About this Journal Submit a Manuscript Table of Contents
Abstract and Applied Analysis
Volumeย 2012ย (2012), Article IDย 627813, 12 pages
doi:10.1155/2012/627813
Research Article

Long-Time Decay to the Global Solution of the 2D Dissipative Quasigeostrophic Equation

Department of Mathematics, College of Science, King Saud University, Riyadh 11451, Saudi Arabia

Received 10 January 2012; Accepted 8 March 2012

Academic Editor: Muhammad Aslamย Noor

Copyright ยฉ 2012 Jamel Benameur and Mongi Blel. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract

We study the behavior at infinity in time of any global solution ๐œƒ โˆˆ ๐’ž ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) of the surface quasigeostrophic equation with subcritical exponent 2 / 3 โ‰ค ๐›ผ โ‰ค 1 . We prove that l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 . Moreover, we prove also the nonhomogeneous version of the previous result, and we prove that if ๐œƒ โˆˆ ๐’ž ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) is a global solution, then l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 .

1. Introduction

We consider the 2 ๐ท dissipative quasi-geostrophic equation with subcritical exponent 1 / 2 < ๐›ผ โ‰ค 1 , ๐œ• ๐‘ก ๐œƒ + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐œƒ + ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ = 0 i n โ„ + ร— โ„ 2 , ๐œƒ ( 0 , ๐‘ฅ ) = ๐œƒ 0 ( ๐‘ฅ ) i n โ„ 2 , ( ๐’ฎ ๐›ผ ) where ๐‘ฅ โˆˆ โ„ 2 , ๐‘ก > 0 , ๐œƒ = ๐œƒ ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) is the unknown potential temperature, and ๐‘ข = ( ๐‘ข 1 , ๐‘ข 2 ) is the divergence free velocity which is determined by the Riesz transformation of ๐œƒ in the following way: ๐‘ข 1 = โˆ’ โ„› 2 ๐œƒ = โˆ’ ๐œ• 2 ( โˆ’ ฮ” ) โˆ’ 1 / 2 ๐‘ข ๐œƒ , 2 = โ„› 1 ๐œƒ = ๐œ• 1 ( โˆ’ ฮ” ) โˆ’ 1 / 2 ๐œƒ . ( 1 . 1 ) This equation is a two-dimensional model of the 3 ๐ท incompressible Euler equations, and if ๐›ผ = 1 , the equation ( ๐’ฎ 1 ) is the 2 ๐ท Navier-Stokes equation. We refer the reader to [1] where the authors explain the physical origin and the signification of the parameters of this equation.

The critical homogeneous Sobolev space of the system ( ๐’ฎ ๐›ผ ) is ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) , and we have โ€– โ€– ๐œ† 2 ๐›ผ โˆ’ 1 ๐‘“ โ€– โ€– ( ๐œ† . ) ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = โ€– ๐‘“ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ , โˆ€ ๐œ† > 0 . ( 1 . 2 )

The local well-posedness of ( ๐’ฎ ๐›ผ ) with ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) data is established by [2] and [3] separately if ๐›ผ โˆˆ ( 0 , 1 / 2 ] . In [4], Dong and Du study the critical case ๐›ผ = 1 / 2 in the critical space ฬ‡ ๐ป 1 ( โ„ 2 ) . They prove the global existence if the initial condition is in the critical space ๐ป 1 ( โ„ 2 ) .

The global existence when ๐›ผ โˆˆ ( 1 / 2 , 1 ] is an open problem. We have only the local existence. In this case [5], Niche and Schonbek prove that if the initial data ๐œƒ 0 is in ๐ฟ 2 ( โ„ 2 ) , then the ๐ฟ 2 norm of the solution tends to zero but with no uniform rate, that is, there are solutions with arbitrary slow decay. If ๐œƒ 0 โˆˆ ๐ฟ ๐‘ ( โ„ 2 ) , with 1 โ‰ค ๐‘ โ‰ค 2 , they obtain a uniform decay rate in ๐ฟ 2 . They consider also the solution in other ๐ฟ ๐‘ž spaces. For the proof of their results, they use the kernel ๐‘ƒ ๐›ผ ( ๐‘ก , ๐‘ฅ ) associated to the operator ๐œ• ๐‘ก + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ , and they use the Littlewood-Paley decomposition. Our main result is the following.

Theorem 1.1. Assume that 2 / 3 โ‰ค ๐›ผ โ‰ค 1 .(i)If ๐œƒ โˆˆ ๐’ž ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) is a global solution of ( ๐’ฎ ๐›ผ ), then l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 . ( 1 . 3 ) (ii)If ๐œƒ โˆˆ ๐’ž ( โ„ + , ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) is a global solution of ( ๐’ฎ ๐›ผ ), then l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 . ( 1 . 4 )

