Abstract

We characterize the global and nonglobal solutions of the Timoshenko equation in a bounded domain. We consider nonlinear dissipation and a nonlinear source term. We prove blowup of solutions as well as convergence to the zero and nonzero equilibria, and we give rates of decay to the zero equilibrium. In particular, we prove instability of the ground state. We show existence of global solutions without a uniform bound in time for the equation with nonlinear damping. We define and use a potential well and positive invariant sets.

1. Introduction

We consider ๐‘ข ๐‘ก ๐‘ก + ๐‘˜ ฮ” 2 ๎€ท ๐‘ข โˆ’ ๐‘€ โ€– โˆ‡ ๐‘ข โ€– 2 2 ๎€ธ ๎€ท ๐‘ข ฮ” ๐‘ข + ๐‘” ๐‘ก ๎€ธ = ๐‘“ ( ๐‘ข ) i n ฮฉ , ( 1 . 1 ) with initial conditions ๐‘ข ( ๐‘ฅ , 0 ) = ๐‘ข 0 , ๐‘ข ๐‘ก ( ๐‘ฅ , 0 ) = ๐‘ฃ 0 , ๐‘ฅ โˆˆ ฮฉ , ( 1 . 2 ) and with one set of the following boundary conditions: ๐‘ข = 0 , ฮ” ๐‘ข = 0 o n ๐œ• ฮฉ , ( 1 . 3 ) or ๐‘ข = 0 , ๐œ• ๐‘ข ๐œ• ๐œˆ = 0 o n ๐œ• ฮฉ , ( 1 . 4 ) where ฮฉ โŠ‚ โ„ ๐‘› is a bounded domain with sufficiently smooth boundary, โ€– โ‹… โ€– 2 is the norm in ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , ๐‘€ ๎€ท ๐‘  2 ๎€ธ = ๐›ผ + ๐›ฝ ๐‘  2 ๐›พ ๐‘” ๎€ท ๐‘ข , ๐›ผ โ‰ฅ 0 , ๐›ฝ โ‰ฅ 0 , ๐›ผ + ๐›ฝ > 0 , ๐›พ โ‰ฅ 1 , ๐‘˜ = 1 , ( 1 . 5 ) ๐‘ก ๎€ธ = ๐›ฟ ๐‘ข ๐‘ก | | ๐‘ข ๐‘ก | | ๐œ† โˆ’ 2 , ๐›ฟ > 0 , ๐œ† โ‰ฅ 2 , ( 1 . 6 ) ๐‘“ ( ๐‘ข ) = ๐œ‡ ๐‘ข | ๐‘ข | ๐‘Ÿ โˆ’ 2 , ๐œ‡ > 0 , ๐‘Ÿ > 0 . ( 1 . 7 ) When the source term ๐‘“ โ‰ก 0 , there is a considerable set of works studying several properties of equation (1.1), see for instance, the early papers by Ball [1, 2], Haraux and Zuazua [3], and the books by Hale [4], Haraux [5], and references therein. For a destabilizing source term, ๐‘  ๐‘“ ( ๐‘  ) > 0 , ๐‘  โˆˆ โ„ โงต { 0 } , in the works of Payne and Sattinger [6], Georgiev and Todorova [7], and Ikehata [8], qualitative properties of (1.1) are studied, when ๐‘˜ = 0 = ๐›ฝ . To understand the dynamics of second-order equations in time, similar to (1.1), active research is reported in Alves and Cavalcanti [9], Barbu et al. [10], Cavalcanti et al. [11โ€“16], Rammaha [17] Rammaha and Sakuntasathien [18], and Todorova and Vitillaro [19], Vitillaro [20]. For the Timoshenko equation, with ๐‘” โ‰ก 0 , Bainov and Minchev [21] gave sufficient conditions for the nonexistence of smooth solutions of (1.1), with negative initial energy, and gave an upper bound of the maximal time of existence. For positive and sufficiently small initial energy, blowup and globality properties are characterized in Esquivel-Avila [22]. For the Kirchhoff equation, that is, (1.1) with ๐‘˜ = 0 , the nonexistence of global solutions is studied in [23]. In [24, 25], we characterized properties such as blowup and asymptotic behavior of solutions, for (1.1) with ๐‘˜ = 0 and ๐›ฝ = 0 . To the knowledge of the author, such problems are still open for the Timoshenko equation (1.1). Here, we want to give some results about the dynamics of problem (1.1). To do that we will generalize the concept of the depth of the potential well in such manner that our results of the dynamics be as sharp as the ones in [24, 25]. Furthermore, for particular cases, our definition of depth of the potential well will coincide with the one introduced in [6].

2. Preliminaries and Framework

We begin this section with an existence, uniqueness, and continuation theorem for (1.1). The proof is similar to the ones in [7, 8], where semilinear wave equations are studied.

