1. 引言
恶性肿瘤(癌症)已经成为严重威胁中国人群健康的主要公共卫生问题之一。近几十年来,描述肿瘤生长的数学模型的文献 [1] [2] 大量涌现出来。为更好地描述肿瘤在微环境中的生长,学者引进了相场模型 [3] [4] 来描述肿瘤的演变过程。在扩散界面框架中,Cahn-Hilliard类型的相场模型是最常用的模型,其适定性 [5] [6],渐近分析 [7] [8],滑模控制 [9] 等均得到了广泛的研究。考虑细胞间液体的流动性,学者结合流体力学提出了Cahn-Hilliard-Darcy方程组 [10]、Cahn-Hilliard-Hele-Shaw方程组 [11] 和Cahn-Hilliard-Navier- Stokes方程组 [12] 等模型。这些新模型为进一步体现细胞-微环境之间的相互作用提供了新的数学框架。
本文受Silva [13] 的启发,建立了无血管期肿瘤生长的相场模型。该模型耦合了营养物质浓度 
  的Allen-Cahn方程和序参数 
  的Cahn-Hilliard方程,描述了肿瘤生长所需营养物质的扩散过程和肿瘤细胞的演变过程。在介绍模型前,我先定义一些符号,在本文中假设 
  是一个有界开域,并且边界 
  是光滑的。定义 
 。未知函数 
  表示营养物质浓度, 
  表示序参数,序参数 
  表示在某个区域 
  某个时间点 
  细胞为肿瘤细胞, 
  为正常细胞。具体模型如下
  (1.1)
  (1.2)
 
其中 
 ,满足Neumann边界条件,无流边界条件和初值条件
  (1.3)
  (1.4)
  (1.5)
  (1.6)
其中 
  为扩散系数,是一个正常数。数 
  表示营养物质的消耗速度, 
  表示细胞移动速度, 
  表示化学势, 
  表示界面能系数, 
  为单位外法向量。
新的相场模型的简单推导如下:考虑总自由能泛函为
 
其中,双势阱函数 
 。自由能 
  关于时间 
  求导,可得
 
将方程(1.1),(1.2)代入上式,由假设 
  可得
 
因此模型满足热力学第二定律。
2. 主要结论
为了得出主要结论,需要先给出初边值问题(1.1)~(1.6)弱解的定义。在此之前,引入一个定义
 
定义1.1 假设 
 ,称函数 
  为问题(1.1)-(1.6)的弱解,并且满足
 
如果对任意的测试函数 
 ,满足
  (2.1)
  (2.2)
为研究该初边值问题的弱解,给出以下假设条件。
假设(H):在本文中,我们假设 
  并且满足
1) 
 
2) 
 
3) 
 
这里所有的参数 
  均为正常数。
注: 本文所取的 
  和 
  有一些限制,但是可以取得到的,这里给出一种选取方法。首先对满足连续条件 
  的函数 
 ,
  进行截断
 
其中 
  为某一正常数。然后对截断后的函数 
  进行磨光,磨光后的函数仍记为 
  和 
 。此时的 
  和 
  便满足假设条件(H)。
定理1. 给定任意正常数 
 ,假设 
 ,则在定义1的意义下,初边值问题(1.1)~(1.6)存在弱解 
 ,并且解满足
  (2.3)
  (2.4)
由于函数 
  不是常值函数,因此本文将考虑一维空间域内初边值问题(1.1)~(1.6)解的唯一性。
定理2. 假设 
  且 
  是一个有界开集,则由定理1得到的解 
  是唯一的。
注1. 稳态解的定义和主要结论在第五章节。
注2. 为方便起见,本文用 
  表示 
  空间的范数。
3. 弱解的存在性
由迭代法和Aubin-Lions引理不难得到初边值问题(1.1)~(1.6)局部解的存在性。在这一章节中,通过弱解 
  的一致先验估计,借助局部解延拓法证明整体解的存在性。
引理1. 假设 
 ,则对任意的 
 ,有
  (3.1)
证明:由于模型满足热力学第二定律,也就是能量的衰减性 
 。对其关于时间 
  积分,得
 
即
 
根据初值条件,应用Sobolve嵌入定理和带 
  的Young不等式,整理得
 
最后,考虑到函数 
  且 
  恒成立,取 
 ,证得(3.1)。至此证毕。
引理2. 假设 
 ,则对任意的 
 ,有
  (3.2)
证明:将(1.1)两边同时乘以 
  并关于 
  做积分,利用分部积分公式,可得
 
借助假设(H),Hölder不等式以及带 
  的Young不等式,可以得到
  (3.3)
对(3.3)在 
  上关于 
  积分,结合引理1得
 
考虑庞加莱不等式,(3.2)得证。至此证毕。
引理3. 假设 
 ,则存在常数 
 ,使得对任意的 
 ,有
  (3.4)
证明:方程(1.2)左右同乘 
 ,再关于 
  做积分,利用分部积分公式以及边界条件(1.4),可得
 
由假设(H2),将右边项分成四项,我们有
  (3.5)
考虑到 
 ,由Sobolev嵌入定理 [14] 知 
  嵌入到 
 。利用Gagliardo-Nirenberg不等式 [15]  
  (3.6)
以及带 
  的Young不等式,引理1可得 
  的估计
  (3.7)
类似地,不难得到 
  的估计
  (3.8)
这里应用了Gagliardo-Nirenberg不等式
 