2. Notations and Preliminary Results

2.1. Notations and Technical Lemmas

In this short section, we collect some notations and definitions that will be used later, and we give some technical lemmas.(i)The Fourier transformation in โ„ 2 is normalized as โ„ฑ ( ๐‘“ ) ( ๐œ‰ ) = โˆง ๐‘“ ๎€œ ( ๐œ‰ ) = โ„ 2 ๎€ท ๐œ‰ e x p ( โˆ’ ๐‘– ๐‘ฅ โ‹… ๐œ‰ ) ๐‘“ ( ๐‘ฅ ) ๐‘‘ ๐‘ฅ , ๐œ‰ = 1 , ๐œ‰ 2 ๎€ธ โˆˆ โ„ 2 . ( 2 . 1 ) (ii)The inverse Fourier formula is โ„ฑ โˆ’ 1 ( ๐‘” ) ( ๐‘ฅ ) = ( 2 ๐œ‹ ) โˆ’ 2 ๎€œ โ„ 2 ๎€ท ๐‘ฅ e x p ( ๐‘– ๐œ‰ โ‹… ๐‘ฅ ) ๐‘“ ( ๐œ‰ ) ๐‘‘ ๐œ‰ , ๐‘ฅ = 1 , ๐‘ฅ 2 ๎€ธ โˆˆ โ„ 2 . ( 2 . 2 ) (iii)For ๐‘  โˆˆ โ„ , ๐ป ๐‘  ( โ„ 2 ) denotes the usual nonhomogeneous Sobolev space on โ„ 2 and โŸจ โ‹… , โ‹… โŸฉ ๐ป ๐‘  ( โ„ 2 ) its scalar product.(iv)For ๐‘  โˆˆ โ„ , ฬ‡ ๐ป ๐‘  ( โ„ 2 ) denotes the usual homogeneous Sobolev space on โ„ 2 and โŸจ โ‹… , โ‹… โŸฉ ฬ‡ ๐ป ๐‘  ( โ„ 2 ) its scalar product.(v)For ๐‘  , ๐‘  ๎…ž โˆˆ โ„ and ๐‘ก โˆˆ [ 0 , 1 ] , โ€– ๐‘“ โ€– ๐ป โ€ฒ ๐‘ก ๐‘  + ( 1 โˆ’ ๐‘ก ) ๐‘  โ‰ค โ€– ๐‘“ โ€– ๐‘ก ๐ป ๐‘  โ€– ๐‘“ โ€– ๐ป 1 โˆ’ ๐‘ก ๐‘  โ€ฒ , ( 2 . 3 ) โ€– ๐‘“ โ€– ฬ‡ ๐ป โ€ฒ ๐‘ก ๐‘  + ( 1 โˆ’ ๐‘ก ) ๐‘  โ‰ค โ€– ๐‘“ โ€– ๐‘ก ฬ‡ ๐ป ๐‘  โ€– ๐‘“ โ€– ฬ‡ ๐ป 1 โˆ’ ๐‘ก ๐‘  โ€ฒ . ( 2 . 4 ) These two inequalities are called the interpolation inequalities, respectively, in the homogeneous and nonhomogeneous Sobolev spaces.(i)For any Banach space ( ๐ต , โ€– โ‹… โ€– ) , any real number 1 โ‰ค ๐‘ โ‰ค โˆž , and any time ๐‘‡ > 0 , we denote by ๐ฟ ๐‘ ๐‘‡ ( ๐ต ) the space of measurable functions ๐‘ก โˆˆ [ 0 , ๐‘‡ ] โ†ฆ ๐‘“ ( ๐‘ก ) โˆˆ ๐ต such that ( ๐‘ก โ†ฆ โ€– ๐‘“ ( ๐‘ก ) โ€– ) โˆˆ ๐ฟ ๐‘ ( [ 0 , ๐‘‡ ] ) .(ii)If ๐‘“ = ( ๐‘“ 1 , ๐‘“ 2 ) and ๐‘” = ( ๐‘” 1 , ๐‘” 2 ) are two vector fields, we set ๎€ท ๐‘” ๐‘“ โŠ— ๐‘” โˆถ = 1 ๐‘“ , ๐‘” 2 ๐‘“ ๎€ธ , ๎€ท ๎€ท ๐‘” d i v ( ๐‘“ โŠ— ๐‘” ) โˆถ = d i v 1 ๐‘“ ๎€ธ ๎€ท ๐‘” , d i v 2 ๐‘“ . ๎€ธ ๎€ธ ( 2 . 5 ) We recall a fundamental lemma concerning some product laws in homogeneous Sobolev spaces.

Lemma 2.1 (see [6]). Let ๐‘  1 , ๐‘  2 be two real numbers such that ๐‘  1 < 1 , ๐‘  1 + ๐‘  2 > 0 . ( 2 . 6 ) There exists a constant ๐ถ โˆถ = ๐ถ ( ๐‘  1 , ๐‘  2 ) , such that for all ฬ‡ ๐ป ๐‘“ , ๐‘” โˆˆ ๐‘  1 ( โ„ 2 ฬ‡ ๐ป ) โˆฉ ๐‘  2 โ„ 2 ) , โ€– ๐‘“ ๐‘” โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  1 2 + ๐‘  โˆ’ 1 ( โ„ 2 ) ๎€ท โ‰ค ๐ถ โ€– ๐‘“ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  1 ( โ„ 2 ) โ€– ๐‘” โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  2 + โ€– ๐‘“ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  2 โ€– ๐‘” โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  1 ๎€ธ . ( 2 . 7 ) If ๐‘  1 , ๐‘  2 < 1 and ๐‘  1 + ๐‘  2 > 0 , there exists a constant ๐‘ = ๐‘ ( ๐‘  1 , ๐‘  2 ) such that for all ฬ‡ ๐ป ๐‘“ โˆˆ ๐‘  1 ( โ„ 2 ) and ฬ‡ ๐ป ๐‘” โˆˆ ๐‘  2 โ„ 2 ) , โ€– ๐‘“ ๐‘” โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  1 2 + ๐‘  โˆ’ 1 ( โ„ 2 ) โ‰ค ๐‘ โ€– ๐‘“ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  1 โ€– ๐‘” โ€– ฬ‡ ๐ป ๐‘  2 . ( 2 . 8 )

For the proof of the main result, we need the following lemma.

