ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2021, том 57, № 9, с.1191-1202
УРАВНЕНИЯ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ
УДК 517.956+517.958:532.5
РАВНОМЕРНЫЕ АТТРАКТОРЫ
ДЛЯ МОДИФИЦИРОВАННОЙ МОДЕЛИ
КЕЛЬВИНА-ФОЙГТА
© 2021 г. А. С. Устюжанинова
Доказывается существование равномерных минимального траекторного и глобального
аттракторов для слабых решений неавтономной модифицированной модели Кельвина-
Фойгта.
DOI: 10.31857/S0374064121090053
Введение. При изучении динамики систем особое значение имеют свойства, сохраняющи-
еся при длительной эволюции системы. При этом естественно возникает понятие аттрактора
как множества в фазовом пространстве системы, к которому в том или ином смысле стремятся
с течением времени все её траектории, начинающиеся в некоторой окрестности этого множе-
ства. Все основные свойства динамики изучаемой системы определяются её аттрактором.
М.И. Вишиком и В.В. Чепыжовым в работе [1] построена теория равномерных аттракто-
ров семейства трансляционно инвариантных пространств траекторий. С помощью этой теории
установлено существование аттракторов у неавтономной трёхмерной системы Навье-Стокса.
При этом требование инвариантности пространства траекторий существенно сужает область
применимости теории трансляционно инвариантных траекторных пространств к моделям гид-
родинамики. От этого требования удалось освободиться в работе [2], в которой построена тео-
рия равномерных аттракторов для неинвариантных пространств траекторий. Попутно в [2]
удалось освободиться также и от некоторых дополнительных ограничений работы [1]: снято
требование полноты метрического пространства для пространства символов системы и тре-
бование замкнутости пространства траекторий. Изложение теории равномерных аттракторов
для неинвариантных пространств траекторий и примеры приложения этой теории к конкрет-
ным моделям гидродинамики можно найти в работах [3, 4].
Опишем модель, для которой в данной работе будут исследованы вопросы существования
минимального равномерного траекторного и равномерного глобального аттракторов.
Пусть Ω Rn (n = 2, 3) - ограниченная область с достаточно гладкой границей (напри-
мер, границей класса C3). Рассмотрим следующую систему уравнений:
∂v
∂v
Δv
Δv
- νΔv +
-κ
-κ
vk
+ ∇p = f;
(1)
∂t
vi ∂xi
∂t
∂xk
i=1
k=1
div v = 0.
(2)
В этой системе v(x, t) - вектор скорости частиц жидкости в точке x в момент t; p(x, t) -
давление жидкости в точке x в момент t; f(x, t) - плотность внешних сил. Константы ν > 0
и κ > 0 характеризуют вязкость жидкости и время релаксации соответственно. Искомыми
являются функции v и p.
Система уравнений (1), (2) впервые получена в работе [5] и нашла экспериментальное
подтверждение в исследованиях [6, 7] течений слабоконцентрированных водных полимерных
растворов.
Рассмотрим для системы (1), (2) начально-краевую задачу с начальным
v|t=0 = a
(3)
и с граничным
v|Ω = 0
(4)
условиями.
1191
1192
УСТЮЖАНИНОВА
Исследование разрешимости начально-краевой задачи (1)-(4) начато А.П. Осколковым в
работах [8, 9]. Однако в своей статье [10] он отметил, что доказательства его результатов со-
держат ошибки и ему не удалось методом Фаедо-Галёркина доказать существование решений
задачи (1)-(4).
Существование слабого решения задачи (1)-(4) на конечном отрезке [0, T ] доказано в ра-
боте [11] (также отметим статьи [12, 13], посвящённые задачам оптимизации для рассматрива-
емой модели). После этого для автономной модифицированной модели Кельвина-Фойгта в ра-
боте [14], основываясь на теории аттракторов неинвариантных пространств траекторий, было
установлено существование траекторного и глобального аттракторов. Использование данно-
го подхода обусловлено отсутствием теоремы единственности для слабых решений начально-
краевой задачи (1)-(4). Отметим, что для сильных решений рассматриваемой задачи имеет
место теорема единственности [9], но их существование не доказано до сих пор.
Следующим важным вопросом является изучение предельного поведения решений систе-
мы (1)-(4) при правой части, зависящей от времени. Такие системы называют неавтономны-
ми, и именно такие системы зачастую возникают в приложениях, где важен вопрос описания
их предельного поведения. В данной работе для неавтономной системы (1)-(4) доказывает-
ся существование равномерного минимального траекторного и равномерного глобального ат-
тракторов.
1. Основные определения и необходимые обозначения. Через E и E0 обозначаем
банаховы пространства, причём будем считать, что пространство E рефлексивно и непрерыв-
но вложено в пространство E0. Обозначим через C(R+; E0) линейное пространство непрерыв-
ных функций, определённых на R+ и принимающих значения в E0. В дальнейшем C(R+; E0)
рассматриваем как метрическое пространство с метрикой равномерной сходимости на конеч-
ных отрезках, а именно, последовательность (um) ⊂ C(R+; E0) сходится к функции u ∈
∈ C(R+;E0) тогда и только тогда, когда эта последовательность сходится к u равномерно
на каждом отрезке, содержащемся в R+. Очевидно, что метрическое пространство C(R+; E0)
полно.
Пусть ΠM (M 0) - оператор сужения на отрезок [0, M] функций, заданных на R+.
Из определения сходимости в C(R+; E0) следует, что оператор ΠM непрерывно отображает
C(R+; E0) в C([0, M], E0).
Лемма 1. Для того чтобы множество P ⊂ C(R+; E0) являлось относительно компакт-
ным в C(R+;E0), необходимо и достаточно, чтобы при любом M > 0 множество ΠM P
было относительно компактно в C([0,M],E0).
