本文讨论下面非自治格点长波-短波共振方程组的初值问题
格点系统是某些变量离散化的时空系统,包括耦合的常微分方程组、耦合映射 格点和细胞自动机[12, 13]. 在某些情况下,格点系统表现为偏微分方程的空间变量离散化近似. 格点系统在许多领域有广泛的应用,涉及电子工程[11]、图象处理与模式识别[14, 15, 16]、激光理论[20]、材料科学[22]、化学反应理论[19, 32]、生物学[31]等.
目前已有很多文献研究了格点系统. 例如,文献 [9, 26, 27, 28, 29] 研究了 随机格点系统,文献 [1, 2, 25, 40, 43, 44, 45, 46, 47, 49, 50]研究了格点系统指数吸引子,拉回指数吸引子 和一致指数吸引子,文献 [8, 17, 23, 24]研究了格点方程组的行波解问题. 同时,数学物理学家 们把格点动力系统的理论应用到许多数学物理模型中. 例如,文献 [7] 研究了格点 反应扩散方程组,文献 [30] 研究了三分子可逆 Gray-Scott 方程组,文献 [33]研究了离散的非线性 Schrödinger 方程组,文献 [36, 42] 研究了离散的耦合非线性 Schrödinger型方程组,文献 [51]研究了格点KGS方程组,文献 [52]研究了格点长波-短波共振方程组.
方程组 (1.1)-(1.2) 可以看作是下面非自治 长波-短波共振方程组在 ${\Bbb R}$ 上的一个离散近似
由于它的重要性,长波-短波共振方程组已经被广泛地研究,参见文献 [3, 5, 6, 21, 35, 52].特别地,文献 [52] 研究了格点长波-短波共振方程组(1.1)-(1.2),作者首先证明了方程组的解算子生成的过程存在紧致核截面,然后给出核截面的 Kolmogorov $\varepsilon$-entropy熵的上界估计,最后,证明了核截面的上半连续性.
本文的主要目的是估计文献 [52] 中所得的核截面的分形维数. 正如文献[48] 所指出,有限分形维数的重要性体现为: 对某个度量空间$E$,若 ${\cal A}$是它的紧子集,且${\rm dim}_f({\mathcal A}) < m/2$,其中$m$是某个自然数,则存在Lipschitz内射 $\varphi: {\mathcal A}\mapsto {\mathbb R}^m$,并且 ${\cal A}$ 的逆映射是Hölder连续的.这个性质表明 ${\cal A}$ 可以被放入到映 ${\mathbb R}^m$中的某个紧集到 ${\cal A}$的连续映射的图中.
不变集的分形维数已被广泛地研究[10, 18, 34, 39]. 值得强调的是, 文献[18]证明了吸引子存在有限分形维数的一个准则,该准则是 Ladyzhenskaya的关于不变集的有限维数定理(见文献[34])的一个推广. 后来,文献 [48] 利用 文献[18] 中的思想方法来证明Hilbert空间中不变子集存在有限分形维数的准则.
在这篇文章中,我们将用文献 [48] 中法则去估计文献 [52] 中所得的核截面的分形维数. 本文的主要任务是证明方程组(1.1)-(1.2)所生成的过程: (1)在核截面 ${\cal K}(\tau)$上有Lipschitz性质; (2)在吸收集 ${\mathcal B}_0$中有压榨性质. 这里想指出的是,格点长波-短波共振方程组含有非线性项$(B(|u|^{2}))_{m}$,这给我们 在证明 Lipschitz 性质和压榨性质时带来了困难,因此需要做细致的计算和分析来处理这一项.
先介绍相关空间和算子. 记
为把格点方程组(1.1)-(1.3)写成向量形式,记 $$ \ell^{2} = (\ell^{2},(\cdot,\cdot),\|\cdot\|),\, l^{2}=(l^{2},(\cdot,\cdot),\|\cdot\|), $$ 则$\ell^{2}$和 $l^{2}$均为Hilbert空间. 记$ E=\ell^{2}\times l^{2} $,并在其中定义内积: 对于任意的$\psi^{(j)}=(u^{(j)},v^{(j)})^{T}\in E$,$j=1,2$,
为讨论初值问题 (2.5)-(2.7) 解的适定性, 我们需要假设外力项函数满足的一定的性质. 记 ${\mathcal C}_{b}({\mathbb R},X)$ 为从 ${\mathbb R}$ 到 $X$ 的连续有界函数全体,则$\forall f(t)\in {\mathcal C}_{b}({\mathbb R},X)$,有 $\sup\limits_{t\in {\bf {\Bbb R}}}\sum\limits_{m\in {\bf {\Bbb Z}}}|f_{m}(t)|^{2} < +\infty.$ 记
本文,我们需要以下假设.