Theorem 2.1. Assume that ๐‘Ÿ > 2 and ๐‘Ÿ โ‰ค 2 ( ๐‘› โˆ’ 2 ) / ( ๐‘› โˆ’ 4 ) if ๐‘› โ‰ฅ 5 . For every initial data ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) โˆˆ ๐ป โ‰ก ๐ต ร— ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , where ๐ต is defined either by ๐ต โ‰ก ๐ป 2 ( ฮฉ ) โˆฉ ๐ป 1 0 ( ฮฉ ) , or ๐ต โ‰ก ๐ป 2 0 ( ฮฉ ) , there exists a unique (local) weak solution ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ‰ก ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) of problem (1.1), that is, ๐‘‘ ๐‘‘ ๐‘ก ( ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) , ๐‘ค ) 2 + ( ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ฮ” ๐‘ค ) 2 ๎€ท โ€– + ๐‘€ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) 2 2 ๎€ธ ( โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , โˆ‡ ๐‘ค ) 2 + ( ๐‘” ( ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) , ๐‘ค ) 2 = ( ๐‘“ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) , ๐‘ค ) 2 , ( 2 . 1 ) a.e. in ( 0 , ๐‘‡ ) and for every ๐‘ค โˆˆ ๐ต โˆฉ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) , such that [ ๐‘ข โˆˆ ๐ถ ( 0 , ๐‘‡ ) ; ๐ต ) โˆฉ ๐ถ 1 ๎€ท [ 0 , ๐‘‡ ) ; ๐ฟ 2 ๎€ธ ( ฮฉ ) , ๐‘ฃ โ‰ก ๐‘ข ๐‘ก โˆˆ ๐ฟ ๐œ† ( ( 0 , ๐‘‡ ) ร— ฮฉ ) . ( 2 . 2 )
Here, ๐‘† ( ๐‘ก ) denotes the corresponding semigroup on ๐ป , generated by problem (1.1), and ( โ‹… , โ‹… ) 2 is the inner product in ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) .
The following energy equation holds: ๐ธ 0 ๎€œ = ๐ธ ( ๐‘ก ) + ๐‘ก 0 ๐›ฟ โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๐‘‘ ๐œ , ( 2 . 3 ) where 1 ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ‰ก 2 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 1 + ๐ฝ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) , ( 2 . 4 ) ๐ฝ ( ๐‘ข ) โ‰ก 2 1 ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + 1 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ) โˆ’ ๐‘Ÿ ๐‘ ( ๐‘ข ) , ( 2 . 5 ) with ๐‘Ž ( ๐‘ข ) โ‰ก โ€– ๐‘ข โ€– 2 ๐ต , ๐‘ ( ๐‘ข ) โ‰ก ๐œ‡ โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ , ๐‘ ( ๐‘ข ) โ‰ก ๐›ฝ โ€– โˆ‡ ๐‘ข โ€– 2 2 ( ๐›พ + 1 ) . ( 2 . 6 )
Here, ๐ธ 0 โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) is the initial energy, and โ€– โ‹… โ€– ๐‘ž denotes the norm in the ๐ฟ ๐‘ž ( ฮฉ ) space.
If the maximal time of existence ๐‘‡ ๐‘€ < โˆž , then ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) โ†’ โˆž as ๐‘ก โ†— ๐‘‡ ๐‘€ , in the norm of ๐ป : โ€– โ€– ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) 2 ๐ป โ‰ก โ€– ๐‘ข โ€– 2 ๐ต + โ€– ๐‘ฃ โ€– 2 2 โ‰ก โ€– ฮ” ๐‘ข โ€– 2 2 + ๐›ผ โ€– โˆ‡ ๐‘ข โ€– 2 2 + โ€– ๐‘ฃ โ€– 2 2 . ( 2 . 7 )
In that case, from (2.3)โ€“(2.6), โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ โ†’ โˆž as ๐‘ก โ†— ๐‘‡ ๐‘€ .

Now, we define, respectively, the stable (potential well) and unstable sets: [ ] [ ] , [ ๐ผ ] โˆฉ [ ๐ฝ ] , ๐‘Š โ‰ก ( ๐ผ ( ๐‘ข ) > 0 โˆช { 0 } ) โˆฉ ๐ฝ ( ๐‘ข ) < ๐‘‘ ๐‘‰ โ‰ก ( ๐‘ข ) < 0 ( ๐‘ข ) < ๐‘‘ ( 2 . 8 ) where ๐ผ ( ๐‘ข ) โ‰ก ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + ๐‘ ( ๐‘ข ) โˆ’ ๐‘ ( ๐‘ข ) . ( 2 . 9 )