Через L(R+; E) обозначим линейное пространство, состоящее из классов совпадающих
почти всюду функций u, определённых на R+ и принимающих значения в E, для которых
найдётся число αu такое, что ∥u(t)E αu при почти всех t (такие функции называются
существенно ограниченными). Норма в L(R+;E) задаётся формулой
∥u∥L(R+;E) = vrai sup ∥u(t)E ,
t∈R+
здесь vrai sup ∥u(t)E - это нижняя грань множества {sup ∥u(t)E : t ∈ R+ \ M}, где M про-
t∈R+
бегает все подмножества в R+, имеющие нулевую меру. Для всякой функции u ∈ L(R+; E)
при почти всех t0 имеет место неравенство ∥u(t)E∥u∥L(R+;E). Пространство L(R+; E),
снабжённое указанной нормой, является банаховым (см. [15, с. 309]).
Определение 1. Пусть J - конечный или бесконечный интервал вещественной оси, J - его
замыкание и Y - банахово пространство. Функция u : J → Y называется слабо непрерывной,
если из того, что tn → t, tn ∈ J, следует, что u(tn) → u(t) слабо в Y.
Множество слабо непрерывных функций u : J → Y будем обозначать через Cw(J, Y ).
Также нам потребуется следующая теорема (см., например, [16, с. 211]).
Теорема 1. Пусть E и E0 - два банаховых пространства таких, что E ⊂ E0, причём
вложение непрерывно. Если функция v принадлежит пространству L(0, T ; E) и непре-
рывна как функция со значениями в E0, то v слабо непрерывна как функция со значениями
в E, т.е. v ∈ Cw([0,T],E).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
РАВНОМЕРНЫЕ АТТРАКТОРЫ
1193
Следовательно, функции, принадлежащие классу C(R+; E0)
L(R+;E), слабо непре-
рывны со значениями в E, а их значения принадлежат пространству E при всех t ∈ R+.
Для каждого h 0 определим оператор сдвига T (h), который функции f(t), t 0,
ставит в соответствие функцию f(t + h), t 0, т.е. (T (h)f)(t) = f(t + h). Очевидно, что
имеет место тождество T (h1)T (h2) = T (h1 + h2) для всех h1, h2 0, а также что T (0) -
тождественный оператор.
2. Основные определения теории равномерных аттракторов. Приведём основные
понятия теории равномерных аттракторов [3, 4].
Рассмотрим абстрактное неавтономное эволюционное дифференциальное уравнение
u(t) = Aσ(t)(u(t)), u(t) ∈ E,
(5)
где σ - некоторый функциональный параметр, который будем называть символом уравне-
ния (5). Далее предполагаем, что σ принадлежит некоторому множеству параметров Σ, ко-
торое будем называть пространством символов. Обычно Σ - это подмножество некоторого
пространства зависящих от времени функций. В приложениях функция σ обычно состоит
из всех зависящих от времени коэффициентов и правых частей рассматриваемого уравнения.
Предположим, что для каждого σ ∈Σ задано непустое множество H+σ ⊂C(R+; E0)L(R+;E)
решений (в каком-либо смысле, например, сильных, слабых и т.п.) уравнения (5), определён-
ных на полуоси. Множества H+σ будем называть траекторными пространствами, а их эле-
менты - траекториями. Рассмотрим также объединённое траекторное пространство H =
= σ∈ΣHσ.Отметим,чтопосколькукаждоеHσнепусто,тоиHΣ непусто.
Определение 2. Множество P ⊂ C(R+; E0)
L(R+;E) называется равномерно (отно-
сительно σ ∈ Σ) притягивающим (для уравнения (5)), если для всякого множества B ⊂ H,
ограниченного в L(R+; E), выполняется условие sup
inf
∥T (h)u-v∥C(R+ ;E0)0 при h→∞.
u∈B
v∈P
Определение 3. Множество P ⊂ C(R+; E0)
L(R+;E) называется равномерно погло-
щающим, если для всякого множества B ⊂ H, ограниченного в L(R+; E), существует
h 0 такое, что при всех t h имеет место включение T(t)B ⊂ P.
Любое равномерно поглощающее множество является равномерно притягивающим.
Определение 4. Множество P ⊂ C(R+; E0)
L(R+;E) называется равномерным тра-
екторным полуаттрактором (для уравнения (5)), если оно удовлетворяет следующим ус-
ловиям:
(i) множество P компактно в C(R+; E0) и ограничено в L(R+; E);
(ii) имеет место включение T (h)P ⊂ P для всех h 0;
(iii) множество P является равномерно притягивающим.
Определение 5. Множество P ⊂ C(R+; E0)
L(R+;E) называется равномерным (от-
носительно σ ∈ Σ) траекторным аттрактором (для уравнения (5)), если оно удовлетворяет
условиям (i), (iii) определения 3, а также условию
(ii) имеет место равенство T (h)P = P для всех h 0.
Определение 6. Минимальным равномерным траекторным аттрактором пространства
траекторий H называется наименьший по включению равномерный траекторный аттрактор.
Определение 7. Множество A ⊂ E называется равномерным (относительно σ ∈ Σ)
глобальным аттрактором E0) для уравнения (5), если оно удовлетворяет следующим
условиям:
(a) множество A компактно в E0 и ограничено в E;
(b) для всякого ограниченного в L(R+; E) множества B ⊂ H выполняется условие
притягивания
sup
inf
∥u(t) - y∥E0 0 при t → ∞;
y∈A
u∈B
(c) множество A является наименьшим по включению множеством, удовлетворяющим
условиям (a) и (b).
Замечание 1. Если семейство траекторных пространств имеет минимальный равномер-
ный траекторный аттрактор или равномерный глобальный аттрактор, то он единственный.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
1194
УСТЮЖАНИНОВА
Замечание 2. Пространство символов Σ, вообще говоря, может состоять даже из одного
элемента σ, соответствующего рассматриваемому уравнению. Однако в приложениях теории
чтобы оправдать слово “равномерный” обычно предполагают, что Σ Σ0, где Σ0 = {T (h)σ :
h 0}.