假设 (H) 设常数 $\alpha,\beta,\gamma$ 和 $f(t),g(t)$ 满足
下面我们给出方程组(2.8)-(2.9)已有的一些结果.
引理 2.1[52] 设 $f(t)=(f_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal C}_{b}({\bf {\Bbb R}},\ell^{2})$,$g(t)=(g_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal C}_{b}({\bf {\Bbb R}},l^{2})$. 则对任意的初值 $\psi_{\tau}=(u_{\tau},v_{\tau})^{T}\in E $,方程组(2.8)--(2.9) 有唯一解 $\psi(t)=(u(t),v(t))^{T}\in E$ 且 $\psi(t)\in {\mathcal C}([\tau,+\infty),E)\cap {\mathcal C}^{1}((\tau,+\infty),E)$. 另外,解映射
引理 2.2[52] 设引理2.1的条件成立. 则方程组 (2.8)-(2.9)相应于初值 $\psi_{t-s}=(u_{t-s},$ $v_{t-s})^{T}\in E$ 的解$\psi(t)=(u(t),v(t))^{T}=U(t,t-s){\psi_{t-s}}\in E $满足 $$ \|\psi(t)\|^{2}_{E} \leqslant C_{0}{\mathrm e}^{-\theta s}+\frac{r^{2}_{0}}{2\theta},\forall s>0, $$ 其中$C_{0},\theta=\min\{\frac{\alpha}{2},\frac{\beta}{2}\}$ 和 $r_{0}$ 均为不依赖于 $t$ 和 $s$ 的常数. 也就是说,过程$\{U(t,\tau)\}_{t\geqslant\tau}$ 在 $E$上存在 一致有界吸收集${\mathcal B}_0\subset E$,即对任意有界集${\mathcal B}\subset E$, 存在时间$s({\mathcal B})>0$,使得 $$ U(t,t-s){\mathcal B}\subseteq {\mathcal B}_0,\,\forall s\geqslant s({\mathcal B}), $$ 其中${\mathcal B}_0={\mathcal B}(0,R_{0})\subset E$是$E$中以0为中心, $R_{0}:= \frac{r_{0}}{\sqrt{\theta}}$为半径的闭球.
由引理2.2知存在时间$t_{0}:= t_{0}({\mathcal B}_0)$,使得
引理 2.3[52] 设$f(t)=(f_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal H}(X=\ell^{2}), g(t)=(g_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in {\mathcal H}(X=l^{2})$,则 $U(t ,t-s)\psi_{t-s}=\psi(t)=(\psi_{m}(t))_{m \in {\bf {\Bbb Z}}}\in E $为初值问题(2.8)--(2.9)的解,其中$\psi_{t-s}\in {\mathcal B}_0$. 则对任意的$\varepsilon>0$,存在时间$T(\varepsilon,{\mathcal B}_0)>0$, $M(\varepsilon,s,{\mathcal B}_0)\in {\bf {\Bbb Z_{+}}}$使得
引理 2.4[52] 设引理2.3的条件成立. 则 $\left\{U(t,\tau)\right\}_{t\geqslant \tau}$ 存在一族紧致核截面 $\{{\mathcal K}(\tau)\}_{\tau\in {\Bbb R}}\subset E$,满足
(1) 紧致性: 对每个 $\tau\in {\Bbb R}$,${\mathcal K}(\tau)$ 是 $E$ 中紧集,且 ${\mathcal K}(\tau) =\bigcap\limits_{T>0} \overline{\bigcup\limits_{s>T}U(\tau,\tau-s){\mathcal B}_{0}} \subset {\mathcal B}_{0};$
(2) 不变性: $U(t,\tau){\mathcal K}(\tau)={\mathcal K}(t), \,\forall t\geqslant \tau,\,\tau\in {\mathbb R};$
(3) 拉回吸引性: 对 $E$ 中的任何有界集 ${\mathcal B}$,都有 $$\lim\limits_{s\rightarrow +\infty } {\mathrm dist}_{E}(U(\tau,\tau-s){\mathcal B},{\mathcal K}(\tau))=0,$$ 其中 ${\rm dist}_{E}(Y_1,Y_2)=\sup\limits_{x\in Y_1}\inf\limits_{y\in Y_2}\|x-y\|_{E}$.