Here, [ ๐ผ ( ๐‘ข ) < 0 ] denotes the set of ๐‘ข โˆˆ ๐ต with that property, and the depth of the potential well is defined as follows: ๐‘‘ โ‰ก ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘† 2 ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) , ( 2 . 1 0 ) where โˆš ๐‘† โ‰ก i n f 0 โ‰  ๐‘ข โˆˆ ๐ต ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) > 0 ๎‚ต ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) 1 / 2 ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) 1 / ๐‘Ÿ ๎‚ถ , ( 2 . 1 1 ) ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) โ‰ก ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + ๐œ… 1 ๐‘ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) , ( ๐‘ข ) โ‰ก ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐œ… 2 ๐‘ ( ๐‘ข ) . ( 2 . 1 2 ) with ๐œ… 1 โ‰ก ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ( ๐›พ + 1 ) , ๐œ… 2 โ‰ก ๐œ… 1 โˆ’ 1 = โˆ’ ๐‘Ÿ ๐›พ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ( ๐›พ + 1 ) . ( 2 . 1 3 )

We assume that ๐‘Ÿ โ‰ฅ 2 ( ๐›พ + 1 ) , and since ๐›พ โ‰ฅ 1 , then ๐œ… 1 โˆˆ [ 0 , 1 / 2 ) , and ๐œ… 2 โˆˆ [ โˆ’ 1 , โˆ’ 1 / 2 ) . Also note that if ๐‘Ÿ = 2 ( ๐›พ + 1 ) , then ๐œ… 1 = 0 , ๐œ… 2 = โˆ’ 1 , and we have the following characterization of the depth of the potential well (2.10)-(2.11): ๐‘‘ = i n f 0 โ‰  ๐‘ข โˆˆ ๐ต s u p ๐œ† โ‰ฅ 0 ๐ฝ ( ๐œ† ๐‘ข ) , ( 2 . 1 4 ) which is the definition given in [6], where a nondissipative nonlinear wave equation is studied.

Consider any ๐‘ข โˆˆ ๐ต , ๐‘Ÿ > 2 , and ๐‘Ÿ โ‰ค 2 ๐‘› / ( ๐‘› โˆ’ 4 ) if ๐‘› โ‰ฅ 5 , then ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ + ๐œ… 1 ๐‘ ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ , ( 2 . 1 5 ) where ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 , is any constant in the Sobolev-Poincarรฉโ€™s inequality ๎€ท โ€– ฮ” ๐‘ข โ€– 2 2 + ๐›ผ โ€– โˆ‡ ๐‘ข โ€– 2 2 ๎€ธ 1 / 2 โ‰ฅ โˆš ๐ถ ( ฮฉ ) ๐œ‡ 1 / ๐‘Ÿ โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Ÿ . ( 2 . 1 6 )

Moreover, if ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) > 0 , from (2.15) and since ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐‘ ( ๐‘ข ) , ฬ‚ ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ . ( 2 . 1 7 )

Hence, ๐‘† โ‰ฅ ๐ถ ( ฮฉ ) , and ๐‘‘ โ‰ฅ ๐ท โ‰ก ( ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / 2 ๐‘Ÿ ) ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘Ÿ / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) > 0 .

If ๐‘ข ๐‘’ denotes any nonzero equilibria of equation (1.1), ๎€บ โ„ฐ โ‰ก 0 โ‰  ๐‘ข ๐‘’ โˆˆ ๐ต โˆถ ฮ” 2 ๐‘ข ๐‘’ ๎€ท โˆ’ ๐‘€ โ€– ๐‘ข โ€– 2 2 ๎€ธ ฮ” ๐‘ข ๐‘’ ๎€ท ๐‘ข = ๐‘“ ๐‘’ ๎€ธ ๎€ป , ( 2 . 1 8 ) then, by (2.1) in Theorem 2.1 with ๐‘ข ( ๐‘ก ) = ๐‘ข ๐‘’ = ๐‘ค , we get that ๐‘ข ๐‘’ belongs to the Nehari manifold, ๐’ฉ , that is, ๎‚ƒ ๎ ๎‚„ โ„ฐ โŠ‚ ๐’ฉ โ‰ก 0 โ‰  ๐‘ข โˆˆ ๐ต โˆถ ๐ผ ( ๐‘ข ) = ๐ผ ( ๐‘ข ) = 0 , ( 2 . 1 9 ) where ๎ ฬ‚ ๐ผ ( ๐‘ข ) โ‰ก ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) โˆ’ ๐‘ ( ๐‘ข ) .