Замечание 3. Минимальный равномерный траекторный аттрактор и равномерный гло-
бальный аттрактор зависят от выбора множества Σ. Если для двух пространств символов
имеет место включение Σ1 Σ2, то такое же включение имеет место и для соответствую-
щих им минимальных равномерных траекторных аттракторов UΣ1 ⊂ UΣ2 и для равномерных
глобальных аттракторов AΣ1 ⊂ AΣ2 . Более того, при расширении пространства символов
возможны случаи, когда равномерных аттракторов не существует. Подробный пример описан
в [3, замечание 4.3.3].
Имеют место следующие теоремы.
Теорема 2. Если равномерный траекторный полуаттрактор P для уравнения (5) су-
ществует, то существует и минимальный равномерный траекторный аттрактор U для
уравнения (5).
Теорема 3. Если существует минимальный равномерный траекторный аттрактор U
для уравнения (5), то существует и равномерный глобальный аттрактор A для уравне-
ния (5).
Приведём ещё одно утверждение (см. [3, с. 90]), которое нам понадобится при доказатель-
стве основного результата работы.
Лемма 2. Пусть P - относительно компактное в C(R+; E0), ограниченное в L(R+; E)
притягивающее (соответственно поглощающее) множество для уравнения (5). Тогда его за-
мыкание P в пространстве C(R+;E0) является компактным в C(R+;E0) и ограниченным
в L(R+;E) притягивающим (соответственно поглощающим) множеством для уравне-
ния (5). Если, кроме того, имеет место включение T(h)P ⊂ P при всех h 0, то P -
полуаттрактор.
3. Необходимые обозначения. Через C0(Ω)n обозначим линейное пространство функ-
ций Ω Rn класса C с компактным носителем. Пусть V = {v ∈ C0(Ω)n : div v = 0}.
Определим пространства V0 и V1 как пополнения пространства V по нормам L2(Ω)n и
H1(Ω)n соответственно, V2 = H2(Ω)n
V1.
Пусть π : L2(Ω)n → V0 - проектор Лере. Напомним, что в силу разложения Вейля
L2(Ω)n = V0
∇H1(Ω), где ∇H1(Ω) = {∇v : v ∈ H1(Ω)}. Рассмотрим в пространстве V
оператор A =Δ, который продолжается в пространство V0 до замкнутого оператора
и является самосопряжённым положительным оператором с вполне непрерывным обратным
(см., например, [17, 18]). Область определения оператора A совпадает с V2. В силу теоремы
Гильберта о спектральном разложении вполне непрерывных операторов собственные функции
{ej } оператора A образуют ортонормированный базис в V0.
Обозначим через E множество конечных линейных комбинаций, составленных из соб-
ственных функций ej . Пусть 0 < λ1 λ2 λ3 . . . λk . . . - собственные значения
оператора A (λk отвечает функции ek). Определим пространство Vα, α ∈ R, как пополне-
ние пространства E по норме ∥v∥V α = (
λαk|vk|2)1/2.
k=1
В [19, 20] показано, что указанные нормы в пространствах V1, V2, V3 эквивалентны
следующим: ∥v∥V 1 = ∥A1/2v∥V 0 , ∥v∥V 2 = ∥Av∥V 0 ,
∥v∥V 3 = ∥A3/2v∥V 0 .
Для определения слабого решения на отрезке введём пространства
W1[0,T] = {v: v ∈ L(0,T;V2), v ∈ L2(0,T;V1)}
и
W2[0,T] = {v: v ∈ C([0,T],V3), v ∈ L2(0,T;V3)}
с соответствующими нормами
∥v∥W1[0,T ] = ∥v∥L (0,T ;V2)+∥vL2(0,T ;V1)и
∥v∥W2[0,T ] = ∥v∥C([0,T ],V 3) + ∥vL2(0,T ;V 3).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
РАВНОМЕРНЫЕ АТТРАКТОРЫ
1195
Для определения слабого решения на полуоси R+ задачи (1)-(4) нам понадобится прост-
ранство Wloc1(R+), состоящее из функций, определённых на R+ и принимающих значения
в V2, таких, что их ограничение на любой отрезок [0,T] принадлежит пространству W1[0,T].
Через Wloc2(R+) обозначим пространство, состоящее из функций класса C(R+; V3) таких, что
их ограничение на любой отрезок [0, T ] принадлежит пространству W2[0, T ]. Введём также
пространство X , состоящее из всех тех элементов пространства Lloc2(R+; V0), для которых
конечна норма ∥ϕ∥X = sup
∥ϕ∥L2(t,t+1;V 0).
t0
4. Слабая постановка задачи и аппроксимация. Предполагаем, что a ∈ V2, f ∈ X .
Дадим определение слабого решения задачи (1)-(4) на конечном отрезке и на полуоси.
Определение 8. Слабым решением задачи (1)-(4) на отрезке [0, T ] называется функция
v ∈ W1[0,T], которая удовлетворяет при почти всех t ∈ [0,T] и для любого ϕ ∈ V 1 тождеству
∂v
∂ϕj
ϕ dx + ν
∇v : ∇ϕdx -
vivj
dx +
∂t
∂xi
i,j=1Ω
Ω
Ω
(∂v)
∂ϕj
+κ
: ∇ϕdx + κ
viΔvj
dx =
fϕdx
(6)
∂t
∂xi
i,j=1Ω
Ω
Ω
и начальному условию
v(0) = a.
(7)
Здесь и ниже символ “:” обозначает покомпонентное произведение матриц.
