非线性动力系统若干理论问题研究

摘要

本题目来源于国家自然科学基金项目课题“几类非线性数学物理模型方程与抛物方程”(No．10271034)与“高阶发展方程与Schrodinger方程的动力学性态”(No．10871055)本文利用位势井族方法定性研究几类非线性动力系统，得到相应数学物理模型方程定解问题解的不变集合和真空隔离，并研究了系统的整体适定性和有限时间爆破．特别是得到了整体解存在的最佳条件(门槛结果)．对于特殊问题，得到解的长时间行为。 首先，文章研究一类具有多个非线性源项的波动方程的初边值问题．该问题来源于量子力学中的Klein—Gordon方程．文章研究的非线性情形是考虑若干同性外源影响下系统的整体适定性问题，但并不限定外源的数量．通过建立变分问题的一般结构，得出整体解存在与不存在的充要条件，并在临界情况下讨论了解的存在性条件．对于此问题进一步讨论了若干异性外源项影响下系统的适定问题．文章对于非正定能量通过建立位势井族理论克服能量估计的困难．阐述了位势井族相应泛函的性质，并得到了其与系统内某特殊球的关系。同时对于具有若干异号源项的波动方程讨论了位势井深度函数的性质．文章得到了其整体解存在与不存在的充分必要条件和真空隔离，并讨论了临界条件下的整体解存在性．利用反应扩散方程与波动方程在势能表达式上的相似性，对于非线性反应扩散方程文章得到了与波动方程平行的结论． 接着，文章讨论了具有复杂结构的系统方程．首先研究从粘性塑性微结构模型的弱非线性分析中提出的一类具耗散和应变的四阶波动方程的初边值问题．在系统能量正定条件下系统的坍塌和临界条件下系统的适定性问题一直是热点问题．本文从变分法的基本理论出发针对此类高阶复杂的非线性模型用积分估计，等价模和积分变换等技巧构造了新的位势井．并得到了相应位势井族的性质．同时还得到了位势井族泛函和H20(Ω)空间中球的对应关系．文章首次对正定导数构成的空间建立变分问题，并研究了其与原变分问题的关系．通过正负导数空间的划分，本文指出最小化算子属于正定导数空间的Nehari流形．同时给出了单个位势井深度的精确估计．在此基础上文章得到了此问题解的不变集合与真空隔离．并在正定能量条件下得到整体解存在与有限时间爆破的最佳条件，即门槛结果．而这些结果可以和H20(Ω)空间中球的内部和外部直接对应．对于初始能量大于零，等于零和小于零的情形，文章均证明了系统的爆破．对于临界初始能量，文章全面讨论了整体解的存在性和不存在性，并得到了适合于临界能量的最佳条件，且并不要求初值的正定内积．由此结论可推知对于反应扩散系统和具耗散的波动系统可不要求初值的正定内积．最后对假设条件进行了叙述上的简化和具体化，使得相关结论可以方便地应用于工程实践．同时也给出了具体工程问题的一些具体函数适用于本模型的例子．最后，利用乘子法，对于具有色散耗散项的四阶波动方程的初边值问题和强阻尼非线性波动方程的初边值问题分别得到了其整体解的长时间行为． 进一步，文章研究了一类广义Boussineq方程．Boussineq方程用以描述具有小扰动的长波水波运动，并频繁地被用于浅海或海港区水波运动的模拟中．对于一类广义Boussineq方程的柯西问题，本文针对f(u)=±｜u｜p和f(u)=—｜u｜p—1(p>1)讨论整体解存在性与不存在性，首先使用Fourier变换得到系统的能量守恒．对于正定能量和非正定能量的情形得到所对应的位势井的相关性质和解的真空隔离现象．而后基于这些性质，文章证明了上述问题整体解存在与有限时间爆破的门槛结果．对于临界初始能量，文章也得到了上述问题整体解存在与有限时间爆破的门槛结果，但不同于具有耗散的波动系统，该门槛结果要求初值具有正定内积。 最后，本文模拟分析了势能控制函数的性质和初值的性态，并且模拟了位势井族深度函数的形态，分析了复杂源项对上述问题的影响．

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1动力系统中的偏微分方程

1.1.1系统科学与动力系统

1.1.2 非线性发展方程的性质及研究意义

1.1.3 位势系统

1.2位势井方法

1.3关于高阶发展方程的位势井理论

1.4关于位势井理论的若干公开问题

1.5关于广义Boussinesq方程

1.6文章的结构

第2章具多个非线性源项的波动方程

2.1 引言

2.2位势井的引入

2.3解的集合不变性和真空隔离

2.4解的整体存在性和不存在性

2.5具有临界初始条件I(u0)≥0，E(0)=d的问题(2.4)，(2.5)，(2.6)

2.6本章小结

第3章具多个异号源项的波动方程和反应扩散方程

3.1 引言

3.2位势井族的引进

3.3不变集合和真空隔离

3.4问题(3.2)-(3.4)解的整体存在与爆破

3.5具有临界条件I(u0)≥0，E(0)=d的问题(3.2)-(3.4)

3.6反应扩散方程

3.7本章小结

第4章具耗散和非线性应变的波动方程

4.1引言

4.2预备引理与位势井族的引进

4.3解的真空隔离与不变集合

4.4 问题(4.3)-(4.5)当E(0)＜d时整体解的存在性与不存在性

4.5具临界初始条件E(0)=d的问题(4.3)-(4.5)

4.6推论和例子

4.7具色散耗散项的四阶波动方程解的渐近性质

4.8强阻尼非线性波动方程的渐进性质

4.9本章小结

第5章广义Boussinesq方程的柯西问题

5.1引言

5.2预备引理与位势井族的引进

5.3不变集合与解的真空隔离

5.4整体存在性与有限时间爆破

5.5具临界初始条件E(0)=d的问题(5.5)，(5.6)

5.6本章小结

第6章关于深度函数的分析及应用

6.1深度函数的分析

6.1.1 f(x)随p的变化规律

6.1.2 嵌入常数C对f(x)的影响

6.1.3 使得f(x)取得最大值的x随C的变化规律

6.1.4 fδ(x)随p的变化规律

6.1.5 d(δ)图像

6.1.6 两个同号非线性源项的f(x)随p，q的变化规律

6.1.7 单源项，同号多源项，异号多源项f(x)图形对比

6.1.8 同号源项与异号源项的d(δ)图像

6.2具调和位势的非线性Schr(O)dinger方程

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