Lemma 2.2. With the same conditions of Theorem 1.1, for all ๐œŽ โ‰ฅ 0 , ๎€œ โ„ 2 | | ๐œ‰ | | 2 ๐œŽ | | | | โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) โ„ฑ ( ๐‘ค ) ๐‘‘ ๐œ‰ โ‰ค ๐ถ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐œŽ + ๐›ผ โ€– ๐‘ค โ€– ฬ‡ ๐ป ๐œŽ + ๐›ผ . ( 2 . 9 )

Remark 2.3. (i) In the case where ๐œŽ = 0 , the formula (2.9) gives ๎€œ โ„ 2 | | | | โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) โ„ฑ ( ๐‘ค ) ๐‘‘ ๐œ‰ โ‰ค ๐ถ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ€– ๐‘ค โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ . ( 2 . 1 0 )
In the case where ๐œŽ = 2 โˆ’ 2 ๐›ผ , the formula (2.9) gives ๎€œ โ„ 2 | | ๐œ‰ | | 2 ( 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ) | | | | โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) โ„ฑ ( ๐‘ค ) ๐‘‘ ๐œ‰ โ‰ค ๐ถ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– ๐‘ค โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ . ( 2 . 1 1 )

Proof of Lemma 2.2. From the Cauchy-Schwarz inequality, we have ๎€œ โ„ 2 | | ๐œ‰ | | 2 ๐œŽ | | | | ๎€œ โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) โ„ฑ ( ๐‘ค ) ๐‘‘ ๐œ‰ โ‰ค โ„ 2 | | ๐œ‰ | | ๐œŽ โˆ’ ๐›ผ | | | | | | ๐œ‰ | | โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) ๐œŽ + ๐›ผ | | | | โ‰ค ๎‚ต ๎€œ โ„ฑ ( ๐‘ค ) ( ๐œ‰ ) ๐‘‘ ๐œ‰ โ„ 2 | | ๐œ‰ | | 2 ( ๐œŽ โˆ’ ๐›ผ ) | | | | โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) 2 ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ‰ 1 / 2 โ€– ๐‘ค โ€– ฬ‡ ๐ป ๐œŽ + ๐›ผ . ( 2 . 1 2 ) Using the weak derivatives properties, the product laws (Lemma 2.1), with ๐‘  1 + ๐‘  2 = ๐œŽ โˆ’ ๐›ผ + 2 > 0 , ๐‘  1 = 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < 1 , and ๐‘  2 = ๐œŽ + ๐›ผ , we can dominate the nonlinear part as follows: ๎€œ โ„ 2 | | ๐œ‰ | | 2 ( ๐œŽ โˆ’ ๐›ผ ) | | | | โ„ฑ ( ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ ) 2 ๎€œ ๐‘‘ ๐œ‰ โ‰ค โ„ 2 | | ๐œ‰ | | 2 ( ๐œŽ โˆ’ ๐›ผ + 1 ) ๎€ท | | | | ๎€ธ โ„ฑ ( ๐œƒ ) โˆ— | โ„ฑ ( ๐œƒ ) | 2 ๐‘‘ ๐œ‰ โ‰ค ๐ถ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐œŽ + ๐›ผ . ( 2 . 1 3 )

2.2. Existence Theorem

In [7], Wu proves an existence and uniqueness theorem of ( ๐’ฎ ๐›ผ ) in the well-known Besov spaces ฬ‡ ๐ต ๐‘Ÿ ๐‘ , ๐‘ž . We recall this theorem in the special case, where ๐‘ = ๐‘ž = 2 .

Theorem 2.4. Assume that ๐›ผ โˆˆ ( 0 , 1 ] and ๐œƒ 0 โˆˆ ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) , then there exists a constant ๐‘ ๐›ผ > 0 such that if โ€– โ€– ๐œƒ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐‘ ๐›ผ , ( 2 . 1 4 ) then the initial value problem ( ๐’ฎ ๐›ผ ) has a unique solution in ๐’ž ๐‘ ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) โˆฉ ๐ฟ 2 ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) . Moreover, โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐œƒ ( ๐œ ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐‘ ๎…ž ๐›ผ , โˆ€ ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ( 2 . 1 5 ) where ๐’ž ๐‘ ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) is the space of continuous and bounded functions from โ„ + to ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) .

In use of the fact that ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) is a Hilbert space, one deduces the following.

