准地转方程在Besov-Herz空间上的局部适定性
On the Well-Posedness of the Quasi-Geostrophic Equation in the Besov-Herz Spaces
DOI: 10.12677/PM.2020.105065, PDF, HTML, XML,    科研立项经费支持
作者: 徐艳霞, 陈晓莉*:江西师范大学数学与信息科学学院,江西 南昌
关键词: 局部适定性Besov-Herz空间准地转方程Local Well-Posedness Besov-Herz Spaces Quasi-Geostrophic Equation
摘要: 本文利用Littlewood-Paley分解和交换子估计,建立了无粘准地转方程在Besov-Herz空间上的局部适定性,推广了和的结果。
Abstract: In this paper, using the Littlewood-Paley decomposition and commutator estimates, we establish the local well-posedness for the quasi-geostrophic equation without viscosity in Besov-Herz spaces, which improves the results in and.
文章引用:徐艳霞, 陈晓莉. 准地转方程在Besov-Herz空间上的局部适定性[J]. 理论数学, 2020, 10(5): 530-539. https://doi.org/10.12677/PM.2020.105065

1. 引言

本文研究带有非线性项的热方程

{ t θ κ Δ θ = u θ , ( x , t ) 2 × [ 0 , T ) , div u = 0 , θ ( 0 , x ) = θ 0 ( x ) , x 2 , (1.1)

即标准的准地转(quasi-geostrophic)方程,其中 κ > 0 是粘性系数, θ ( t , x ) 是关于t和x的实值函数。函数 θ 表示位势温度,流速u与流函数 Ψ θ 的关系如下

u = ( x 2 Ψ , x 1 Ψ ) , ( Δ ) 1 2 Ψ = θ . (1.2)

分数阶Laplace ( Δ ) α 按Fourier定义为 ( Δ ) α f ^ ( ξ ) = | ξ | 2 α f ^ ( ξ ) ,这里 f ^ ( ξ ) 表示f的Fourier变换。

关于第j个分量的Riesz变换 R j ,其Fourier变换 R j f ^ ( ξ ) = i ξ j | ξ | f ^ ( ξ ) , j = 1 , , N ,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

u = ( x 2 ( Δ ) 1 2 θ , x 1 ( Δ ) 1 2 θ ) = ( R 2 θ , R 1 θ ) .

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 K p , q α ( N ) ,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 k , k 1 A k 定义如下

A 1 = B ( 0 , 1 2 ) , A k = { x R N : 2 k 1 | x | < 2 k } , k 0 ,

其中 B ( x 0 , r ) = { x N : | x x 0 | < r } 。设 1 p , q , α 。Herz空间 K p , q α = K p , q α ( N ) 定义为

K p , q α : = { ( k 1 2 k α q f L p ( A k ) q ) 1 q , q < , sup k 1 2 k α f L p ( A k ) , q = 1 q .

定义1.2 [7] 假设 1 p , q , r , α , s 。空间 B K p , q , r α , s = B K p , q , r α , s ( N ) 定义为

B K p , q , r α , s = { f S ( n ) : f B K p , q , r α , s < } ,

其中

f B K p , q , r α , s : = { ( j 1 2 j s r Δ j f K p , q α r ) 1 r , r < , sup j 1 2 j s Δ j f K p , q α , r = .

根据Besov-Herz空间的定义可知对任意 ,这里 B p , r s ( N ) 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 κ = 0 时准地转方程的局部适定性结果。

定理1 假设 κ = 0 , 1 p < , 1 r , q , s 2 p + 1 , 0 α < 2 ( 1 1 p ) 。若 θ 0 B K p , q , r α , s ,则存在时间 T = T ( θ 0 B K p , q , r α , s ) 使得方程(1.1)有一个唯一的解 θ C ( [ 0 , T ) ; B K p , q , r α , s )

注 由于 K p , p 0 ( n ) = L p ( n ) ,空间 B K p , q , r α , s ( N ) 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 f S ( N ) ,其Fourier变换为

f ^ ( ξ ) = F f ( ξ ) = N e i x ξ f ( x ) d x .

f S ( N ) ,其Fourier逆变换为

f ( x ) = F 1 f ( x ) = ( 2 π ) N 2 N e i x ξ f ( ξ ) d ξ .

下面回顾一下Littlewood-Paley分解。假设 φ S ( N ) 满足

0 φ 1 , supp ( φ ) { ξ N : 3 4 | ξ | 8 3 } 且当 ξ 0 j φ ( 2 j ξ ) = 1.