本部分估计引理2.4所得核截面的分形维数.
定义 3.1 对任意的 $\tau\in {\mathbb R}$, 核截面${\mathcal K}(\tau)$的分形维数定义为
关于向量空间中不变集的分形维数的一般定义(参见文献[18, 34, 39]).
记
下面的引理在估计核截面的分形维数时起关键作用.
引理3.1 若假设(H) 成立且 引理2.4的条件成立. 则对任意的 $\tau\in {\mathbb R}$,存在不依赖于$\tau\in {\mathbb R}$ 的正数$T^{*}$,$L(T^{*})$,$N^{*}$ 和 $\eta\in (0,1/2)$,使得
(I) 对任意的$\psi^{(1)}_{\tau},\psi^{(2)}_{\tau}\in {\mathcal K}(\tau)$,有
(II) 存在投影算子 $P_{2N^{*}}: E\mapsto E^{(2N^{*})}$ 使得对每个 $\tau\in {\mathbb R}, \psi^{(1)}_{\tau},\psi^{(2)}_{\tau}\in{\mathcal K}(\tau)\subseteq {\mathcal B}_{0}$,有
证 由文献 [52,引理3.1]知, 存在$E$中以2为直径覆盖${\mathcal K}(\tau)$ 的一致有界闭子集. 对任意的$\tau\in {\mathbb R}$,记 $$ \psi^{(1)}(t)=(u^{(1)}(t),v^{(1)}(t))^T=U(t,\tau)\psi^{(1)}_{\tau}, $$ $$ \psi^{(2)}(t)=(u^{(2)}(t),v^{(2)}(t))^T=U(t,\tau)\psi^{(2)}_{\tau},\forall t\geqslant\tau $$ 为初值问题(2.8)-(2.9)的两个解, 其中$\psi^{(1)}_{\tau},$ $\psi^{(2)}_{\tau}\in{\mathcal K}(\tau)\subseteq {\mathcal B}_{0}$. 对$t-\tau\geqslant t_{0},\psi^{(1)}(t),$ $ \psi^{(2)}(t) \in {\mathcal K}(t)\subset {\mathcal B}_{0}$. 文后记 \begin{eqnarray*} &\psi_{d}(t)=\psi^{(1)}(t)-\psi^{(2)}(t),\quad u_{d}(t)=u^{(1)}(t)-u^{(2)}(t),\quad & v_{d}(t)=v^{(1)}(t)-v^{(2)}(t). \end{eqnarray*} 由(2.8)-(2.9)式得
(II) 定义一个光滑函数 $\chi(x)\in {\mathcal C}^{1}({\bf {\Bbb R}}_+,[0, 1])$,满足 \begin{eqnarray*} \quad \chi(x)=\left\{ \begin{array}{ll} 0,0\leqslant x\leqslant 1; \\ 1,x\geqslant 2, \end{array} \right.\,{\mbox{且}} |\chi'(x)|\leqslant \chi_0 \,(\mbox{正常数}), \forall\,x\in {\bf {\Bbb R}}_+. \end{eqnarray*} 记 $$ p_d=(p_{dm})_{m\in {\Bbb Z}},q_d=(q_{dm})_{m\in {\Bbb Z}}, z_{d}=(z_{dm})_{m\in {\Bbb Z}}, $$ $$ p_{dm}=\chi(\frac{|m|}{M})u_{dm}, q_{dm}=\chi(\frac{|m|}{M})v_{dm}, z_{dm}=(p_{dm},q_{dm}), $$ 其中$M$为某个正数. 由于$(u^{(1)},v^{(1)})$ 和 $(u^{(2)},v^{(2)})$满足 (2.5)式,因此
定理 3.1 若假设(H) 成立且 引理2.4的条件成立, $\{{\cal K}(\tau)\}_{\tau\in {\Bbb R}}$为过程$\{U(t,\tau)\}_{t\geqslant \tau}$ 的核截面. 则对任意的$\tau\in {\Bbb R}$,核截面${\mathcal K}(\tau)$的分形维数满足
证 由文献[48,引理3.1和定理2.1]可得该定理的结果. 证明完毕.