Corollary 2.5. Assume that ๐›ผ โˆˆ ( 1 / 2 , 1 ] and ๐œƒ 0 โˆˆ ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) , then there exists a constant ๐‘ ๐›ผ > 0 such that if โ€– โ€– ๐œƒ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐‘ ๐›ผ , ( 2 . 1 6 ) then the initial value problem ( ๐’ฎ ๐›ผ ) has a unique solution in ๐’ž ๐‘ ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) โˆฉ ๐ฟ 2 ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) . Moreover, โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐œƒ ( ๐œ ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ , โˆ€ ๐‘ก โ‰ฅ 0 . ( 2 . 1 7 )

Proof . Taking the scalar product in ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) , we get 1 2 ๐œ• ๐‘ก โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค | | โŸจ ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ) ๐œƒ , ๐œƒ โŸฉ ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ | | โ‰ค | | โŸจ d i v ( ๐œƒ ๐‘ข ) , ๐œƒ โŸฉ ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ | | โ‰ค โ€– d i v ( ๐œƒ ๐‘ข ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 3 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค โ€– ๐œƒ ๐‘ข โ€– ฬ‡ ๐ป 3 โˆ’ 3 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ . ( 2 . 1 8 )
Using Lemma 2.1 with ๐‘  1 = 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < 1 and ๐‘  2 = 2 โˆ’ ๐›ผ , we obtain 1 2 ๐œ• ๐‘ก โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค ๐ถ ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ , ๎‚ต ๐ถ ๐›ผ = 1 2 ๐‘ ๐›ผ ๎‚ถ . ( 2 . 1 9 ) Then the quadratic term can be absorbed, 1 2 ๐œ• ๐‘ก โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค 0 . ( 2 . 2 0 ) Taking the integral on the interval [ 0 , ๐‘ก ] , we obtain โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐œƒ ( ๐œ ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ , โˆ€ ๐‘ก โ‰ฅ 0 . ( 2 . 2 1 )

3. Proof of the Main Theorem

The proof of the first part will be in two steps.