φ j ( ξ ) = φ ( 2 j ξ ) , ψ j ( ξ ) = k j 1 φ k ( ξ ) , ψ j ( ξ ) = k j 1 φ k ( ξ ) ,

h ( x ) = F 1 φ ( x ) , g ( x ) = F 1 ψ 0 ( x ) .

下面给出几个频率局部化算子

Δ ˙ j f = φ j ( D ) f = 2 N j h ( 2 j y ) f ( x y ) d y

S ˙ j f = k j 1 Δ ˙ k f = ψ j ( D ) f = 2 N j d g ( 2 j y ) f ( x y ) d y .

根据定义,可推得

Δ ˙ j Δ ˙ k f = 0 , | j k | 2 ,

Δ ˙ j ( S ˙ k 1 f Δ ˙ k f ) = 0 , | j k | 5.

下面给出Bony仿积分解的定义

u v = T ˙ u v + T ˙ v u + R ( u , v ) ,

其中

T ˙ u v = j S ˙ j 1 u Δ ˙ j v , R ˙ ( u , v ) = j Δ ˙ j u Δ ˙ ˜ j v , Δ ˙ ˜ j v = | j j | 1 Δ ˙ j v .

引理2.1 设 1 p < ,则有 L p ( N ) K p , 0 ( N )

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 1 < p < , N p < α < N ( 1 1 p ) 。若T是在 L p ( N ) 上有界的次线性算子且对任意具有

紧支集的函数f满足

| T f ( x ) | C R n | f ( y ) | | x y | n d y , x supp f .

则算子T一定在Herz空间 K p , q α ( N ) 上有界。

显然算子T包含Hardy-Littlewood极大函数M和Riesz变换 R j , j = 1 , , N

引理2.3 [9] 设 φ N 上可积函数,令 φ ϵ ( x ) = 1 ϵ N φ ( x ϵ ) , ϵ > 0 。假设 φ 的严格递减的最小径向控制

函数 Ψ 是可积的,即

Ψ ( x ) = sup | y | | x | | φ ( y ) | d Ψ ( x ) d x = A < .

则对任意 f L p ( N ) , 1 p ,存在常数 C > 0 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 1 p < , 1 r , q , α 0 以及f是一螺线向量场. 则当 s 0 时,有

2 k s [ f , Δ k ] g K p , q α ( A k ) l r f g B K p , q , r α , s + g f B K p , q , r α , s . (3.1)

证明 根据Einstein关于哑指标 i [ 1 , N ] 求和的习惯以及Bony仿积分解可得

[ f , Δ k ] g = [ f i , Δ k ] i g = f i Δ k i g Δ k ( f i i g ) = [ T f i , Δ k ] i g + T Δ k i g f i Δ k ( T i g f i ) Δ k ( R ( f i , i g ) ) : = I + I I + I I I + I V ,

其中 T u v 表示 T u v + R ( u , v ) 。结合支集条件,分部积分和散度条件 div f = 0 ,可得

| I | = | | k k | 4 [ S k 1 f i , Δ k ] i Δ k g | = | | k k | 4 d ( S k 1 f i ( x ) S k 1 f i ( y ) ) 2 N k h ( 2 k ( x y ) ) i Δ k g ( y ) d y | = | | k k | 4 d ( S k 1 f i ( x ) S k 1 f i ( y ) ) 2 k ( N + 1 ) ( i ) h ( 2 k ( x y ) ) Δ k g ( y ) d y | C | k k | 4 S k 1 f d 2 k | x y | 2 N k | h ( 2 k ( x y ) ) Δ k g ( y ) | d y . (3.2)

注意到 h ( x ) S ( d ) ,容易验证 | x h ( x ) | 满足引理2.3的条件,因此

| I | C | k k | 4 S k 1 f M ( | Δ k g ( ) | ) ( x ) . (3.3)

在(3.3)式两边取 K p , q α 范数并用引理2.2可得

(3.4)

在(3.4)式两边同时乘以 2 k s ,然后取 l r ( k 1 ) 范数可得

2 k s I K p , q α l r ( k 1 ) f | k k | 4 2 ( k k ) s 2 k s Δ k g K p , q α l r f 2 k s Δ k g K p , q α l r f 2 k s Δ k g K p , q α l r f g B K p , q , r α , s . (3.5)