Определение 9. Слабым решением задачи (1)-(4) на полуоси R+ будем называть функ-
цию v ∈ Wloc1(R+) такую, что при каждом T > 0 её ограничение на отрезок [0, T ] является
слабым решением задачи (1)-(4) на отрезке [0, T ].
Непрерывные вложения V1 ⊂ V0 и V2 ⊂ V1 соответствуют неравенствам
∥u∥V 0 K0∥u∥V 1 , u ∈ V1, и
∥u∥V 1 K1∥u∥V 2 , u ∈ V2.
(8)
Определим постоянную
νκ
α=
=
νκ,
(9)
K20K21 + 2κK21 + κ2
K2
где K2 = K20K21 + 2κK21 + κ2.
Введём операторы при помощи следующих формул:
A:V1 →V-1,
〈Au, ϕ〉 =
∇u : ∇ϕdx для всех u,ϕ ∈ V1;
Ω
∂ϕj
B1 : L4(Ω)n → V-1,
〈B1(u), ϕ〉 =
uiuj
dx для всех u ∈ L4(Ω)n и ϕ ∈ V1;
∂xi
i,j=1Ω
∂ϕj
B2 : V2 → V-1,
〈B2(u), ϕ〉 =
uiΔuj
dx для всех u ∈ V2 и ϕ ∈ V1;
∂xi
i,j=1Ω
J :V1 →V-1,
〈Ju, ϕ〉 = uϕ dx для всех u, ϕ ∈ V1.
Ω
Тогда вопрос о существовании слабых решений начально-краевой задачи (1)-(4) эквивалентен
вопросу о существовании удовлетворяющего начальному условию (7) решения v ∈ W1[0, T ]
операторного уравнения
(J + κA)v - B1(v) + κB2(v) + νAv = f.
(10)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
1196
УСТЮЖАНИНОВА
Рассмотрим также аппроксимационное операторное уравнение
(J + κA + εe-αtA2)v + νAv - B1(v) + κB2(v) = f
(11)
с начальным условием v(0) = a, a ∈ V3. Здесь ε ∈ (0, 1], а оператор A2 : V3 → V-1
определяется следующим образом:
〈A2u, ϕ〉 = -
u) : ∇ϕ dx для всех u ∈ V3 и ϕ ∈ V1.
Ω
Определение 10. Решением уравнения (11) на отрезке [0, T ] будем называть функцию
v ∈ W2[0,T], для которой равенство (11) выполнено в L2(0,T;V -1). Решением уравнения (11)
на полуоси R+ назовём функцию v ∈ Wloc2(R+) такую, что при каждом T > 0 её ограничение
на отрезок [0, T ] является решением уравнения (11) на этом отрезке.
Приведём нужную нам в дальнейшем теорему Обена-Дубинского-Симона [21].
Теорема 4. Пусть X ⊂ E ⊂ Y - банаховы пространства, причём вложение X ⊂ E
вполне непрерывно, а вложение E ⊂ Y непрерывно. Пусть F ⊂ Lp(0, T ; X),
1 p ∞,
и для любого f ∈ F его обобщённая производная в пространстве D(0,T;Y ) принадлежит
пространству Lr(0,T;Y ),
1 r ∞. Пусть, кроме того, множество F ограничено в
Lp(0,T;X), а множество {f : f ∈ F} ограничено в Lr(0,T;Y ). Тогда при p < ∞ мно-
жество F относительно компактно в Lp(0, T ; E), а при p = ∞ и r > 1 множество F
относительно компактно в C([0,T],E).
Приведём необходимые нам свойства введённых выше операторов [11, 13].
Лемма 3. Справедливы следующие утверждения.
1. Оператор A : L2(0, T ; V1) → L2(0, T ; V-1) непрерывен и имеет место оценка
∥Au(t)V -1 ∥u(t)V 1 при почти всех t ∈ [0, T ].
(12)
2. Оператор B1 : L2(0, T ; L4(Ω)n) → L2(0, T ; V-1) непрерывен и имеет место оценка
∥B1(u)(t)V -1 C1∥u(t)2L
при почти всех t ∈ [0,T].
(13)
4 (Ω)n
3. Оператор B2 : L2(0, T ; V2) → L2(0, T ; V-1) непрерывен и имеет место оценка
∥B2(u)(t)V -1 C2∥u(t)2V 2 при почти всех t ∈ [0, T ].
(14)
4. Для любой функции u ∈ L2(0, T ; V3) справедлива оценка
∥A2u(t)V -1 ∥u(t)V 3 при почти всех t ∈ [0, T ].
(15)
5. Для любой функции u ∈ L2(0, T ; V1) справедливо оценка
κ∥v(t)V 1(κA + J)v(t)V -1 при почти всех t ∈ [0, T ].
(16)
6. При каждом t ∈ [0, T ] оператор (J + κA + εe-αtA2) : L2(0, T ; V3) → L2(0, T ; V-1)
является линейным и непрерывным, и для него имеет место оценка
εe-αt∥u(t)V 3(J + κA + εe-αtA2)u(t)V -1 при почти всех t ∈ [0, T ].
(17)
5. Оценки решений. Для доказательства существования равномерных аттракторов рас-
сматриваемой модели нам потребуются оценки специального вида.
Лемма 4. Пусть v - решение уравнения (11) на отрезке [0, T ], T > 0, при некотором
ε > 0. Тогда на любом отрезке [τ,τ + 1] [0,T] выполняется оценка
2
C23 + κ
e2α
κ∥v∥L(τ,τ+1;V 2) 1+e-ατ (K2∥v(0)V 2 +ε∥v(0)V 2 +εκ∥v(0)V 3 )+2
∥f∥2X . (18)
νκ eα -1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
РАВНОМЕРНЫЕ АТТРАКТОРЫ
1197
Доказательство. Скалярно умножив левую и правую части уравнения (11) на функцию
ϕ = (J + κA)v, получим
(J + κA + εe-αtA2)v, (J + κA)v〉 + 〈νAv, (J + κA)v〉 - 〈B1(v), (J + κAu) +
(19)
+ κ〈B2(v),(J + κA)v〉 = 〈f,(J + κA)v〉.