First Step (Small Initial Data)
In this case, we suppose that โ€– โ€– ๐œƒ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐‘ ๐›ผ , ( 3 . 1 ) with ๐‘ ๐›ผ a sufficient small number. Then from Corollary 2.5, ๐œƒ โˆˆ ๐’ž ๐‘ ๎€ท โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€ท โ„ 2 ๎€ธ ๎€ธ โˆฉ ๐ฟ 2 ๎€ท โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ๎€ท โ„ 2 , ๎€ธ ๎€ธ ( 3 . 2 ) โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค โ€– โ€– ๐œƒ 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ , โˆ€ ๐‘ก โ‰ฅ 0 . ( 3 . 3 )
For a strictly positive real number ๐›ฟ and a given distribution ๐‘“ , we define the operators ๐ด ๐›ฟ ( ๐ท ) and ๐ต ๐›ฟ ( ๐ท ) , respectively, by the following: ๐ด ๐›ฟ ( ๐ท ) ๐‘“ โˆถ = ๐œ’ ๐ต ( 0 , ๐›ฟ ) ๎€ท | | ๐ท | | ๎€ธ ๐‘“ = โ„ฑ โˆ’ 1 ๎€ท ๐œ’ ๐ต ( 0 , ๐›ฟ ) ๎€ธ , ๐ต โ„ฑ ( ๐‘“ ) ๐›ฟ ๎€ท ( ๐ท ) ๐‘“ โˆถ = 1 โˆ’ ๐ด ๐›ฟ ๎€ธ ( ๐ท ) ๐‘“ = โ„ฑ โˆ’ 1 ๎€ท ๎€ท 1 โˆ’ ๐œ’ ๐ต ( 0 , ๐›ฟ ) ๎€ธ ๎€ธ . โ„ฑ ( ๐‘“ ) ( 3 . 4 ) We define ๐‘ค ๐›ฟ = ๐ด ๐›ฟ ( ๐ท ) ๐œƒ and ๐‘ฃ ๐›ฟ = ๐ต ๐›ฟ ( ๐ท ) ๐œƒ ; โ„ฑ ( ๐œƒ ) = โ„ฑ ( ๐‘ค ๐›ฟ ) + โ„ฑ ( ๐‘ฃ ๐›ฟ ) . Then, ๐œ• ๐‘ก ๐‘ค ๐›ฟ + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐‘ค ๐›ฟ + ๐ด ๐›ฟ ๐œ• ( ๐ท ) ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ) = 0 , ๐‘ก โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ค + 2 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค ๐ถ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‹… โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‹… โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ . ( 3 . 5 ) We deduce that โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ( 0 ) 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๐ถ โ€– ๐œƒ ( 0 ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ โˆž 0 โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 6 ) Since โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ‰ค โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ , then from the dominate convergence theorem and (3.3), we have l i m ๐›ฟ โ†’ 0 S u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 . ( 3 . 7 ) The function ๐‘ฃ ๐›ฟ satisfies ๐œ• ๐‘ก ๐‘ฃ ๐›ฟ + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐‘ฃ ๐›ฟ + ๐ต ๐›ฟ ๐œ• ( ๐ท ) ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ) = 0 , ๐‘ก | | โ„ฑ ๎€ท ๐‘ฃ ๐›ฟ ๎€ธ | | 2 | | ๐œ‰ | | + 2 2 ๐›ผ | | โ„ฑ ๎€ท ๐‘ฃ ๐›ฟ ๎€ธ | | 2 โ‰ค | | ๎€ท ๐‘ฃ โ„ฑ ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ) โ„ฑ ๐›ฟ ๎€ธ | | . ( 3 . 8 ) Multiplying this equation by | ๐œ‰ | 2 ( 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ) ๐‘’ 2 ๐‘ก | ๐œ‰ | 2 ๐›ผ , we deduce that โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค ๎€œ | ๐œ‰ | > ๐›ฟ | | ๐œ‰ | | 2 ( 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ) ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก | ๐œ‰ | 2 ๐›ผ | | โ„ฑ ๎€ท ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ ๎€ธ | | 2 + ๎€œ ๐‘ก 0 ๎€œ | ๐œ‰ | > ๐›ฟ | | ๐œ‰ | | 2 ( 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ) ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) | ๐œ‰ | 2 ๐›ผ | | โ„ฑ ๎€ท ๐‘ฃ ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ) โ„ฑ ๐›ฟ ๎€ธ | | ๐‘‘ ๐œ‰ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ + ๐ถ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ ๎€œ ๐œ‰ | | ๐œ‰ | | 2 ( 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ) | | ๎€ท ๐‘ฃ โ„ฑ ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ) โ„ฑ ๐›ฟ ๎€ธ | | ๐‘‘ ๐œ‰ ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 9 ) Using Remark 2.3 and (3.3), we get โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ + ๐ถ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 1 0 ) We set ๐น ๐›ฟ ( ๐‘ก ) = ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ + ๐ถ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ๎€œ ๐‘‘ ๐œ , 0 + โˆž ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐‘‘ ๐‘ก = 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ‰ค โ€– โ€– ๐œƒ 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ , ๎€œ 0 + โˆž ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ๎€œ ๐‘‘ ๐œ ๐‘‘ ๐‘ก = 0 + โˆž ๎‚ต ๎€œ ๐œ + โˆž ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ ๎‚ถ ๐‘‘ ๐‘ก โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ = 1 ๐‘‘ ๐œ 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ ๎€œ 0 + โˆž โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ 4 ๐›ฟ 2 ๐›ผ . ( 3 . 1 1 ) Then, ๎€œ 0 + โˆž ๐น ๐›ฟ โ€– โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๐›ฟ 2 ๐›ผ . ( 3 . 1 2 ) Let ๐œ€ > 0 , from (3.7), there exists ๐›ฟ 0 > 0 such that โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค ๐œ€ 2 , โˆ€ ๐‘ก โ‰ฅ 0 . ( 3 . 1 3 ) Let ๐ธ ๐›ฟ 0 = { ๐‘ก โ‰ฅ 0 ; โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ > ๐œ€ / 2 } , then ๎€œ 0 + โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ฅ ๐ธ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎‚€ ๐œ€ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ฅ 2 ๎‚ 2 ๐œ† 1 ๎€ท ๐ธ ๐›ฟ 0 ๎€ธ , ( 3 . 1 4 ) where ๐œ† 1 ( ๐ธ ๐›ฟ 0 ) is the Lebesgue measure of ๐ธ ๐›ฟ 0 . If ๐‘‡ ๐œ€ = ๎‚€ 2 ๐œ€ ๎‚ 2 ๎€œ 0 + โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๐‘‘ ๐‘ก , ( 3 . 1 5 ) then ๐œ† 1 ( ๐ธ ๐›ฟ 0 ) โ‰ค ๐‘‡ ๐œ€ . For ๐œ‚ > 0 , there exists ๐‘ก 0 โˆˆ [ 0 , ๐‘‡ ๐œ€ + ๐œ‚ ] such that ๐‘ก 0 โˆ‰ ๐ธ ๐›ฟ 0 , and it results that โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค ๐œ€ 2 . ( 3 . 1 6 ) Equation (3.13) and (3.16) give that โ€– โ€– ๐œƒ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค ๐œ€ . ( 3 . 1 7 ) Thus, l i m ๐‘ก โ†’ + โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 , and this finishes the proof in this case.