Consequently, ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ๐‘’ ) = ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ๐‘’ ) > 0 . Furthermore, from (2.17) which is an equality when ๐ถ ( ฮฉ ) = ๐‘† , we conclude that the Nehari manifold can be represented by the line: ๐‘ฆ = ๐‘ฅ , in the plane with axes ฬ‚ ๐‘ฅ = ๐‘ ( ๐‘ข ) and ๐‘ฆ = ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) , beginning at the point: ๐‘ฆ = ๐‘ฅ = ๐‘† ๐‘Ÿ / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) = ( 2 ๐‘Ÿ / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ) ๐‘‘ . We also note that 1 ๐ฝ ( ๐‘ข ) = 2 1 ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) โˆ’ ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) . ( 2 . 2 0 )

From these facts it follows that the depth of the potential well (2.10) is characterized by ๐‘‘ = i n f ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ๐ฝ ( ๐‘ข ) = ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ๐œš , ( 2 . 2 1 ) where 0 < ๐œš โ‰ก i n f ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) = i n f ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) . ( 2 . 2 2 )

Hence, any equilibrium is such that ๐‘ข ๐‘’ โˆˆ [ ๐ฝ ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] . Moreover, like in [6], the set of extremals of (2.21) is characterized by set of equilibria with least energy, that is the ground state ๐’ฉ โˆ— โ‰ก ๎€บ ๐‘ข ๐‘’ ๎€ท ๐‘ข โˆˆ โ„ฐ โˆถ ๐ฝ ๐‘’ ๎€ธ ๎€ป = ๎€บ ๐‘ข = ๐‘‘ ๐‘’ ๎€ท ๐‘ข โˆˆ โ„ฐ โˆถ ฬ‚ ๐‘Ž ๐‘’ ๎€ธ = ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ ๎€ป = ๐œš . ( 2 . 2 3 ) Observe that ๐ฝ ( ๐‘ข ) = ๐‘‘ is a tangent line to the curve defined by the equality in (2.17) with ๐ถ ( ฮฉ ) = ๐‘† , at the point ๐’ฉ โˆ— , which holds if ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) > 0 . On the other hand, we notice that ๐œ… 1 ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) โˆ’ ๐œ… 2 ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) = ๐œ… 1 ๐‘ ( ๐‘ข ) โˆ’ ๐œ… 2 ๐‘Ž ( ๐‘ข ) > 0 , ( 2 . 2 4 ) and is equal to zero if and only if ๐‘Ž ( ๐‘ข ) = 0 = ๐‘ ( ๐‘ข ) . Hence, if ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) < 0 , then ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) > ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ฬ‚ โˆ’ ๐‘Ÿ ๐›พ ๐‘ ( ๐‘ข ) . ( 2 . 2 5 )

Therefore, next results about the stable and unstable sets follow.

Lemma 2.2. The following properties of ๐‘‰ and ๐‘Š hold: (i) ๐‘Š is a neighborhood of 0 โˆˆ ๐ต .(ii) 0 โˆ‰ [ ๐ผ ( ๐‘ข ) < 0 ] (closure in ๐ต ), in particular 0 โˆ‰ ๐‘‰ .(iii) ๐‘Š = ๐‘Š + โˆช ๐‘Š โˆ’ โˆช { 0 } , where ๐‘Š + ๎€บ ฬ‚ ๎€ป = ๎‚ƒ ๐œš โ‰ก ๐‘Š โˆฉ ๐‘ ( ๐‘ข ) > 0 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ 2 โ‰ค ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๎‚„ , ๐‘Š ๐œš , 0 < ๐‘ ( ๐‘ข ) < ๐œš โˆ’ ๎€บ ฬ‚ ๎€ป โŠ‚ ๎‚ธ โ‰ก ๐‘Š โˆฉ ๐‘ ( ๐‘ข ) < 0 ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ฬ‚ 2 โˆ’ ๐‘Ÿ ๐›พ ๐‘ ( ๐‘ข ) < ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๎‚น . ๐œš , โˆ’ ๐›พ ๐œš < ๐‘ ( ๐‘ข ) < 0 ( 2 . 2 6 ) (iv) ๎‚ƒ ๐œš ๐‘‰ = ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ 2 โ‰ค ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๎‚„ ๐œš , ๐‘ ( ๐‘ข ) > ๐œš . (v) ๐’ฉ โˆ— = ๐‘Š โˆฉ ๐‘‰ = ๐‘Š + โˆฉ ๐‘‰ = [ ๐‘ข ๐‘’ โˆˆ ๐’ฉ , ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ๐‘’ ฬ‚ ) = ๐‘ ( ๐‘ข ๐‘’ ) = ๐œš ] . (vi) ๐‘Š = [ ๐ผ ( ๐‘ข ) < 0 ] ๐‘ โˆฉ [ ๐ฝ ( ๐‘ข ) < ๐‘‘ ] , ๐‘‰ = ( [ ๐ผ ( ๐‘ข ) > 0 ] โˆช { 0 } ) ๐‘ โˆฉ [ ๐ฝ ( ๐‘ข ) < ๐‘‘ ] .