Преобразуем первое слагаемое в (19) следующим образом:
(J + κA + εe-αtA2)v, (J + κA)v〉 = vv dx - κ vΔv dx + κ
∇v : ∇v dx -
Ω
Ω
Ω
κ2
∇v :Δv dx - εe-αt
Δv : ∇v dx + εe-αtκ
Δv :Δv dx =
Ω
Ω
Ω
2
1 d
d
εe-αt + κ
d
εe-αtκ d
=
∥v(t)2V0 + κ
∥v(t)2V1 +
∥v(t)2V2 +
∥v(t)2V3 .
2 dt
dt
2
dt
2
dt
Для второго слагаемого имеем
〈νAv, (J + κA)v〉 = ν
∇v : ∇v dx - νκ
∇v :v)dx =
Ω
Ω
=ν
∇v : ∇v dx + νκ ΔvΔv dx = ν∥v(t)2V1 + νκ∥v(t)2V2 .
Ω
Ω
Для двух последних слагаемых в левой части равенства (19) получаем
(v - κΔv)j
-〈B1(v), (J + κA)v〉 + κ〈B2(v), (J + κA)v〉 = -
vivj
dx +
∂xi
i,j=1Ω
(v - κΔv)
j
1
∂vi
+κ
viΔvj
dx =
(v - κΔv)j(v - κΔv)j dx = 0.
∂xi
2
∂xi
i,j=1Ω
Ω i,j=1
Оценим правую часть равенства (19) сверху:
〈f, (J + κA)v〉 ∥f(t)V 0 ∥v(t)V 0 + κ∥f(t)V 0 ∥Av(t)V 0
νκ
(C23 + κ2)
∥v(t)V 2 (C3∥f(t)V 0 + κ∥f(t)V 0 )
∥v(t)2V2 +
∥f(t)2V0 .
2
νκ
Приводя подобные слагаемые и умножая получившееся неравенство на 2, будем иметь
d
d
d
d
∥v(t)2V0 + 2κ
∥v(t)2V1 + (εe-αt + κ2)
∥v(t)2V2 + εe-αtκ
∥v(t)2V3 + 2ν∥v(t)2V1
+
dt
dt
dt
dt
2
C23 + κ
+ νκ∥v(t)2V22
∥f(t)2V0 .
(20)
νκ
Рассмотрим на V2 вспомогательную норму ∥u∥2 = ∥u∥2V0 + 2κ∥u∥2V1 + κ2∥u∥2V2 , эквива-
лентную норме ∥ · ∥V 2 . В самом деле, из неравенств (8) следует двойная оценка
κ2∥u∥2V2 ∥u∥2 (K20K21 + 2κK21 + κ2)∥u∥2V2.
(21)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
1198
УСТЮЖАНИНОВА
В силу правой оценки в (21) и обозначения (9) получаем
νκ
νκ∥u(t)2V2
∥u(t)2 = α∥u(t)2.
(22)
(K20K21 + 2κK21 + κ2)
Вследствие неравенства (20), определения вспомогательной нормы, оценки (22) и того, что
2ν∥v(t)2V1 0, справедливо неравенство
d
d
d
C23 + κ2
∥v(t)2 + εe-αt
∥v(t)2V2 + εe-αtκ
∥v(t)2V3 + α∥v(t)2 2
∥f(t)2V0 .
dt
dt
dt
νκ
Выполним подстановку v(t) = v(t)e-αt/2 в первом и последнем слагаемых левой части
последнего неравенства:
d
d
d
C23 + κ2
∥v(t)e-αt/22 + εe-αt
∥v(t)2V2 + εe-αtκ
∥v(t)2V3 + α∥v(t)e-αt/22 2
∥f(t)2V0 .
dt
dt
dt
νκ
Приводя здесь подобные слагаемые, приходим к оценке
)
d
(d
d
C23 + κ2
e-αt
∥v(t)2 + εe-αt
∥v(t)2V2 + κ
∥v(t)2V3
2
∥f(t)2V0 ,
dt
dt
dt
νκ
умножив на eαt обе части которой, получаем
)
d
(d
d
C23 + κ2
∥v(t)2 + ε
∥v(t)2V2 + κ
∥v(t)2
2eαt
∥f(t)2V0 .
V3
dt
dt
dt
νκ
Проинтегрировав последнее неравенство по t от 0 до τ ∈ [0, T ], будем иметь
∥v(τ)2 + ε∥v(τ)2V2 + εκ∥v(τ)2V3
τ
2
C23 + κ
∥v(0)2 + ε∥v(0)2V 2 + εκ∥v(0)2V 3 + 2
eαs∥f(s)2V0 ds.
(23)
νκ
0
Так как (см. [3, с. 186]) для любой скалярной функции φ(s) и числа a > 1 верно неравенство
t
at+2
asφ(s)ds
sup
(ξ)|dξ,
a-1s∈[0,t-1]
0
s
то вследствие (23) получаем
∥v(τ)2 + ε∥v(τ)2V2 + εκ∥v(τ)2V3
2
C23 + κ
eα(τ+2)
∥v(0)2 + ε∥v(0)2V 2 + εκ∥v(0)2V3 + 2
sup
∥f(ξ)2V0 dξ.
νκ eα -1
s∈[0,τ-1]
s
Умножим это неравенство на e-ατ и, вспоминая, что v(τ) = eατ/2v(τ) согласно использо-
ванной выше подстановке, найдём, что
∥v(τ)2 + e-ατ ε∥v(τ)2V2 + e-ατ εκ∥v(τ)2V3
2
C23 + κ
e2α
e-ατ(∥v(0)2 + ε∥v(0)2V 2 + εκ∥v(0)2V 3) + 2
∥f∥2X .