Second Step (Large Initial Data)
To prove the result for any initial data, it suffices to prove the existence of some ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that โ€– โ€– ๐œƒ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐‘ ๐›ผ . ( 3 . 1 8 ) Let ๐œƒ 0 = ๐‘Ž 0 + ๐‘Ÿ 0 , with ๐‘Ž 0 โˆถ = โ„ฑ โˆ’ 1 ๎€ท ๐Ÿ { 1 / ๐‘ < | ๐œ‰ | < ๐‘ } โ„ฑ ๎€ท ๐œƒ 0 , ๐‘Ÿ ๎€ธ ๎€ธ 0 โˆถ = ๐œƒ 0 โˆ’ ๐‘Ž 0 , โ€– โ€– ๐‘Ÿ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐‘ ๐›ผ . ( 3 . 1 9 )
Now, consider the following system: ๐œ• ๐‘ก ๐‘Ÿ + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐‘Ÿ + ( ๐‘… โ‹… โˆ‡ ) ๐‘Ÿ = 0 i n โ„ + ร— โ„ 2 , ๐‘Ÿ ( 0 ) = ๐‘Ÿ 0 i n โ„ 2 , ๐‘… = โˆ‡ โŸ‚ ฮ” โˆ’ 1 / 2 ๐‘Ÿ . ( 3 . 2 0 ) By Corollary 2.5, there is a unique solution ๐‘Ÿ โˆˆ ๐’ž ๐‘ ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) โˆฉ ๐ฟ 2 ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) such that ( โ€– ๐‘Ÿ ๐‘ก ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๎€œ ๐‘ก 0 ( โ€– ๐‘Ÿ ๐œ ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘Ÿ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ . ( 3 . 2 1 ) Let ๐‘Ž โˆถ = ๐œƒ โˆ’ ๐‘Ÿ โˆˆ ๐’ž ( โ„ + , ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ( โ„ 2 ) ) , then ๐‘Ž is a solution of the following system: ๐œ• ๐‘ก ๐‘Ž + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐‘Ž + ( ๐ด โ‹… โˆ‡ ) ๐‘Ž + ( ๐ด โ‹… โˆ‡ ) ๐‘Ÿ + ( ๐‘… โ‹… โˆ‡ ) ๐‘Ž = 0 i n โ„ + ร— โ„ 2 , ๐‘Ž ( 0 ) = ๐‘Ž 0 i n โ„ 2 , ๐ด = โˆ‡ โŸ‚ ฮ” โˆ’ 1 / 2 ๐‘Ž . ( S 1 ) Taking a scalar product in ๐ฟ 2 ( โ„ 2 ) , we obtain ๐œ• ๐‘ก โ€– โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) 2 ๐ฟ 2 โ€– + 2 โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ | | | | ๎€œ โ‰ค 2 โ„ 2 | | | | | | | | ๎€œ ( ๐ด โ‹… โˆ‡ ) ๐‘Ÿ ๐‘Ž โ‰ค 2 โ„ 2 | | | | d i v ( ๐‘Ÿ ๐ด ) ๐‘Ž โ‰ค 2 โ€– ๐‘Ÿ ๐ด โ€– ฬ‡ ๐ป 1 โˆ’ ๐›ผ โ€– ๐‘Ž โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ . ( 3 . 2 2 ) Using the product law in Lemma 2.1, with ๐‘  1 = 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < 1 and ๐‘  2 = ๐›ผ < 1 , | | โŸจ ( ๐ด โ‹… โˆ‡ ) ๐‘Ÿ , ๐‘Ž โŸฉ ๐ฟ 2 ( โ„ 2 ) | | โ‰ค ๐ถ ( ๐›ผ ) โ€– ๐‘Ÿ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐ด โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ€– ๐‘Ž โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ‰ค ๐ถ ( ๐›ผ ) โ€– ๐‘Ÿ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– ๐‘Ž โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ‰ค โ€– ๐‘Ž โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ , ( 3 . 2 3 ) then, for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ๐œ• ๐‘ก โ€– โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) 2 ๐ฟ 2 โ€– + โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ ( โ‰ค 0 , โ€– ๐‘Ž ๐‘ก ) โ€– 2 ๐ฟ 2 + ๎€œ ๐‘ก 0 ( โ€– ๐‘Ž ๐œ ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘Ž ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 , ( 3 . 2 4 ) then 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = ๐œ† ร— 0 + ( 1 โˆ’ ๐œ† ) ๐›ผ , with ๐œ† โˆถ = 3 โˆ’ ( 2 / ๐›ผ ) โˆˆ [ 0 , 1 ] , โ€– โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ‰ค โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) ๐ฟ 3 โˆ’ 2 / ๐›ผ 2 โ€– โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) ฬ‡ ๐ป 2 / ๐›ผ โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค โ€– โ€– ๐‘Ž 0 โ€– โ€– ๐ฟ 3 โˆ’ 2 / ๐›ผ 2 โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 / ๐›ผ โˆ’ 2 ๐›ผ . ( 3 . 2 5 ) Then, ๎€œ โˆž 0 โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘Ž ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โ€– โ€– ๐ฟ 1 / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) 2 . ( 3 . 2 6 ) Now define the set ๐‘† ๐œ€ ๎€ฝ โ€– โˆถ = ๐‘ก โ‰ฅ 0 ; โ€– ๐‘Ž ( ๐‘ก ) ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€พ > ๐œ€ ( 3 . 2 7 ) as a measurable with respect to the Lebesgue measure. We have ๐œ€ ๐›ผ / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) ๐œ† 1 ๎€ท ๐‘† ๐œ€ ๎€ธ โ‰ค ๎€œ ๐‘† ๐œ€ ( โ€– ๐‘Ž ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘Ž ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โ€– โ€– ๐ฟ 1 / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) 2 . ( 3 . 2 8 ) So ๐œ† 1 ( ๐‘† ๐œ€ ) < โˆž and ๐œ† 1 ( ๐‘† ๐œ€ ) โ‰ค ๐œ€ ๐›ผ / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) โ€– ๐‘Ž 0 โ€– ๐ฟ 1 / ( 1 โˆ’ ๐›ผ ) 2 , then there is ๐‘ก 0 โˆˆ ๎€บ 0 , ๐œ† 1 ๎€ท ๐‘† ๐œ€ ๎€ธ ๎€ป + 1 โงต ๐‘† ๐œ€ . ( 3 . 2 9 ) Then, โ€– โ€– ๐‘Ž ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐œ€ , ( 3 . 3 0 ) and then โ€– โ€– ๐œƒ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ โ‰ค โ€– โ€– ๐‘Ÿ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + โ€– โ€– ๐‘Ž ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐œ€ 2 + ๐œ€ 2 = ๐œ€ . ( 3 . 3 1 )