下面估计II项。根据II的定义有

| I I | = | k k 2 S k + 2 i Δ k g Δ k f i ( x ) | k k 2 Δ k g | Δ k f ( x ) | . (3.6)

s > 0 时,利用离散形式的卷积不等式可得

2 k s I I K p , q α l r ( k 1 ) g k k 2 2 ( k k ) s 2 k s Δ k f K p , q α l r g 2 k s χ { k 2 } l 1 2 k s Δ k f K p , q α l r f 2 k s Δ k g K p , q α l r g f B K p , q , r α , s . (3.7)

对于III项,

I I I K p , q α = | k k | 4 Δ k ( S k 1 i g Δ k f i ) ( x ) K p , q α | k k | 4 M ( S k 1 i g Δ k f i ) K p , q α | k k | 4 M ( | Δ k f | ) K p , q α S k 1 g g | k k | 4 Δ k f K p , q α . (3.8)

因此类似于(3.5)可得

(3.9)

利用 和分部积分,可得

| I V | = | k k 3 Δ k ( Δ k f i i Δ ˜ k g ) | = | k k 3 d 2 k d h ( 2 k ( x y ) ) Δ k f i ( y ) i Δ ˜ k g ( y ) d y | = | k k 3 d 2 k d + k ( i h ) ( 2 k ( x y ) ) Δ k f i ( y ) i Δ ˜ k g ( y ) d y | k k 3 2 k M ( Δ k f Δ ˜ k g ) ( x ) k k 3 2 k M ( Δ ˜ k g ) ( x ) Δ k f k k 3 2 k M ( Δ ˜ k g ) ( x ) 2 k Δ k f f k k 3 2 k k M ( Δ ˜ k g ) ( x ) , (3.10)

利用离散形式的卷积不等式和引理2.2,可得当 s + 1 > 0 时有

2 k s I V K p , q α l r f k k 3 2 k k 2 k s M ( Δ ˜ k g ) K p , q α l r f 2 k k 2 k s 2 k s 2 k s M ( Δ ˜ k g ) K p , q α l r f 2 ( k k ) ( s + 1 ) 2 k s Δ k g K p , q α l r f g B K p , q , r α , s . (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 1 p < , 1 r , q , α 0 以及f是一螺线向量场。设 s n p + 1 且当 s = n p + 1 r=1 ,则

存在常数 C > 0 使得

2 k s [ f , Δ k ] g K p , q α ( A k ) l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , s , (3.12)

2 k s [ f , Δ k ] g K p , q α ( A k ) l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , s , (3.13)

2 k ( s 1 ) [ f , Δ k ] g K p , q α ( A k ) l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , s 1 . (3.14)

r = 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 i [ 1 , N ] 求和的习惯以及Bony仿积分解可得

[ f , Δ k ] g = [ f i , Δ k ] i g = f i Δ k i g Δ k ( f i i g ) = [ T f i , Δ k ] i g + T Δ k i g f i Δ k ( T i g f i ) Δ k ( R ( f i , i g ) ) : = I + I I + I I I + I V ,

类似引理3.1中的(3.3)可得

| I | | k k | 4 S k 1 f M ( | Δ k g ( ) | ) ( x ) | k k | 4 m k 2 Δ m f M ( | Δ k g ( ) | ) ( x ) , (3.15)

K p , q α 范数得

I K p , q α | k k | 4 m k 2 Δ m f M ( | Δ k g | ) K p , q α | k k | 4 m k 2 Δ m f Δ k g K p , q α . (3.16)

对任意 ρ ,按照文献 [7] 引理4.4估计 R j 1 ( u , v ) 的方法可得

2 k ρ I K p , q α l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , ρ . (3.17)

r = 时,做相应的改动即可。特别地,在(3.17)中取 ρ = s ρ = s 1 可得,对I可得

2 k s I K p , q α l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , s , (3.18)

2 k ( s 1 ) I K p , q α l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , s 1 . (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

2 k ( s 1 ) I K p , q α l r f B K p , q , r α , s 1 g B K p , q , r α , s . (3.20)

下面,对II利用(3.6)和文献 [7] 引理4.4(ii)估计 R j 4 , 1 ( u , v ) 的方法可得

2 k s I I K p , q α l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , ρ , (3.21)

2 k ( s 1 ) I I K p , q α l r f B K p , q , r α , s g B K p , q , r α , s 1 . (3.22)

此外,类似(3.20)可得

2 k ( s 1 ) I I K p , q α l r f B K p , q , r α , s 1 g B K p , q , r α , s . (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