νκ eα -1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
РАВНОМЕРНЫЕ АТТРАКТОРЫ
1199
Оставляя в левой части полученного неравенства только первое слагаемое и учитывая опре-
деление вспомогательной нормы и оценку (21), будем иметь
2
C23 + κ
e2α
κ2∥v(τ)2V2 e-ατ (K2∥v(0)2V2 + ε∥v(0)2V2 + εκ∥v(0)2V3 ) + 2
∥f∥2X .
νκ eα -1
Отсюда, переходя к супремуму по отрезку [τ, τ + 1] [0, T ], получаем
2
C23 + κ
e2α
κ2∥v∥2L
e-ατ(K2∥v(0)2V 2 + ε∥v(0)2V 2 + εκ∥v(0)2V 3) + 2
∥f∥2X ,
(24)
(τ,τ+1;V2)
νκ eα -1
откуда, поскольку b 1 + b2 для всех b ∈ R, следует неравенство (18). Лемма доказана.
Лемма 5. Пусть v - решение уравнения (11) на отрезке [0, T ], T > 0, при некотором
ε > 0. Тогда для любого отрезка [τ,τ + 1] [0,T] имеет место неравенство
κ∥vL
(25)
2(τ,τ+1;V1)C8(1+e-ατ (K2∥v(0)V 2+ε∥v(0)V 2+εκ∥v(0)V 3)+∥f∥X ).
Доказательство. Так как функция v удовлетворяет уравнению (11), то
(J + κA + εe-αtA2)v(t)V -1 = ∥ - νAv(t) + B1(v)(t) - κB2(v)(t) + f(t)V -1 .
С учётом неравенств (12)-(14), а также непрерывности вложений V2 ⊂ L4(Ω)n, V2 ⊂ V1 и
V0 ⊂ V-1 получаем, что
∥ - νAv(t) + B1(v)(t) - κB2(v)(t) + f(t)V-1
C5ν∥v(t)V 2 + C1C24∥v(t)2V 2 + κC2∥v(t)V 2 + C6∥f(t)V 0 C7(1 + ∥v(t)V 2 + ∥f(t)V 0).
Поэтому справедливо неравенство
(J + κA + εe-αtA2)v(t)V -1 C7(1 + ∥v(t)2V 2 + ∥f(t)V 0 ),
(26)
из которого в силу оценки (17) следует, что
εe-αt∥v(t)V 3 C7(1 + ∥v(t)2V 2 + ∥f(t)V 0 ) при почти всех t ∈ [0, T ].
(27)
Аналогично, используя неравенства (15), (26) и (27), имеем
(J + κA)v(t)V -1 = ∥ - εe-αtA2v(t) - νAv(t) + B1(v)(t) - κB2(v)(t) + f(t)V -1
εe-αt∥v(t)V 3 + C7(1 + ∥v(t)2V 2 + ∥f(t)V 0 ) 2C7(1 + ∥v(t)V 2 + ∥f(t)V 0 ).
Отсюда в силу оценки (16) получаем
κ∥v(t)V 1 2C7(1 + ∥v(t)2V2 + ∥f(t)V 0 ) при почти всех t ∈ [0, T ].
(28)
Возведём обе части неравенства (28) в квадрат и проинтегрируем по t от τ до τ + 1:
τ+1
κ2
∥v(s)2V1 ds 4C2
(1 + ∥v(s)2V2 + ∥f(s)V 0 )2 ds.
7
τ
τ
Извлекая из обеих частей этого неравенства квадратный корень, в силу неравенства Минков-
ского имеем
)1/2
κ∥vL
(1 + ∥v(s)2V2 + ∥f(s)V 0 )2 ds
2(τ,τ+1;V1)2C7
τ
4
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
1200
УСТЮЖАНИНОВА
)1/2
)1/2
)1/2)
2C7
1 ds
+
∥v(s)4V2 ds
+
∥f(s)2V0 ds
τ
τ
τ
2C7(1 + sup
∥v(s)2V2 + ∥f∥L
2(τ,τ+1;V0))2C7(1+∥v∥L(τ,τ+1;V 2)+∥f∥X).
s∈[τ,τ+1]
Оценивая теперь ∥v∥2L(τ,τ+1;V 2)припомощинеравенства(24)иприводяподобныеслага-
емые, приходим к требуемому неравенству (25). Лемма доказана.
Теорема 5. Пусть f ∈ X , a ∈ V3. Тогда уравнение (11) имеет решение v ∈ W2[0, T ] на
отрезке [0,T] (T > 0) и на любом отрезке [τ,τ + 1] [0,T] выполняется неравенство
∥vL
2(τ,τ+1;V1) +∥v∥L (τ,τ+1;V2)
C9(1 + e-ατ (K2∥v(0)2V 2 + ε∥v(0)2V 2 + εκ∥v(0)2V 3) + ∥f∥2X ).
(29)
Доказательство. Существование решения уравнения (11) при f ∈ L2(0, T ; V0), a ∈ V3
на отрезке [0, T ] (T > 0) доказано в работе [11]. Неравенство (29) непосредственно следует
из оценок (18) и (25). Теорема доказана.
Нам также понадобятся следующие теоремы о существовании решений на полуоси.
Теорема 6. При любом a ∈ V3 задача (11), (7) имеет решение v ∈ Wloc2(R+).
Теорема 7. При любом a ∈ V2 задача (10), (7) имеет решение v ∈ Wloc1(R+), удовле-
творяющее при всех τ 0 оценке
∥vL
(30)
2(τ,τ+1;V1) +∥v∥L (τ,τ+1;V2)C10(1+e-ατ K2∥v(0)V 2),
где C10 = C9(1 + ∥f∥2X ).