Applying the conclusion of Theorem 1.1 for ( ๐’ฎ ๐›ผ ) system starting at ๐œƒ ( ๐‘ก 0 ) , we can deduce the desired result.

In the nonhomogeneous case, we suppose that ๐œƒ โˆˆ ๐’ž ( โ„ + , ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ) , then l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ = 0 . ( 3 . 3 2 )

We can suppose that โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ < ๐‘ ๐›ผ , and for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ( โ€– ๐œƒ ๐‘ก ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ + ๎€œ ๐‘ก 0 ( โ€– ๐œƒ ๐œ ) โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ . ( 3 . 3 3 )

Thus, it suffices to prove that l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ๐ฟ 2 = 0 . ( 3 . 3 4 )

Let ๐›ฟ > 0 , then we recall the operators ๐ด ๐›ฟ ( ๐ท ) ๐œƒ = โ„ฑ โˆ’ 1 ๎€ท ๐œ’ ๐ต ( 0 , ๐›ฟ ) ๎€ธ , ๐ต โ„ฑ ( ๐œƒ ) ๐›ฟ ( ๐ท ) ๐œƒ = โ„ฑ โˆ’ 1 ๎€ท ๎€ท 1 โˆ’ ๐œ’ ๐ต ( 0 , ๐›ฟ ) ๎€ธ ๎€ธ . โ„ฑ ( ๐œƒ ) ( 3 . 3 5 ) We define ๐‘ค ๐›ฟ = ๐ด ๐›ฟ ( ๐ท ) ( ๐œƒ ) and ๐‘ฃ ๐›ฟ = ๐ต ๐›ฟ ( ๐ท ) ( ๐œƒ ) . Then, ๐œ• ๐‘ก ๐‘ค ๐›ฟ + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐‘ค ๐›ฟ + ๐ด ๐›ฟ ๎€ท ๐‘ข ( ๐ท ) ๐œƒ ๎€ธ โ‹… โˆ‡ ๐œƒ = 0 , ( 3 . 3 6 ) and from Lemma 2.2, ๐œ• ๐‘ก โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 โ€– โ€– ๐‘ค + 2 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ‰ค ๐ถ โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ . โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ‹… โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ . ( 3 . 3 7 ) We deduce that โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 โ‰ค โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ( 0 ) 2 ๐ฟ 2 โ€– โ€– ๐œƒ + ๐ถ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ 0 + โˆž โ€– ๐œƒ โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป ๐›ผ ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 3 8 ) Then from the dominate convergence theorem and the following ๐ฟ 2 energy estimate โ€– ๐œƒ โ€– 2 ๐ฟ 2 ๎€œ + 2 ๐‘ก 0 โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 , ( 3 . 3 9 ) we deduce that l i m ๐›ฟ โ†’ 0 S u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ โ€– โ€– ๐ฟ 2 ๐œ• = 0 , ๐‘ก ๐‘ฃ ๐›ฟ + ( โˆ’ ฮ” ) ๐›ผ ๐‘ฃ ๐›ฟ + ๐ต ๐›ฟ ๎€ท ๐‘ข ( ๐ท ) ๐œƒ ๎€ธ ๐œ• โ‹… โˆ‡ ๐œƒ = 0 , ( 3 . 4 0 ) ๐‘ก | | โ„ฑ ๎€ท ๐‘ฃ ๐›ฟ ๎€ธ | | 2 | | ๐œ‰ | | + 2 2 ๐›ผ | | โ„ฑ ๎€ท ๐‘ฃ ๐›ฟ ๎€ธ | | 2 โ‰ค | | ๎€ท ๐‘ฃ โ„ฑ ( ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ) โ„ฑ ๐›ฟ ๎€ธ | | . ( 3 . 4 1 )