The following result follows easily like in [23].

Lemma 2.3. One has that ๐ฝ ( ๐‘ข ) > ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) > ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ฬ‚ 2 ๐‘Ÿ ๐‘ ( ๐‘ข ) , ( 2 . 2 7 ) ๐ฝ ( ๐‘ข ) > ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) > ๐›พ 2 ๐‘Ÿ ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) 2 ๐‘Ÿ ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ) , ( 2 . 2 8 ) for any ๐‘ข โˆˆ ๐ต such that ๐ผ ( ๐‘ข ) > 0 , in particular if 0 โ‰  ๐‘ข โˆˆ ๐‘Š , and ๐‘‘ < ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ฬ‚ 2 ๐‘Ÿ ๐‘ ( ๐‘ข ) , ( 2 . 2 9 ) ๐‘‘ < ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) < ๐›พ 2 ๐‘Ÿ ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘Ž ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) 2 ๐‘Ÿ ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ) , ( 2 . 3 0 ) for any ๐‘ข โˆˆ ๐ต , such that ๐ผ ( ๐‘ข ) < 0 , in particular if ๐‘ข โˆˆ ๐‘‰ .

A set ๐’ฑ โŠ‚ ๐ป is positive invariant, with respect to problem (1.1), if the corresponding generated semigroup ๐‘† ( ๐‘ก ) on ๐ป is such that ๐‘† ( ๐‘ก ) ๐’ฑ โŠ‚ ๐’ฑ . ( 2 . 3 1 )

Lemma 2.4. Let ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) denote any solution of (1.1), given by Theorem 2.1. Then, the sets [ ] โˆฉ [ ] , [ ] โˆฉ [ ] , ๐’ฎ โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) < ๐‘‘ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘ข โˆˆ ๐‘Š ( 2 . 3 2 ) ๐’ฐ โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) < ๐‘‘ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘ข โˆˆ ๐‘‰ ( 2 . 3 3 ) are positive invariant.

Proof. First, we show that ๐’ฎ is positive invariant. In order to do that, we take ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) โˆˆ ๐’ฎ . Then, by (2.4), ๐ฝ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ค ๐ธ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ‰ค ๐ธ 0 < ๐‘‘ , for any ๐‘ก โ‰ฅ 0 . Now, if ๐’ฎ is not positive invariant, there exists some ฬ‚ ๐‘ก > 0 , such that ฬ‚ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) = 0 , with ฬ‚ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ‰  0 . Then, by (2.21), ฬ‚ ๐‘‘ โ‰ค ๐ฝ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . But this is impossible because ฬ‚ ๐ฝ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) < ๐‘‘ . The proof of the positive invariance of ๐’ฐ is quite similar. Indeed, if this is not true there exists some ฬ‚ ๐‘ก > 0 , such that ฬ‚ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) = 0 . From (ii) of Lemma 2.2โ€‰โ€‰ ฬ‚ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ‰  0 , and this implies the same contradiction as before.

Next result gives an interpretation of sets ๐’ฎ and ๐’ฐ and follows from Lemma 2.2.

Lemma 2.5. The sets ๐’ฎ and ๐’ฐ have the properties [ ] โˆฉ ๎‚ƒ ๐’ฎ โŠ‚ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) < ๐‘‘ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐œš ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ 2 โ‰ค ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๎‚„ , โˆช [ ] โˆฉ ๎‚ธ ๐œš , 0 < ๐‘ ( ๐‘ข ) < ๐œš ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) < ๐‘‘ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ฬ‚ 2 โˆ’ ๐‘Ÿ ๐›พ ๐‘ ( ๐‘ข ) < ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๎‚น [ ] โˆฉ ๎‚ƒ ( ๐œš , โˆ’ ๐›พ ๐œš < ๐‘ ( ๐‘ข ) < 0 ๐’ฐ = ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) < ๐‘‘ ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐œš ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) 2 / ๐‘Ÿ 2 โ‰ค ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ) < ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๎‚„ , ๐œš , ๐‘ ( ๐‘ข ) > ๐œš , ( 2 . 3 4 ) โ€‰ ๐’ฎ โˆฉ ๐‘ข ๐’ฐ = ๎€บ ๎€ท ๐‘’ ๎€ธ , 0 โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘ข ๐‘’ โˆˆ ๐’ฉ โˆ— ๎€ป = ๐‘ข ๎€บ ๎€ท ๐‘’ ๎€ธ , 0 โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘ข ๐‘’ ๎€ท ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ , ฬ‚ ๐‘Ž ๐‘’ ๎€ธ = ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ ๎€ป . = ๐œš ( 2 . 3 5 )

The following result is a direct consequence of (vi) in Lemma 2.2 and Lemma 2.4.