Доказательство разрешимости задач (11), (7) и (10), (7) на полуоси R+ можно найти в
работе [14]. Оценка (30) получается из неравенства (29) при предельном переходе в задаче
(11), (7) при ε → 0 с учётом того, что для любой последовательности xn слабо (*-слабо)
сходящейся к x в банаховом пространстве X имеет место неравенство ∥x∥X lim
∥xnX .
n→∞
6. Равномерные аттракторы. В качестве пространства символов Σ системы (1), (2)
для фиксированного f ∈ X выберем произвольное множество Σ ⊂ X , содержащее функцию
f, для элементов которого выполняется неравенство ∥σ∥X ∥f∥X , σ ∈ Σ. Отметим, что
множество Σ может быть выбрано и другим образом. Например, Σ = {f} или Σ = {T (t)f :
t 0}, или Σ является замыканием множества {T(t)f : t 0} в сильной (слабой) топологии
пространства X . Важно упомянуть, что в каждом из этих вариантов пространств символов
будут получаться различные равномерные аттракторы. При этом выбранный нами случай
носит наиболее общий характер.
Определим семейство траекторных пространств {H+σ : σ ∈ Σ}.
Определение 11. Пространство траекторий H+σ системы (1), (2), соответствующее сим-
волу σ ∈ Σ, - это множество функций v, для которых выполняются следующие условия:
(i) v ∈ L(R+; V2), v ∈ Lloc2(R+; V1);
(ii) функция v удовлетворяет при почти всех t ∈ R+ операторному равенству
(J + κA)v - B1(v) + κB2(v) + νAv = σ;
(31)
(iii) при всех τ 0 для функции v справедлива оценка
∥vL
(32)
2(τ,τ+1;V1) +∥v∥L (τ,τ+1;V2)C10(1+e-ατ K2∥v∥L(R+;V 2)).
Чтобы данное определение пространства траекторий было корректным, нужно убедиться,
что множество H+σ непусто, и проверить включение H+σ ⊂ C(R+; V1)
L(R+;V2).
Включение H+σ ⊂ L(R+; V2) непосредственно вытекает из определения пространства
траекторий. Чтобы доказать непрерывность траекторий, воспользуемся теоремой 4 для тройки
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
РАВНОМЕРНЫЕ АТТРАКТОРЫ
1201
пространств V2 ⊂ V1 ⊂ V1. Из оценки (32) следует, что если v - некоторая траектория, то
на произвольном отрезке [0, T ] имеем ΠT v ∈ L(0, T ; V2), ΠT v ∈ L2(0, T ; V1), поэтому из
теоремы 4 следует, что ΠT v принадлежит пространству C([0, T ], V1). Это верно при любом T,
поэтому v ∈ C(R+; V1), что и требовалось.
Теорема 8. Пусть σ ∈ Σ - некоторый символ. Тогда для любого a ∈ V2 существует
траектория v ∈ H+σ, для которой v(0) = a.
Доказательство. Теорема 7 утверждает, что для любых a ∈ V2 и f ∈ X (в том числе и
для σ) существует решение v ∈ Wloc1(R+) задачи (10), (7). Таким образом, по определению
пространства Wloc1(R+) функция v принадлежит L(R+; V2), v ∈ Lloc2(R+; V1) (следова-
тельно, v ∈ C(R+; V1)) и удовлетворяет (31).
Осталось проверить выполнимость оценки (32). Так как v ∈ C(R+; V1)
L(R+;V2), то
по теореме 1 функция v принадлежит пространству Cw(R+; V2). Поэтому для любого t ∈ R+
определено значение v(t) ∈ V2 и, следовательно, ∥v(t)V 2 ∥v∥L
(R+;V2).Отсюда,поскольку
v удовлетворяет оценке (30), и следует оценка (32). Теорема доказана.
Из теоремы 8 вытекает, что пространство H+σ не только непусто, но и “достаточно богато”,
а именно, для любого a ∈ V2 существует выходящая из него траектория v ∈ H+σ.
Перейдём к теоремам существования аттракторов.
Теорема 9. Существует минимальный равномерный траекторный аттрактор U семей-
ства траекторных пространств {H+σ : σ ∈ Σ} системы (1), (2).
Доказательство. В силу теоремы 2 для доказательства достаточно построить полуат-
трактор семейства пространств {H+σ : σ ∈ Σ}.
Рассмотрим множество P ⊂ C(R+; V1)
L(R+;V2), которое удовлетворяет следующим
условиям:
1) множество P состоит из функций v ∈ C(R+; V1)
L(R+;V2);
2) для функций v при всех τ 0 выполняется неравенство
∥vL
(33)
2(τ,τ+1;V1) +∥v∥L(τ,τ+1;V2)(1+K2)C10.
Так как при каждом h 0 оператор T (h) : C(R+; V1) → C(R+; V1) непрерывен, то
T (t)P ⊂ P при t 0. Следовательно, множество P трансляционно инвариантно.
Покажем, что P относительно компактно в C(R+; V1). В силу леммы 1 достаточно по-
казать, что множество ΠT P относительно компактно в C([0, T ], V1) для любого T > 0. Из
неравенства (33) вытекает, что множество ΠT P ограничено в L(0, T ; V2) при любом T >
> 0, а множество {v : v ∈ ΠT P } ограничено в L2(0, T ; V 1). Вследствие теоремы 4 получаем,
что ΠT P относительно компактно в C([0, T ], V1). Так как T произвольно, то по лемме 1
множество P относительно компактно в C(R+; V1).
Покажем, что P является равномерно поглощающим множеством. Пусть множество B ⊂
⊂ H ограничено в L(R+;V 2) и ∥v∥L
(R+;V2)Rдляv∈B.ПустьчислоtB0такое,
что R2e-αtB 1. Согласно оценке (32) для h tB и τ 0 имеем
∥T (h)vL
2(τ,τ+1;V1) +∥T(h)v∥L (τ,τ+1;V2)=∥vL2(τ+h,τ+h+1;V1)+∥v∥L(τ+h,τ+h+1;V2)
C10(1 + e(τ+h)K2∥v∥2L
) C10(1 + K2R2e-αhe-ατ) C10(1 + K2).
