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定理已证明

二维全局正则性(拉德伊点斯卡雅)

命题陈述

在二维空间中,对于任何具有有限能量的光滑无散度初始速度,纳维-斯托克斯方程都存在唯一一个对所有时间保持光滑的解 —— 从不发生爆发,与悬而未决的三维情况形成对比。

为什么成立?

三维涡度满足 ωt+u⋅∇ω=(ω⋅∇)u+νΔω\omega_t+u\cdot\nabla\omega=(\omega\cdot\nabla)u+\nu\Delta\omega,项 (ω⋅∇)u(\omega\cdot\nabla)u 可以通过拉伸放大涡度。在二维中,涡度是垂直于运动平面的标量,因此该拉伸项恒等于零,只剩下输送和扩散 —— 没有任何机制能无限制地放大它。

证明思路

将涡度(二维中为标量)写为 ω=∂xu2−∂yu1\omega=\partial_x u_2-\partial_y u_1,并将动量方程代入 ∂tω+u⋅∇ω\partial_t\omega+u\cdot\nabla\omega。因为 uu 无散度且为二维,直接计算表明来自 (u⋅∇)u(u\cdot\nabla)u 且会拉伸 ω\omega 的所有项都相互抵消,只剩下无源项的输送扩散方程 ωt+u⋅∇ω=νΔω\omega_t+u\cdot\nabla\omega=\nu\Delta\omega。

无源项的输送扩散方程满足最大原理:沿着流体粒子的轨迹 X˙(t)=u(X(t),t)\dot X(t)=u(X(t),t),有 ddtω(X(t),t)=νΔω(X(t),t)\frac{d}{dt}\omega(X(t),t)=\nu\Delta\omega(X(t),t),而扩散不会增大最大值或减小最小值。因此对所有 t≥0t\ge0 有 ∥ω(⋅,t)∥L∞≤∥ω0∥L∞\|\omega(\cdot,t)\|_{L^\infty}\le\|\omega_0\|_{L^\infty}:涡度从不爆发。

一旦涡度在时间上一致有界,对流函数(从 ω\omega 恢复 uu)应用椅圆正则性,就能用 ∥ω∥L∞\|\omega\|_{L^\infty} 控制 uu 的所有空间导数,因此 uu 保持在它最初所在的每个索尔空间中。

重复这一论证 —— 有界涡度给出有界速度梯度,后者又通过方程本身控制高阶导数 —— 表明解在所有 t>0t>0 上保持光滑,不可能发生有限时间爆发;这正是在存在涡拉伸项 (ω⋅∇)u(\omega\cdot\nabla)u 的三维情况中尚未知晓的结果。

用到此定理的主题

分步证明

该定理暂无分步证明。

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