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定理証明済み

二次元における大域正則性(ラディジェンスカヤ)

内容

二次元空間において、有限エネルギーを持つ任意の滑らかな発散なし初期速度に対し、ナビエ–ストークス方程式はすべての時間で滑らかであり続ける一意解を持つ — 未解決の3次元の場合とは対照的に、爆発は決して起こらない。

なぜ正しいのか?

3次元の渦度は ωt+u⋅∇ω=(ω⋅∇)u+νΔω\omega_t+u\cdot\nabla\omega=(\omega\cdot\nabla)u+\nu\Delta\omega に従い、項 (ω⋅∇)u(\omega\cdot\nabla)u は引き伸ばしによって渦度を増幅させうる。二次元では渦度は運動平面に垂直なスカラー量であり、この引き伸ばし項は恒等的に消え、輸送と拡散だけが残る — 無制限に増幅させるものは何もない。

証明の概略

渦度(2次元ではスカラー)を ω=∂xu2−∂yu1\omega=\partial_x u_2-\partial_y u_1 と書き、運動方程式を ∂tω+u⋅∇ω\partial_t\omega+u\cdot\nabla\omega に代入する。uu が非圧縮性かつ二次元であるため、(u⋅∇)u(u\cdot\nabla)u から生じる ω\omega を引き伸ばすことになるすべての項が直接計算で消え、ソース項のない輸送拡散方程式 ωt+u⋅∇ω=νΔω\omega_t+u\cdot\nabla\omega=\nu\Delta\omega が残る。

ソースのない輸送拡散方程式は最大原理に従う:流体粒子の軌道 X˙(t)=u(X(t),t)\dot X(t)=u(X(t),t) に沿って ddtω(X(t),t)=νΔω(X(t),t)\frac{d}{dt}\omega(X(t),t)=\nu\Delta\omega(X(t),t) となり、拡散は最大値を増やしたり最小値を減らしたりできない。したがってすべての t≥0t\ge0 で ∥ω(⋅,t)∥L∞≤∥ω0∥L∞\|\omega(\cdot,t)\|_{L^\infty}\le\|\omega_0\|_{L^\infty} となり、渦度は決して爆発しない。

渦度が時間に一様に有界であれば、流を関数(ω\omega から uu を復元)に楕円型正則性を適用することで、uu のすべての空間微分が ∥ω∥L∞\|\omega\|_{L^\infty} によって抑えられ、uu は最初に属していたすべてのソボレフ空間に留まる。

この論議を繰り返すことで — 有界な渦度が速度勾配を有界にし、それが方程式自体を通じて高次微分を制御する — すべての t>0t>0 で解が滑らかであり続け、有限時間での爆発は起こりえないことが示される。これはまさに、渦の引き伸ばし項 (ω⋅∇)u(\omega\cdot\nabla)u が存在する三次元では未知である事柄である。

この定理を使うトピック

ステップごとの証明

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参考文献

  1. Charles L. Fefferman (2000). Existence and Smoothness of the Navier-Stokes Equation (Millennium Prize Problem)
  2. Terence Tao (2016). Finite time blowup for an averaged three-dimensional Navier-Stokes equation · arXiv:1402.0290
  3. L. Caffarelli, R. Kohn, L. Nirenberg (1982). Partial regularity of suitable weak solutions of the Navier-Stokes equations