Lemma 2.6. For every solution of (1.1), only one of the following holds: (i)there exists some ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฎ , and remains there for every ๐‘ก > ๐‘ก 0 ,(ii)there exists some ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฐ , and remains there for every ๐‘ก > ๐‘ก 0 ,(iii) ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 .

Hence, we notice that the sets ๐’ฎ and ๐’ฐ play an important role in the dynamics of (1.1). Moreover, we will prove that any solution eventually contained in ๐’ฎ converges to the zero equilibrium. If enters in ๐’ฐ , either blowups in a finite time or it is global but without a uniform bound in ๐ป for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , in the case that ๐œ† > 2 , in (1.6). Also, we will prove that any solution with ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] , for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , is bounded and converges to the set of nonzero equilibria โ„ฐ .

We will need the following inequalities to show blowup and convergence to the zero equilibrium, respectively, in the dissipative case.

Lemma 2.7. Let โ„ฑ โˆˆ ๐‘Š 1 , 1 l o c ( โ„ + ) be a nonnegative function such that ฬ‡ โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐ถ โ„ฑ ๐‘Ž ( ๐‘ก ) a . e . f o r ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ( 2 . 3 6 ) with ๐‘Ž > 1 and ๐ถ > 0 .
Then, there exists some ๐‘‡ โˆ— > 0 such that l i m ๐‘ก โ†— ๐‘‡ โˆ— โ„ฑ ( ๐‘ก ) = โˆž .

Proof. Define ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ก โ„ฑ 1 โˆ’ ๐‘Ž ( ๐‘ก ) , then ฬ‡ ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ค ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) ๐ถ < 0 a . e . f o r ๐‘ก โ‰ฅ 0 . ( 2 . 3 7 ) Hence, 0 < ๐บ ( 0 ) + ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) ๐ถ ๐‘ก , which is only possible if ๐‘ก < ๐‘‡ โˆ— โ‰ก ( 1 / ๐ถ ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) ) โ„ฑ 1 โˆ’ ๐‘Ž ( 0 ) .

Lemma 2.8. Let โ„ฑ โˆˆ ๐‘Š 1 , 1 l o c ( โ„ + ) be a nonnegative function such that ฬ‡ โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ค โˆ’ ๐ถ โ„ฑ ๐‘Ž ( ๐‘ก ) a . e . f o r ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ( 2 . 3 8 ) with ๐‘Ž โ‰ฅ 1 and ๐ถ > 0 .
Then, for ๐‘ก โ‰ฅ 0 , if ๐‘Ž > 1 โ€‰ โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ค โ„ฑ 0 ๎€ฝ 1 + ๐‘ก ๐ถ ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) โ„ฑ 0 ๐‘Ž โˆ’ 1 ๎€พ โˆ’ 1 / ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) , ( 2 . 3 9 ) and, if ๐‘Ž = 1 โ€‰ โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ค โ„ฑ 0 ๐‘’ โˆ’ ๐ถ ๐‘ก . ( 2 . 4 0 )

Proof. Consider ๐‘Ž > 1 , and notice that ( โ„ฑ ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) ฬ‡ ) ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) ๐ถ . Then, we integrate and obtain the first inequality. Now, let ๐‘Ž โ†’ 1 , and the second one follows.

3. Timoshenko Equation

Due to our assumptions on ๐‘Ÿ and ๐›พ , we restrict our analysis to dimensions ๐‘› โ‰ค 5 . Indeed, since ๐›พ โ‰ฅ 1 , 2 ( ๐›พ + 1 ) < ๐‘Ÿ and ๐‘Ÿ โ‰ค 2 ( ๐‘› โˆ’ 2 ) / ( ๐‘› โˆ’ 4 ) , if ๐‘› โ‰ฅ 5 , then our analysis considers, ๐‘› = 5 whenever ๐›พ < 2 . We also notice that in any case we do not consider the interval 2 < ๐‘Ÿ โ‰ค 4 . Moreover, ๐‘Ÿ โ‰ค 6 whenever ๐‘› = 5 . We begin with a characterization of blowup when ๐›ฟ > 0 and ๐œ† โ‰ฅ 2 .

Theorem 3.1. Let ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) be a solution of problem (1.1), and suppose that ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) . A necessary and sufficient condition for nonglobality, blowup by Theorem 2.1, is that ๐œ† < ๐‘Ÿ and there exists ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฐ .

Proof. Sufficiency
By Lemma 2.4, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ ๐’ฐ for all ๐‘ก > ๐‘ก 0 .

