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:
(1.1)
其中
是有界区间,
表示细胞密度,
表示化学信号浓度,初值
并且
。交叉扩散项
刻画了奇异趋化敏感效应,其中
为指标
的敏感函数。根据奇异敏感函数
可知,当
变小时,趋化强度增强,能否证明
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
时的相关结论。若
,文献 [1] 证明了当
或
时径向解是整体有界的,当
,
且
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
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
项
用
代替,满足次线性增长
,
,文献 [3] 证明了当
时解是整体有界的。对于相应的抛物–抛物趋化模型,其中
,Liu证明了当
,
时存在全局经典解 [4] 。
当
时,因无法确定
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
时,可以确定
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
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
,则系统(1.1)存在整体有界古典解。
注 尽管次线性产生(
)不能直接建立化学信号
先验的正下界,但在一维情形下,借助Hölder
不等式与
的
估计来刻画
的一致正下界并得到超对数敏感(
)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
,则存在
及唯一非负函数
,其中
,在古典解意义下满足系统(1.1)。另外,当
时,
或者
。
令
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
和
使得
(2.1)
和
(2.2)
并且有
(2.3)
3. 主要结果
引理3.1 如果
,则对于
,存在常数
使得
(3.1)
证明 首先,由常数变易公式
根据Neumann热半群理论(参考 [6] ),对于
有
(3.2)
其中,
表示齐次Neumann边界条件下
的第
一个非零特征值。
1)
根据Hölder不等式和Young不等式及引理2.2有
(3.3)
由插值不等式得
(3.4)
结合(3.2),(3.3),(3.4),对
,由Young不等式得
(3.5)
因此,解这个不等式有
(3.6)
2)
文献 [1] 引理2.1有,存在
使得对于非负函数
,当在边界
处
时,
的解满足
(3.7)
因此
时根据Hölder不等式,插值不等式和引理2.2,对
有
(3.8)
把(3.8)代入(3.2),由Young不等式得
(3.9)
因此,解这个不等式得
(3.10)
3)
根据Hölder不等式和插值不等式及引理2.2,对
有
(3.11)
将(3.11)代入(3.2),并且由Young不等式得
(3.12)
因此,解这个不等式有
(3.13)
证毕。
引理3.2 如果
,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,
时,
有一致正下界。
对
,根据引理2.2和Hölder不等式有
(3.14)
因此,由(2.1),(3.14)及引理3.1得
(3.15)
最后,利用(3.15)中
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
。接下来给出
的估计。
定理1.1 证明
由Neumann热半群理论,对
有
(3.16)
其中
。
1)
根据引理3.1,Hölder不等式和Young不等式,对
有
(3.17)
由(3.16)和(3.17)得
(3.18)
2)
由引理2.2和引理3.1及Hölder不等式,对
有
(3.19)
将(3.19)代入(3.16)得
(3.20)
3)
根据引理3.1和Hölder不等式,对
有
(3.21)
由(3.16)和(3.21)得,
(3.22)
证毕。