1. 引言
本文研究带有非线性项的热方程
(1.1)
即标准的准地转(quasi-geostrophic)方程,其中
是粘性系数,
是关于t和x的实值函数。函数
表示位势温度,流速u与流函数
和
的关系如下
(1.2)
分数阶Laplace
按Fourier定义为
,这里
表示f的Fourier变换。
关于第j个分量的Riesz变换
,其Fourier变换
,其中N表示空间维数。
因此利用Riesz变换的定义,可将(1.2)式改写成
除了本身有地球流体力学的相关背景外,二维准地转方程可以看成是三维Navier-Stokes方程在二维空间的模型。Constantin,Majda和Tabak在文献 [1] 首先研究了方程(1.1)的无粘情形。他们建立了方程(1.1)在Sobolev空间中的局部适定性和爆破判别准则。此后,准地转方程在各种函数空间上的适定性和爆破准则得以建立。例如Wu [2] 得到了准地转方程在Morrey空间中的适定性和爆破判别准则;Chae [3] 在Triebel-Lizorkin中建立相似的结论;Wang和Jia [4] 将文 [1] 中结果推广到Besov空间,Xu和Tan [5] 进一步将他们推广到Besov-Morrey空间。
为了得到一类Lipschitz函数做Fourier变换后的像函数的Bernsttein型定理,Herz在 [6] 中引入Herz空间
,它在调和分析的算子理论上有重要的作用。下面给出Herz空间和Besov-Herz空间的定义。
定义1.1 [6] 对整数
,
定义如下
其中
。设
。Herz空间
定义为
定义1.2 [7] 假设
。空间
定义为
其中
根据Besov-Herz空间的定义可知对任意 ,这里
就是标准的Besov空间。
这一节的主要目的是在Besov-Herz空间建立无粘准地转方程(1.1)的局部适定性。下面给出当
时准地转方程的局部适定性结果。
定理1 假设
。若
,则存在时间
使得方程(1.1)有一个唯一的解
。
注 由于
,空间
包含经典的Besov空间。因此定理改进了文 [1] 和 [4] 中的局部适定性结论。
2. 预备知识和相关引理
首先给出Fourier变换和Fourier逆变换的定义。设
,其Fourier变换为
,其Fourier逆变换为
下面回顾一下Littlewood-Paley分解。假设
满足
且当
时
记
下面给出几个频率局部化算子
和
根据定义,可推得
下面给出Bony仿积分解的定义
其中
引理2.1 设
,则有
。
下面几个引理在定理的证明过程中起到关键的作用(见 [8]、 [9])。
引理2.2 [8] 设
。若T是在
上有界的次线性算子且对任意具有
紧支集的函数f满足
则算子T一定在Herz空间
上有界。
显然算子T包含Hardy-Littlewood极大函数M和Riesz变换
。
引理2.3 [9] 设
是
上可积函数,令
。假设
的严格递减的最小径向控制
函数
是可积的,即
则对任意
,存在常数
使得
其中M为Hardy-Littlewood极大函数。
3. 主要引理的证明
证明定理1.1之前,先给出几个重要引理的证明。
引理3.1 设
以及f是一螺线向量场. 则当
时,有
(3.1)
证明 根据Einstein关于哑指标
求和的习惯以及Bony仿积分解可得
其中
表示
。结合支集条件,分部积分和散度条件
,可得
(3.2)
注意到
,容易验证
满足引理2.3的条件,因此
(3.3)
在(3.3)式两边取
范数并用引理2.2可得
(3.4)
在(3.4)式两边同时乘以
,然后取
范数可得
(3.5)
下面估计II项。根据II的定义有
(3.6)
当
时,利用离散形式的卷积不等式可得
(3.7)
对于III项,
(3.8)
因此类似于(3.5)可得
(3.9)
利用 和分部积分,可得
(3.10)
利用离散形式的卷积不等式和引理2.2,可得当
时有
(3.11)
结合不等式(3.5)、(3.7)、(3.9)和(3.11)可得不等式(3.1)。
引理3.2 设
以及f是一螺线向量场。设
且当
时
,则
存在常数
使得
(3.12)
(3.13)
(3.14)
当
时,按通常的定义做相应的改动即可。
证明 根据Ein stein关于哑指标
求和的习惯以及Bony仿积分解可得
类似引理3.1中的(3.3)可得
(3.15)
取
范数得
(3.16)
对任意
,按照文献 [7] 引理4.4估计
的方法可得
(3.17)
当
时,做相应的改动即可。特别地,在(3.17)中取
和
可得,对I可得
(3.18)
(3.19)
利用(3.3)和(3.16),按照文献 [7] 引理4.4(ii)估计(4.27)式的方法可得
(3.20)
下面,对II利用(3.6)和文献 [7] 引理4.4(ii)估计
的方法可得
(3.21)
(3.22)
此外,类似(3.20)可得
(3.23)
按照(3.17)的方法,对III,(3.12)~(3.14)右端的不等式也一样成立。对IV,利用(3.10)可得
(3.24)
因此,利用(3.6)和文献 [7] 引理4.4(ii)估计
的方法可得,对IV,(3.12)~(3.13)右端的不等式也一样成立。由于
,根据对称性对IV,(3.14)右端的不等式也成立。
4. 定理1.1的证明
在这一节,考虑方程
(4.1)
定理1.1的证明分成下面的五步。
第一步 先验界估计。用算子
作用在方程(4.1)的两边得
(4.2)
假设
是下面的常微分方程的解
(4.3)
则从(4.2)可得
因此可推得
(4.4)
在(4.4)式两边先取 范数,再乘以
并取
范数,则利用Minkowski不等式可得
因为
,故
是保体积的微分同胚。再结合引理3.2,从上面的不等式可得
(4.5)
这里用到了
因此利用Gronwall不等式,存在
,当
时有
(4.6)
第二步 逼近解和一致界估计。先构造问题(4.1)的逼近解,通过解方程组
(4.7)
来定义序列
,其中。类似于(4.5)式的证明可得
(4.8)
其中用到事实
利用Gronwall不等式可知存在
使得对任意
,
第三步 存在性。现在将证明存在与n无关的时间
使得
是
中的柯西序列。为此令
则不难验证差分 满足方程
(4.9)
用
作用在(4.9)的第一个方程可得
类似(4.5)可得
(4.10)
利用 的Fourier支集,可得
利用文献 [7] 的引理4.3和(3.13)可得
(4.11)
其中
。因此若
,则利用T的小性以及
的有限性可得
。因此
是
中的一个柯西序列。按照标准的讨论,当
时,
极限函数
是方程(4.1)以
为初值的解。此外,
还满足
第四步 唯一性。假设
是满足相同初值的另外一个解。令
。则
满足方程
(4.13)
按第一步的方法类似的可得当T充分小时
这意味着
即
。
基金项目
江西省自然科学基金(项目编号:20192BAB201003)。
NOTES
*通讯作者。