I V K p , q α k k 3 2 k M ( Δ k f Δ ˜ k g ) ( x ) K p , q α k k 3 2 k M ( Δ k f ) K p , q α Δ ˜ k g k k 3 2 k k Δ k f K p , q α 2 k ( n p + 1 ) Δ k g K p , q α f B K p , q , α , s k k 3 2 k k 2 k ( n p + 1 s ) Δ k g K p , q α . (3.24)

因此,利用(3.6)和文献 [7] 引理4.4(ii)估计 R j 4 , 1 ( u , v ) 的方法可得,对IV,(3.12)~(3.13)右端的不等式也一样成立。由于 Δ ˜ k ~ Δ k ,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

{ t θ + u θ = 0 , ( x , t ) 2 × [ 0 , T ) , div u = 0 , θ ( 0 , x ) = θ 0 ( x ) , x 2 . (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 Δ k 作用在方程(4.1)的两边得

t Δ θ + u θ = [ u , Δ k ] θ . (4.2)

假设 X t ( α ) 是下面的常微分方程的解

{ t X t ( α ) = u ( X t ( α ) , t ) , X t ( α ) | t = 0 = α . (4.3)

则从(4.2)可得

d d t Δ k θ ( X t ( α ) , t ) = [ u , Δ k ] θ ( X t ( α ) , t ) ,

因此可推得

| Δ k θ ( X t ( α ) , t ) | | Δ k θ 0 ( α ) | + 0 t | [ u , Δ k ] θ ( X t ( α ) , t ) | d τ . (4.4)

在(4.4)式两边先取 范数,再乘以 2 k s 并取 l r 范数,则利用Minkowski不等式可得

2 k s Δ θ ( X t ( α ) , t ) K p . q α l r θ 0 B K p , q , r α , s + 0 t 2 k s [ u , Δ k ] θ ( X t ( α ) , t ) K p . q α l r d τ .

因为 div u = 0 ,故 X t ( α ) 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

θ B K p , q , r α , s θ 0 B K p , q , r α , s + 0 t 2 k s [ u , Δ k ] θ K p . q α l r d τ θ 0 B K p , q , r α , s + 0 t u B K p , q , r α , s θ B K p , q , r α , s d τ θ 0 B K p , q , r α , s + 0 t θ B K p , q , r α , s 2 d τ , (4.5)

这里用到了

u B K p , q , r α , s = R θ B K p , q , r α , s C θ B K p , q , r α , s .

因此利用Gronwall不等式,存在 T 0 = T ( θ 0 B K p , q , r α , s ) ,当 t [ 0 , T 0 ) 时有

θ B K p , q , r α , s θ 0 B K p , q , r α , s . (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

{ t θ ( n + 1 ) + u ( n ) θ ( n + 1 ) = 0 , ( x , t ) 2 × [ 0 , T ) , div u ( n ) = 0 , θ ( n + 1 ) ( 0 , x ) = S n + 2 θ 0 ( x ) , x 2 (4.7)

来定义序列 { θ ( n ) , u ( n ) } N 0 = N { 0 } ,其中。类似于(4.5)式的证明可得

θ ( n + 1 ) ( t ) B K p , q , r α , s θ 0 B K p , q , r α , s + 0 t u ( n ) B K p , q , r α , s θ ( n + 1 ) B K p , q , r α , s d τ θ 0 B K p , q , r α , s + 0 t θ ( n ) B K p , q , r α , s θ ( n + 1 ) B K p , q , r α , s d τ , (4.8)

其中用到事实

S n + 2 θ 0 B K p , q , r α , s θ 0 B K p , q , r α , s u = R θ .

利用Gronwall不等式可知存在 T 0 = T ( θ 0 B K p , q , r α , s ) 使得对任意 n , t [ 0 , T 0 ]

θ ( n ) ( t ) B K p , q , r α , s 2 θ 0 B K p , q , r α , s .

第三步 存在性。现在将证明存在与n无关的时间 T 1 ( T 0 ) 使得 { θ ( n ) } X T s 1 C ( [ 0 , T 1 ] ; B K p , q , r α , s 1 ) 中的柯西序列。为此令

δ θ ( n + 1 ) = θ ( n + 1 ) θ ( n ) , δ u ( n + 1 ) = u ( n + 1 ) u ( n ) .

则不难验证差分 满足方程

(4.9)

Δ k 作用在(4.9)的第一个方程可得

t Δ k δ θ ( n + 1 ) + u ( n ) Δ k δ θ ( n + 1 ) = [ u ( n ) , Δ k ] δ θ ( n + 1 ) Δ k ( δ u ( n ) θ ( n ) ) .