(R+;V2)
Таким образом, неравенство (33) выполняется для функции T (h)v при всех τ 0. Следова-
тельно, T (h)B ⊂ P при h tB и P - поглощающее множество.
Согласно лемме 2 замыкание P множества P в пространстве C(R+; V1) является траек-
торным полуаттрактором объединённого пространства траекторий H, т.е. семейства {H+σ :
σ ∈ Σ}. По теореме 2 отсюда следует существование минимального равномерного траектор-
ного аттрактора U. Теорема доказана.
Теорема 10. Существует равномерный глобальный аттрактор A семейства траектор-
ных пространств {H+σ : σ ∈ Σ} системы (1), (2).
Доказательство. По теореме 9 существует минимальный равномерный траекторный ат-
трактор U семейства траекторных пространств {H+σ : σ ∈ Σ} системы (1), (2). Тогда в силу
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021
4
1202
УСТЮЖАНИНОВА
теоремы 3 существует равномерный глобальный аттрактор A семейства траекторных про-
странств {H+σ : σ ∈ Σ} системы (1), (2). Теорема доказана.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных ис-
следований (проект 20-01-00051) и Министерства науки и высшего образования РФ (проект
FZGU-2020-0035).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Chepyzhov V.V., Vishik M.I. Evolution equations and their trajectory attractors // J. Math. Pures Appl.
1997. V. 9. № 76. P. 913-964.
2. Vorotnikov D.A., Zvyagin V.G. Uniform attractors for non-autonomous motion equations of viscoelastic
medium // J. Math. Anal. Appl. 2007. V. 325. P. 438-458.
3. Zvyagin V., Vorotnikov D. Topological Approximation Methods for Evolutionary Problems of Nonlinear
Hydrodynamics. Berlin, 2008.
4. Звягин В.Г., Кондратьев С.К. Аттракторы уравнений неньютоновской гидродинамики // Успехи
мат. наук. 2014. Т. 69. № 5 (419). С. 81-156.
5. Павловский В.А. К вопросу о теоретическом описании слабых водных растворов полимеров // Докл.
АН СССР. 1971. Т. 200. № 4. C. 809-812.
6. Амфилохиев В.Б., Войткунский Я.И., Мазаева Н.П., Ходорковский Я.С. Течения полимерных рас-
творов при наличии конвективных ускорений // Тр. Ленинград. ордена Ленина кораблестроитель-
ного ин-та. 1975. Т. 96. С. 3-9.
7. Амфилохиев В.Б., Павловский В.А. Экспериментальные данные о ламинарно-турбулентном пере-
ходе при течении полимерных растворов в трубах // Тр. Ленинград. ордена Ленина кораблестро-
ительного ин-та. 1976. Т. 104. С. 3-5.
8. Осколков А.П. О разрешимости в целом первой краевой задачи для одной квазилинейной системы
3-го порядка, встречающейся при изучении движения вязкой жидкости // Зап. науч. сем. ЛОМИ.
1972. Т. 27. C. 145-160.
9. Осколков А.П. О единственности и разрешимости в целом краевых задач для уравнений движения
водных растворов полимеров // Зап. науч. сем. ЛОМИ. 1973. Т. 38. С. 98-136.
10. Осколков А.П. О некоторых квазилинейных системах, встречающихся при изучении движения вяз-
ких жидкостей // Зап. науч. сем. ЛОМИ. 1975. Т. 52. С. 128-157.
11. Турбин М.В., Устюжанинова А.С. Теорема существования слабого решения начально-краевой за-
дачи для системы уравнений, описывающей движение слабых водных растворов полимеров // Изв.
вузов. Математика. 2019. № 8. С. 62-78.
12. Плотников П.И., Турбин М.В., Устюжанинова А.С. Теорема существования слабого решения
задачи оптимального управления с обратной связью для модифицированной модели Кельвина-
Фойгта слабо концентрированных водных растворов полимеров // Докл. РАН. 2019. Т. 488. № 2.
С. 133-136.
13. Ustiuzhaninova A., Turbin M. Feedback control problem for modified Kelvin-Voigt model // J. of Dynam.
and Contr. Systems. 2021. DOI: 10.1007/s10883-021-09539-0.
14. Устюжанинова А.С., Турбин М.В. Траекторные и глобальные аттракторы для модифицированной
модели Кельвина-Фойгта // Сиб. журн. индустр. математики. 2021. Т. 24. № 1. С. 126-138.
15. Данфорд Н., Шварц Дж.Т. Линейные операторы. Общая теория. М., 2004.
16. Tемам Р. Уравнения Навье-Стокса. Теория и численный анализ. М., 1981.
17. Солонников В.А. Оценки тензоров Грина для некоторых граничных задач // Докл. АН СССР. 1960.
Т. 130. № 5. С. 988-991.
18. Ворович И.И., Юдович В.И. Стационарные течения вязкой несжимаемой жидкости // Мат. сб. 1961.
Т. 53. № 4. С. 393-428.
19. Звягин В.Г., Турбин М.В. Математические вопросы гидродинамики вязкоупругих сред. М., 2012.
20. Фурсиков А.В. Оптимальное управление распределенными системами. Теория и приложения. Но-
восибирск, 1999.
21. Simon J. Compact sets in the space Lp(0, T; B) // Ann. Mat. Pura Appl. 1986. № 146. С. 65-96.
Воронежский государственный университет
Поступила в редакцию 16.03.2021 г.
После доработки 11.05.2021 г.
Принята к публикации 08.06.2021 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№9
2021