Now, we consider the function defined, along the solution, by ๐’ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘‘ โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 1 ) and notice that because of energy equation (2.3), ๐’ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ โˆ’ ๐ธ 0 โ‰ก ๐’ฑ 0 > 0 , ( 3 . 2 ) where, now ๐ธ 0 โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) .
Notice that from (2.29) in Lemma 2.3, ๐‘Ÿ ๐’ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘‘ โˆ’ ๐ฝ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ค ๐‘‘ โˆ’ 1 ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘‘ + ๐‘Ÿ ฬ‚ 2 ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) = โˆ’ 1 ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘‘ + ๐‘Ÿ ๐‘ ๐›พ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐‘ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ( ๐›พ + 1 ) ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 3 )
We will need some estimates. First, we notice that from energy equation in terms of ๐’ฑ ( ๐‘ก ) and (3.3), | | | ๐›ฟ ๎‚€ | | | | ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 2 ๎‚ 2 | | | โ‰ค ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 โ€– โ‰ค ๐ถ ( ฮฉ ) ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 โ‰ค ๐ถ ( ฮฉ ) ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ 1 โˆ’ ๐‘˜ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘˜ ๐‘Ÿ โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 โ€– โ‰ค ๐ถ ( ฮฉ ) ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ 1 โˆ’ ๐‘˜ ๎‚ธ ๐œˆ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘˜ ๐œ† + 1 ๐ถ ( ๐œˆ ) โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๎‚น < ๐ถ ๐’ฑ ( 1 โˆ’ ๐‘˜ ) / ๐‘Ÿ ๎‚ธ ( ๐‘ก ) ๐œˆ ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘˜ ๐œ† + 1 ฬ‡ ๎‚น , ๐ถ ( ๐œˆ ) ๐’ฑ ( ๐‘ก ) ( 3 . 4 ) where ๐‘˜ โˆˆ ( 1 , ๐‘Ÿ / ๐œ† ) , ๐ถ โ‰ก ๐ถ ( ฮฉ ) ( ๐‘Ÿ / ๐œ‡ ) ( 1 โˆ’ ๐‘˜ ) / ๐‘Ÿ , ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 is the constant in the continuous embedding ๐ฟ ๐‘Ÿ ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) , ๐ถ ( ๐œˆ ) > 0 , and ๐œˆ > 0 will be chosen later.
Consider a positive number ๐‘ž to be chosen later, from (3.2)-(3.3), we obtain โˆ’ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) = โˆ’ ๐‘ž ๐ฝ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘ž โˆ’ 2 2 ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘ž โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘Ÿ โˆ’ ๐‘ž ๐‘Ÿ ๎€ท ๐’ฑ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ฅ ๐‘ž 0 ๎€ธ + โˆ’ ๐‘‘ ๐‘ž โˆ’ 2 2 ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘ž โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘Ÿ โˆ’ ๐‘ž ๐‘Ÿ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 5 )
If ๐’ฑ 0 โ‰ฅ ๐‘‘ , we choose ๐‘ž โ‰ก 2 ( ๐›พ + 1 ) , and from (3.5) we get โˆ’ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ฅ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘Ÿ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 6 )
If ๐’ฑ 0 < ๐‘‘ , then we notice that from (3.2)-(3.3), ๐’ฑ 0 ๎€ท ๐’ฑ โˆ’ ๐‘‘ โ‰ฅ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) 0 ๎€ธ โˆ’ ๐‘‘ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐’ฑ 0 ๎‚ต 1 + 2 ๐‘‘ ๐‘Ÿ ๐›พ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๎‚ถ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 7 )
Hence and from (3.5), we have the estimate โˆ’ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ฅ ๐‘ž โˆ’ 2 2 + ๐‘ž ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ๎ƒฉ 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ž โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ž + ๎€ท 2 ๐›พ ๐‘‘ โˆ’ ๐’ฑ 0 ๎€ธ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐’ฑ 0 ๎ƒช + ๐‘ž + 2 ๐‘‘ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ๐‘Ÿ ๎ƒฉ ๐‘Ÿ โˆ’ ๐‘ž ๐‘ž โˆ’ ๎€ท ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐‘‘ โˆ’ ๐’ฑ 0 ๎€ธ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐’ฑ 0 ๎ƒช ๐‘ + 2 ๐‘‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 8 )
