宋瑞麗， 蘇 曉

（1.鄭州經(jīng)貿(mào)學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)科部，河南鄭州451191； 2.河南工業(yè)大學(xué)理學(xué)院，河南鄭州450001）

研究下列四階具雙阻尼項(xiàng)非線性波動(dòng)方程的周期Cauchy問題小振幅解的存在性及衰減估計(jì)，其中，x∈R，ξ、η是已知的初始函數(shù)，u（x，t）是未知函數(shù)且滿足u（x+2π，t）＝u（x，t），下標(biāo)t和x分別表示關(guān)于t和x求偏導(dǎo)，μ＞0為常數(shù)，非線性函數(shù)f∈Ck（R）滿足｜f（l）（u）｜≤｜u｜α-l且0≤l≤k≤α，α＞1.

文獻(xiàn)［1］探討了孤立水波，這推進(jìn)了人們對(duì)描述流體、等離子體、彈性體中波動(dòng)現(xiàn)象的非線性偏微分方程的研究.文獻(xiàn)［2］首次提出了如下2種基本形式的Boussinesq（Bq）方程：

文獻(xiàn)［3-4］研究了多維IMBq方程

的Cauchy問題解的整體存在性和唯一性，并給出該方程解不存在的充分條件以及小振幅解的整體存在性和唯一性.文獻(xiàn)［5］研究了具有阻尼項(xiàng)的IMBq方程

的Cauchy問題解的整體存在性和解的爆破，其結(jié)果與文獻(xiàn)［3］相似，但沒有體現(xiàn)阻尼項(xiàng)對(duì)解存在性和解性質(zhì)的影響.文獻(xiàn)［6-7］利用Besov空間改進(jìn)了文獻(xiàn)［5］中的一些結(jié)果.文獻(xiàn)［8］研究了方程（4）的Cauchy問題在小初值下解的整體存在性和解的衰減性并體現(xiàn)了阻尼項(xiàng)對(duì)解的影響.文獻(xiàn)［9］對(duì)方程

的Cauchy問題做了進(jìn)一步研究.大多數(shù)學(xué)者研究的是這類方程的Cauchy問題或初邊值問題，對(duì)其周期問題的研究結(jié)果還相對(duì)較少.本文同時(shí)考慮2種阻尼項(xiàng)，研究在小初值下周期Cauchy問題（1）和（2）解的整體存在性、唯一性和衰減性.

約定使用如下記號(hào)：Lebesgue空間Lp＝Lp（Rn），且賦予范數(shù)‖·‖L p.周期函數(shù)的Sobolve空間

周期函數(shù)的齊次Sobolve空間及其范數(shù)

1 線性方程的衰減性

下面討論線性Cauchy問題

解的衰減性質(zhì).利用周期函數(shù)性質(zhì)、Fourier變換和Duhamel原理，可得問題（4）和（5）的解可表示為

其中

其中s

引理1.1設(shè)ξ，η∈H，s≥0，則對(duì)所有的t＞0，有下列估計(jì)式成立：

其中

證明1）‖G（t）η‖˙H s的估計(jì).由Parseval等式可知

下面對(duì)L（n，t）進(jìn)行估計(jì).先假定0＜μ≤2，令

得

L（n，t）可寫為

根據(jù)不等式

易得

根據(jù)不等式

和

可得

因?yàn)閚0和1之間的大小關(guān)系會(huì)直接影響L（n，t）在｜n｜＞1時(shí)的取值，進(jìn)而影響L（n，t）的估計(jì)，所以首先假定n0≤1，此時(shí)

從而

對(duì)于n0＞1，此時(shí)

由（7）、（9）和（12）式可得

從而，當(dāng)0＜μ≤2時(shí)，有

對(duì)于μ＞2，易知

必為正，易得

由（7）和（13）式可得

從而，當(dāng)μ＞2時(shí)，有

綜合0＜μ≤2和μ＞2兩種情況，可得

其中

2）‖G（t）η‖H s的估計(jì).由Parseval等式和（14）式可知

其中

下面對(duì)K（n，t）進(jìn)行估計(jì).對(duì)于0μ≤2，有

根據(jù)（8）式，易得（8）、（10）和（11）式可得

根據(jù)

同樣需要考慮n0和1之間的大小關(guān)系.當(dāng)n0≤1時(shí)，K（n，t）＝K1（n，t），由（15）和（16）式可得

當(dāng)n0＞1時(shí)，有

由（15）-（17）式可得

所以，當(dāng)0＜μ≤2時(shí)有

對(duì)于μ＞2，有

因此，有

由（15）和（18）式，可推出

綜合0＜μ≤2和μ＞2兩種情況，得

由（19）和（20）式可推出

所以

類似（14）式的估計(jì)，有

由Minkowaki不等式，得

由Minkowaki不等式得

綜上，引理1.1成立.