Multiplying this equation by ๐‘’ 2 ๐‘ก | ๐œ‰ | 2 ๐›ผ , we have โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 โ‰ค ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 ๎€œ + ๐ถ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ | | | | ๎ƒก ๐‘ข โ‹… โˆ‡ ๐œƒ ๐‘ฃ ๐›ฟ ๎ƒข | | | | 2 ๐ฟ 2 ๎€ท โ„ 2 ๎€ธ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 โ€– โ€– ๐œƒ + ๐ถ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 4 2 ) We set ๐น ๐›ฟ ( ๐‘ก ) = ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 โ€– โ€– ๐œƒ + ๐ถ 0 โ€– โ€– ฬ‡ ๐ป 2 โˆ’ 2 ๐›ผ ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ ๎€œ ๐‘‘ ๐œ , 0 + โˆž ๐‘’ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– โ€– ๐‘ฃ 0 ๐›ฟ โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐‘ก = 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ , ๎€œ 0 + โˆž ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ ๎€œ ๐‘‘ ๐œ ๐‘‘ ๐‘ก = 0 + โˆž ๎‚ต ๎€œ ๐œ + โˆž ๐‘’ โˆ’ 2 ( ๐‘ก โˆ’ ๐œ ) ๐›ฟ 2 ๐›ผ ๎‚ถ ๐‘‘ ๐‘ก โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ = 1 ๐‘‘ ๐œ 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ ๎€œ 0 + โˆž โ€– ๐œƒ โ€– 2 ฬ‡ ๐ป ๐›ผ โ€– โ€– ๐œƒ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ . ( 3 . 4 3 ) Then, ๎€œ 0 + โˆž ๐น ๐›ฟ โ€– โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 ๐›ฟ 2 ๐›ผ . ( 3 . 4 4 ) Let ๐œ€ > 0 , from (3.40), then there exists ๐›ฟ 0 > 0 such that โ€– โ€– ๐‘ค ๐›ฟ 0 โ€– โ€– ๐ฟ 2 โ‰ค ๐œ€ 2 , โˆ€ ๐‘ก โ‰ฅ 0 . ( 3 . 4 5 ) Let ๐ธ ๐›ฟ 0 = { ๐‘ก โ‰ฅ 0 ; โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– ๐ฟ 2 > ๐œ€ / 2 } , then ๎€œ 0 + โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 ๎€œ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ฅ ๐ธ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 ๎‚€ ๐œ€ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ฅ 2 ๎‚ 2 ๐œ† 1 ๎€ท ๐ธ ๐›ฟ 0 ๎€ธ , ( 3 . 4 6 ) where ๐œ† 1 ( ๐ธ ๐›ฟ 0 ) is the Lebesgue measure of ๐ธ ๐›ฟ 0 . If ๐‘‡ ๐œ€ = ๎‚€ 2 ๐œ€ ๎‚ 2 ๎€œ 0 + โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 โ€– โ€– 2 ๐ฟ 2 ๐‘‘ ๐‘ก , ( 3 . 4 7 ) then ๐œ† 1 ( ๐ธ ๐›ฟ 0 ) โ‰ค ๐‘‡ ๐œ€ . For ๐œ‚ > 0 , there exists ๐‘ก 0 โˆˆ [ 0 , ๐‘‡ ๐œ€ + ๐œ‚ ] such that ๐‘ก 0 โˆ‰ ๐ธ ๐›ฟ 0 , then โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐›ฟ 0 ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ๐ฟ 2 โ‰ค ๐œ€ 2 . ( 3 . 4 8 ) The equations (3.45) and (3.48) give that โ€– โ€– ๐œƒ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ โ€– โ€– ๐ฟ 2 < ๐œ€ . ( 3 . 4 9 ) Thus, l i m ๐‘ก โ†’ + โˆž โ€– ๐œƒ ( ๐‘ก ) โ€– ๐ฟ 2 = 0 , and this finishes the proof.

Acknowledgments

This research is supported by NPST Program of King Saud University, project number 10-MAT1293-02. The authors thank the referee for his/her careful reading of the paper and corrections.

References

  1. P. Constantin, A. J. Majda, and E. Tabak, โ€œFormation of strong fronts in the 2-D quasigeostrophic thermal active scalar,โ€ Nonlinearity, vol. 7, no. 6, pp. 1495โ€“1533, 1994.
  2. N. Ju, โ€œDissipative 2D quasi-geostrophic equation: local well-posedness, global regularity and similarity solutions,โ€ Indiana University Mathematics Journal, vol. 56, no. 1, pp. 187โ€“206, 2007. View at Publisher ยท View at Google Scholar
  3. H. Miura, โ€œDissipative quasi-geostrophic equation for large initial data in the critical Sobolev space,โ€ Communications in Mathematical Physics, vol. 267, no. 1, pp. 141โ€“157, 2006. View at Publisher ยท View at Google Scholar
  4. H. Dong and D. Du, โ€œGlobal well-posedness and a decay estimate for the critical dissipative quasi-geostrophic equation in the whole space,โ€ Discrete and Continuous Dynamical Systems-Series A, vol. 21, no. 4, pp. 1095โ€“1101, 2008.
  5. C. J. Niche and M. E. Schonbek, โ€œDecay of weak solutions to the 2D dissipative quasi-geostrophic equation,โ€ Communications in Mathematical Physics, vol. 276, no. 1, pp. 93โ€“115, 2007. View at Publisher ยท View at Google Scholar
  6. J.-Y. Chemin, โ€œAbout Navier-Stokes equations,โ€ Publications of Jaques-Louis Lions Laboratoiry, Paris VI University, R96023, 1996.
  7. J. Wu, โ€œExistence and uniqueness results for the 2-D dissipative quasi-geostrophic equation,โ€ Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications A, vol. 67, no. 11, pp. 3013โ€“3036, 2007. View at Publisher ยท View at Google Scholar