ) p 1 ( 2 β ) p 1 , t ( 0 , T max ) . (3.13)

证毕。

引理3.2 如果 χ > 0 , α ( 0 , 3 2 ) , β ( 0 , 2 ) ,则系统(1.1)存在一个整体古典解。

证明 由文献 [1] 引理2.1知, β 1 时, v 有一致正下界。

β ( 0 , 1 ) ,根据引理2.2和Hölder不等式有

Ω u ( x , t ) d x ( Ω u ( x , t ) β d x ) 1 2 ( Ω u ( x , t ) 2 β d x ) 1 2 , t ( 0 , T max ) . (3.14)

因此,由(2.1),(3.14)及引理3.1得

v ( x , t ) η 1 Ω u ( x , t ) β d x η 1 ( Ω u ( x , t ) d x ) 2 Ω u ( x , t ) 2 β d x η 1 m 0 2 L 4 , t ( 0 , T max ) . (3.15)

最后,利用(3.15)中 v 的一致正下界及文献 [1] 中关于整体存在性的类似论证,我们将得到系统(1.1)古典解的整体存在性。

证毕。

由于解的整体存在性,可以看出引理2.2及引理3.1中的 T max ( 0 , ) 。接下来给出 u L ( Ω ) 的估计。

定理1.1 证明

由Neumann热半群理论,对 q > 1

u L ( Ω ) u 0 L ( Ω ) + χ K 4 0 t ( 1 + ( t s ) 1 2 1 2 q ) e λ 1 ( t s ) u v α v x L q ( Ω ) d s u 0 L ( Ω ) + C 3 sup s ( 0 , t ) u v α v x L q ( Ω ) , t > 0 (3.16)

其中 C 3 = χ K 4 0 t ( 1 + ( t s ) 1 2 1 2 q ) e λ 1 ( t s ) d s

1) β ( 0 , 1 )

根据引理3.1,Hölder不等式和Young不等式,对 3 3 α β + 2 α < 1 < q < 3 2 α

Ω u q v α q v x q d x = Ω ( u β 2 v x v 3 2 ) 2 α q 3 v x q 2 α q 3 u q α β q 3 d x ( Ω u β 2 v x v 3 2 d x ) 2 α q 3 ( Ω v x 3 q 2 α q 3 2 α q u 3 q α β q 3 2 α q d x ) 3 2 α q 3 ( Ω v x 2 v 2 d x + Ω u β v d x ) 2 α q 3 ( Ω v x 3 q 2 α q 3 2 α q u 3 q α β q 3 2 α q d x ) 3 2 α q 3 | Ω | 2 α q 3 L 1 3 q 2 α q 3 L 4 3 2 α q 3 , (3.17)

由(3.16)和(3.17)得

u L ( Ω ) u 0 L ( Ω ) + C 3 | Ω | 2 α q 3 L 1 3 q 2 α q 3 L 4 3 2 α q 3 , t > 0. (3.18)

2) β = 1

由引理2.2和引理3.1及Hölder不等式,对 γ > 1

Ω u q v α q v x q d x 1 η α q Ω u q v x q d x 1 η α q ( Ω u q γ d x ) 1 γ ( Ω v x q γ γ 1 d x ) γ 1 γ 1 η α q L 2 q L 4 1 γ . (3.19)

将(3.19)代入(3.16)得

u L ( Ω ) u 0 L ( Ω ) + C 3 1 η α q L 2 q L 4 1 γ , t > 0. (3.20)

3) β ( 1 , 2 )

根据引理3.1和Hölder不等式,对 1 β < 1 < q < 1 β 1

Ω u q v α q v x q d x 1 η α q Ω u q v x q d x 1 η α q ( Ω v x 1 β 1 d x ) q ( β 1 ) ( Ω u q q + 1 q β d x ) q + 1 q β 1 η α q L 3 q L 4 q + 1 q β . (3.21)

由(3.16)和(3.21)得,

u L ( Ω ) u 0 L ( Ω ) + C 3 1 η α q L 3 q L 4 q + 1 q β , t > 0. (3.22)

证毕。

参考文献

[1] Nagai, T. and Senba, T. (1998) Global Existence and Blow-Up of Radial Solutions to a Parabolic-Elliptic System of Chemotaxis. Advances in Mathematical Sciences and Applications, 8, 145-156.
[2] Fujie, K., Winkler, M. and Yokota, T. (2015) Boundedness of Solutions to Parabolic-Elliptic Keller-Segel Systems with Signal-Dependent Sensitivity. Mathematical Methods in the Applied Sciences, 38, 1212-1224.
https://doi.org/10.1002/mma.3149
[3] Viglialoro, G. and Woolley, T.E. (2020) Solvability of a Keller-Segel System with Signal-Dependent Sensitivity and Essentially Sublinear Production. Applicable Analysis, 99, 2507-2525.
https://doi.org/10.1080/00036811.2019.1569227
[4] Liu, D. (2020) Global Solutions in a Fully Parabolic Chemotaxis System with Singular Sensitivity and Nonlinear Signal Production. Journal of Mathematical Physics, 61, Article ID: 021503.
https://doi.org/10.1063/1.5111650
[5] Fujie, K., Winkler, M. and Yokota, T. (2014) Blow-Up Prevention by Logistic Sources in a Parabolic-Elliptic Keller-Segel System with Singular Sensitivity. Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 109, 56-71.
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[6] Winkler, M. (2010) Aggregation vs. Global Diffusive Behavior in the Higher-Dimensional Keller-Segel Model. Journal of Differential Equations, 12, 2889-2905.
https://doi.org/10.1016/j.jde.2010.02.008