类似(4.5)可得

δ θ ( n + 1 ) B K p , q , r α , s 1 Δ n + 1 θ 0 B K p , q , r α , s 1 + 0 t 2 k ( s 1 ) [ u ( n ) , Δ k ] δ θ ( n + 1 ) K p , q α l r d τ + 0 t δ u ( n ) θ ( n ) B K p , q , r α , s 1 d τ . (4.10)

利用 的Fourier支集,可得

Δ n + 1 θ 0 B K p , q , r α , s 1 C 2 ( n + 1 ) θ 0 B K p , q , r α , s .

利用文献 [7] 的引理4.3和(3.13)可得

δ θ ( n + 1 ) B K p , q , r α , s 1 C 2 ( n + 1 ) θ 0 B K p , q , r α , s 1 + C 0 t u ( n ) B K p , q , r α , s δ θ ( n + 1 ) B K p , q , r α , s 1 d τ + C 0 t δ u ( n ) B K p , q , r α , s 1 θ ( n ) B K p , q , r α , s d τ C 1 2 ( n + 1 ) + C 1 T δ θ ( n + 1 ) X T s 1 + C 1 T δ u ( n ) X T s 1 , (4.11)

其中 C 1 = C 1 ( θ 0 B K p , q , r α , s ) 。因此若 C 1 T 1 8 ,则利用T的小性以及 δ u ( n ) X T s 1 的有限性可得 δ θ ( n + 1 ) X T s 1 2 C 1 2 ( n ) 。因此 { θ ( n ) } n N 0 X T s 1 中的一个柯西序列。按照标准的讨论,当 T 1 min { T 0 , 1 8 C 1 } 时,

极限函数 θ X T s 1 是方程(4.1)以 θ 0 为初值的解。此外, θ 还满足

θ L T 1 ( B K p , q , r α , s ) C θ 0 B K p , q , r α , s .

第四步 唯一性。假设 θ C T 1 ( B K p , q , r α , s ) 是满足相同初值的另外一个解。令 δ θ = θ θ , δ u = u u 。则 ( δ θ , δ u ) 满足方程

{ t δ θ + u δ θ + δ u θ = 0 , δ u = 0. (4.13)

按第一步的方法类似的可得当T充分小时

δ θ X T s 1 C 2 T δ θ X T s 1 ,

这意味着 ( δ θ , δ u ) 0 θ = θ

基金项目

江西省自然科学基金(项目编号:20192BAB201003)。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

[1] Constantin, P., Majda, A.J. and Tabak, E. (1994) Formation of Strong Fronts in the 2-D Quasi-Geostrophic Thermal Active Scalar. Nonlinearity, 7, 1495-1533.
https://doi.org/10.1088/0951-7715/7/6/001
[2] Wu, J. (1997) Qua-si-Geostrophic-Type Equations with Initial Data in Morrey Spaces. Nonlinearity, 10, 409-1420.
https://doi.org/10.1088/0951-7715/10/6/002
[3] Chae, D. (2003) The Quasi-Geostrophic Equation in the Triebel-Lizorkin Spaces. Nonlinearity, 16, 479-495.
https://doi.org/10.1088/0951-7715/16/2/307
[4] Wang, H. and Jia, H. (2009) Local Well-Posedness for the 2D Non-Dissipative Quasi-Geostrophic Equation in Besov Spaces. Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 70, 3791-3798.
https://doi.org/10.1016/j.na.2008.07.035
[5] Xu, J. and Tan, Y. (2013) The Well-Posedness of the Surface Quasi-Geostrophic Equations in the Besov-Morrey Spaces. Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 92, 60-71.
https://doi.org/10.1016/j.na.2013.06.019
[6] Herz, C. (1969) Lipschitz Spaces and Bernstein’s Theorem on Absolutely Convergent Fourier Transforms. Indiana University Mathematics Journal, 18, 283-323.
https://doi.org/10.1512/iumj.1969.18.18024
[7] Ferreira, L.C.F. and Pacutérez-Lórez, J.E. (2017) On the Theory of Besov-Herz Spaces and Euler Equations. Israel Journal of Mathematics, 220, 283-332.
https://doi.org/10.1007/s11856-017-1519-6
[8] Li, X. and Yang, D. (1996) Boundedness of Some Sublinear Operators on Herz Spaces. Illinois Journal of Mathematics, 40, 484-501.
https://doi.org/10.1215/ijm/1255986021
[9] Fefferman, C. and Stein, E.M. (1971) Some Maximal Inequalities. American Journal of Mathematics, 93, 107-115.
https://doi.org/10.2307/2373450