  和 
  的估计比较简单,可以直接得到
  (3.9)
  (3.10)
结合(3.7)~(3.10),并代入(3.5),根据引理1和庞加莱不等式,有
  (3.11)
(3.11)关于时间 
  积分,并且选择 
 ,可以得到
  (3.12)
最后根据引理1和庞加莱不等式,利用椭圆方程的正则性,可得(3.4)。至此,引理证毕。
结合引理2和引理3,应用局部解延拓法,可以证明初边值问题(1.1)~(1.6)弱解的存在性,即定理1得证。
4. 一维模型解的唯一性
上一章节在先验估计的基础上证明了整体解的存在性。由于函数 
  不是常值函数,因此在这一章节我将证明一维空间域内初边值问题(1.1)~(1.6)解的唯一性,即定理2。
定理2的证明:假设 
  和 
  为定理1意义下的两个解,则差 
  和 
  满足
  (4.1)
  (4.2)
  (4.3)
  (4.4)
  (4.5)
  (4.6)
为证 
 ,需要得到 
  和 
  的估计,下面分成三部分进行:
(1) (4.1) 两边同乘 
 ,关于 
  做积分,然后根据分部积分公式可以得到
 
由假设(H)知,
 
其中 
  是一个函数。应用Hölder不等式,可得
 
于是,关于 
  做积分,可推得
  (4.7)
(2) (4.1)两边同乘 
 ,不难得到
  (4.8)
(3) 在(4.2)左右两边同乘 
 ,关于 
  做积分,利用分部积分公式可以得到
  (4.9)
由于 
 ,借助分部积分公式和边界条件(4.4),有
  (4.10)
将(4.10)代入(4.9)中,整理得
  (4.11)
于是,(4.11)式关于 
  做积分,并将右边项分成以下几部分进行估计
 
  (4.12)
考虑 
 ,则有Gagliardo-Nirenberg不等式
  (4.13)
结合假设(H2)以及带 
  的Young不等式,可以推导出 
  的估计
  (4.14)
由假设(H)和积分中值定理,有
 
其中 
  是一个函数。于是借助插值不等式(4.13),带 
  的Young不等式以及一般形式的Hölder不等式,再利用(4.6),可得
 
  (4.15)
依据Sobolev嵌入定理,我们发现 
  嵌入到 
 。因此,借助插值不等式(4.13)和带 
  的Young不等式,可以得到
  (4.16)
考虑假设(H),插值不等式(4.13)以及一些基本不等式,有
 
  (4.17)
类似地,不难得到 
  的估计
  (4.18)
以及
  (4.19)
现在,结合(4.14)-(4.19),选择 
  和 
  代入(4.12),可得
  (4.20)
最后,(4.7),(4.8)与(4.20)三式相加,对任意的 
 ,有
  (4.21)
根据初始条件(4.3)与(4.4),利用积分形式的Gronwall不等式 [14],发现 
  在 
  中几乎处处成立。到此证毕。
5. 稳态解的存在性
下面考虑问题(1.1)~(1.6)的稳态问题。稳态解 
  满足
  (5.1)
  (5.2)
其中 
 ,同时满足边界条件
  (5.3)
  (5.4)
现在给出稳态问题(5.1)~(5.4)弱解的定义和主要结论。
定义2. 称函数 
  为问题(5.1)~(5.4)的弱解,并且满足
 
如果对任意的测试函数 
 ,满足
  (5.5)
  (5.6)
定理3. 在定义2的意义下,稳态问题(5.1)~(5.4)存在弱解 
 ,并且解满足
  (5.7)
首先,对稳态问题(5.1)~(5.4)进行处理。对(1.1)关于 
  做积分,利用分部积分公式和边界条件(1.3), 可得
 
对上式关于 
  在 
  上做积分,并令 
 ,有
 
这里 
 。假设 
  存在,则 
  存在。由于 
 ,则 
 。
于是,方程组(5.1)~(5.2)改写为两个解耦的椭圆型方程,分别为Laplace方程
  (5.8)
和四阶非线性方程
  (5.9)
接下来化简方程(5.9),对其关于 
  做积分,再考虑其边界条件以及假设中 
 ,可以将其化简为半线性方程
  (5.10)
这里 
  为一常数。
引理4. 方程
 
且满足 
 。
由于方程为Neumann条件下的Laplace方程 [16],证明省略。
引理5. 方程
  (5.11)
存在弱解 
 ,并且满足 
 。
方程为Neumann条件下二阶半线性椭圆型方程 [17],故证明省略。
引理6. 方程
  (5.12)
存在弱解 
 ,并且满足 
 。
证明:由化简过程知,方程(5.11)与方程(5.12)有相同的弱解 
 ,下证 
 。方程(5.12)第一式左右同乘 
 ,再关于 
  做积分,利用分部积分公式以及边界条件,不难得到
  (5.13)
利用插值不等式(3.6)不等式,带 
  的Young不等式以及引理5,可得 
  的估计
  (5.14)
类似地,不难得到
  (5.15)
结合(5.14)~(5.15),并选择 
  代入(5.13),有
  (5.16)
至此证毕。
最后,结合引理4~引理6,定理3得证。