下面對(duì)ut進(jìn)行估計(jì).由（6）式可得

引理1.2 設(shè)ξ，η∈Hs，s≥0，則對(duì)所有的t＞0，有下列估計(jì)式成立：

證明1）‖?tG（t）η‖˙H s的估計(jì).記

由Parseval等式可知

下面先對(duì)P（n，t）進(jìn)行估計(jì).首先，假定0＜μ≤2，P（n，t）可寫為

根據(jù)（8）式易得

根據(jù)（10）和（11）式可推出

首先，假定n0≤1，此時(shí)

由（21）和（22）式可得

對(duì)于n0＞1，此時(shí)

由（21）-（23）式可得

所以，當(dāng)0＜μ≤2時(shí)有

其次，對(duì)于μ＞2，易知此時(shí)＞

由（21）和（24）式可得當(dāng)μ2時(shí)，有

綜合0＜μ≤2和μ＞2兩種情況，可得

2）‖?tG（t）η‖H s的估計(jì).由Parseval等式和（25）式可知

由Parseval等式可知

根據(jù)（8）式，易得

類似（12）式的推導(dǎo)，可得

當(dāng)n0≤1時(shí)，Q（n，t）＝Q1（n，t），由（26）和（27）式可得

當(dāng)n0＞1時(shí)，有

由（26）和（27）式可得

所以，當(dāng)0＜μ≤2時(shí)，成立

對(duì)于μ＞2，有

因此，有

由（26）和（28）式可推出

綜上0＜μ≤2和μ＞2兩種情況，可得

類似（25）式的推導(dǎo)，可得

由Minkowaki不等式得

引理1.2證明完畢.

引理1.3假設(shè)函數(shù)f∈C1（k），u∈H1且滿足

則有

證明一方面，有綜上

命題1.4假設(shè)ξ，η∈Hs，s≥0，則線性問題（4）和（5）存在唯一解

u∈C（［0，T］；Hs）∩C1（［0，T］；Hs），且有衰減估計(jì)：

2 局部解的存在性和唯一性

下面利用壓縮映射原理和積分估計(jì)式，討論周期Cauchy問題（1）和（2）局部解的存在性及唯一性.

定理2.1假設(shè)f∈C1（R），則存在正常數(shù)δ，使得對(duì)于滿足

進(jìn)一步，如果

那么T0＝∞.

證明根據(jù)Duhamel原理，問題（1）和（2）可寫作如下的積分方程

定義函數(shù)空間

其中

容易驗(yàn)證X是一個(gè)Banach空間.定義映射N如下：

在（31）式中令s＝1注意到M1≥1并利用引理1.3，可推出

當(dāng)σ和ρ充分小時(shí)，有

在（32）式中令s＝1注意到M2≥1并利用引理1.3，可推出

當(dāng)σ和ρ充分小時(shí)，有

由（33）和（34）式可以得到因此，N把X映到X.

下面證明N是嚴(yán)格壓縮的.設(shè)?u，v∈X，已知

類似（35）式，可得

由（35）和（36）式可得

因此，對(duì)于充分小的ρ，N在X上是映上的且嚴(yán)格壓縮的.根據(jù)壓縮映像原理，N（u）在X上存在唯一的不動(dòng)點(diǎn)u（x，t）.因此，u（x，t）是問題（1）和（2）的解，且

至于解的唯一性，可用一般的論證方法，在此忽略不證.

下面證明解的存在區(qū)間［0，T］是可以延拓的.以u(píng)（·，T1）和ut（·，T1）作為初值，由壓縮映像原理可得問題（1）和（2）在［0，T2］（T2＞T1）上的一個(gè)解.繼續(xù)使用壓縮映像原理，可得一個(gè)關(guān)于時(shí)間的遞增序列使得問題（1）和（2）在［0，Tk］（k＝1，2，…）上有一個(gè)解.事實(shí)上，在每個(gè)區(qū)間［Tk，Tk+1］（k＝1，2，…）上的解可看作由壓縮映像得到的不動(dòng)點(diǎn)，.于是出現(xiàn)2種情況：

如果T0＝+∞，那么問題（1）和（2）的解就是整體解.如果T0＜+∞，那么

否則，假設(shè)‖u‖H1+‖ut‖H1有有限上界M，那么就可以以u(píng)（·，t0）和ut（·，t0）為初值，運(yùn)用壓縮映像原理得到局部解.由（33）和（34）式可知，總可以選取依賴M但不依賴t0的T*∈（0，T0），使得問題（1）和（2）在X（T*）上有唯一解.通過有限次的迭代運(yùn)用壓縮映像原理可得這個(gè)解是［0，T0+ε］（ε＞0）上的解.因此，（37）式成立.定理證畢.

3 整體解的存在性、唯一性和衰減性

引理3.1設(shè)C1為正常數(shù)，對(duì)于足夠小的σ＞0，方程C1xα-x+C2σ＝0的正根必定存在.

定理3.1設(shè)f∈Ck（R）且滿足

則有足夠小的正常數(shù)σ，使得滿足˙

的任意ξ，η∈H1∩H1，問題（1）和（2）存在唯一的整體解

且有衰減估計(jì)

證明由定理2.1知，要證明（38）式成立，只需要證明

由Minkowaki不等式、引理1.1和引理1.3可推出

從而對(duì)足夠小的σ有方程

其中B1是

的正根.

由Minkowaki不等式、引理1.2和引理1.3可推出

從而對(duì)足夠小的σ有

其中B2是方程

的正根.

至于解的唯一性，可用一般的論證方法，本文忽略不證.從而定理證畢.