In this case, we choose the number ๐‘ž so that the coefficient of ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) in (3.8) be equal to zero, then 2 ๎€ท ๐‘ž โ‰ก ( ๐›พ + 1 ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐’ฑ 0 ๎€ธ + 2 ๐‘‘ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ) ๐’ฑ 0 + 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘‘ . ( 3 . 9 )
We note that 2 < ๐‘ž < 2 ( ๐›พ + 1 ) , and we get โˆ’ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ฅ ๐›พ ๐‘Ÿ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ) ๐’ฑ 0 ๐’ฑ + 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘‘ 0 . ( 3 . 1 0 )
Therefore, from (3.6) and (3.10), ๎ โˆ’ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ฅ ๐ถ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) , ( 3 . 1 1 ) where ๎ ๐ถ โ‰ก ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘Ÿ ๎‚ต m i n 1 , ๐‘Ÿ ๐’ฑ 0 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ) ๐’ฑ 0 ๎‚ถ + 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘‘ > 0 . ( 3 . 1 2 )
Now, we define the function, along the solution, by โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐’ฑ 1 / ๐‘Ž ( ๐‘ก ) + ๐œ– ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 , ( 3 . 1 3 ) where ๐‘Ž โ‰ก ( 1 + ( 1 โˆ’ ๐‘˜ ) / ๐‘Ÿ ) โˆ’ 1 โˆˆ ( 1 , 2 ) and ๐œ– > 0 will be choosen later.
We intend to apply Lemma 2.7 to functional (3.13). First, we calculate the derivative, along solutions, with respect to ๐‘ก . Let us start with the second term of (3.13). From (3.2)โ€“(3.4) and (3.11), one has ๐‘‘ ๐‘‘ ๐‘ก ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 = โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎‚€ | | | | โˆ’ ๐ผ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐›ฟ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 2 ๎‚ 2 โ‰ฅ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 + ๎ ๐ถ ๐œ‡ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ โˆ’ ๐ถ ๐’ฑ ( 1 โˆ’ ๐‘˜ ) / ๐‘Ÿ ๎‚ธ ( ๐‘ก ) ๐œˆ ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘˜ ๐œ† + 1 ฬ‡ ๎‚น โ€– ๐ถ ( ๐œˆ ) ๐’ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 + ๎ƒฌ ๎ ๎‚ต ๐‘Ÿ ๐ถ ๐œ‡ โˆ’ ๐œˆ ๐ถ ๐›ฟ ๐œ‡ ๎‚ถ ( ๐‘˜ ๐œ† โˆ’ ๐‘Ÿ ) / ๐‘Ÿ ๐’ฑ ๐‘ 0 ๎ƒญ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ โˆ’ ๐ถ ๐‘Ž ฬ‡ ๐’ฑ ๐ถ ( ๐œˆ ) 1 / ๐‘Ž โ€– ( ๐‘ก ) โ‰ฅ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 + ๎ ๐ถ ๐œ‡ 2 โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ โˆ’ ๐ถ ๐‘Ž ฬ‡ ๐’ฑ ๐ถ ( ๐œˆ ) 1 / ๐‘Ž ( ๐‘ก ) , ( 3 . 1 4 ) where ๐‘ โ‰ก ( ๐‘˜ ( ๐œ† โˆ’ 1 ) โˆ’ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ) / ๐‘Ÿ < 0 , and ๐œˆ > 0 is sufficiently small.
Consequently, if ๐œ– > 0 is sufficiently small, ฬ‡ ๎‚ ๐ถ ๎€บ ( โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ โ€– ๐‘ฃ ๐‘ก ) โ€– 2 2 + โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ ๎€ป > 0 , ( 3 . 1 5 ) where ๎‚ ๎ ๐ถ โ‰ก ๐œ– m i n ( 1 , ๐ถ ๐œ‡ / 2 ) > 0 .
From (3.15) and choosing ๐œ– > 0 small enough, we get โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ โ„ฑ 0 โ‰ก ๐’ฑ 0 ๎€ท ๐‘ข ๎€ท ๐‘ก + ๐œ– 0 ๎€ธ ๎€ท ๐‘ก , ๐‘ฃ 0 ๎€ธ ๎€ธ 2 > 0 . ( 3 . 1 6 )
Utilizing two times (3.3), we get โ„ฑ ๐‘Ž ( ๐‘ก ) โ‰ค 2 ๐‘Ž โˆ’ 1 ๎€บ ๐’ฑ ( ๐‘ก ) + ๐œ– ๐‘Ž | | ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 | | ๐‘Ž ๎€ป โ‰ค 2 ๐‘Ž โˆ’ 1 ๎‚ƒ ๐œ‡ ๐‘Ÿ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ + ๐œ– ๐‘Ž ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘Ž โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ž ๐‘Ÿ โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐‘Ž 2 ๎‚„ โ‰ค 2 ๐‘Ž โˆ’ 1 ๎‚ƒ ๐œ‡ ๐‘Ÿ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ + ๐œ– ๐‘Ž ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘Ž ๎‚€ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ 2 ๐‘Ž / ( 2 โˆ’ ๐‘Ž ) + โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 ๎‚ ๎‚„ โ‰ค 2 ๐‘Ž โˆ’ 1 ๎‚ธ ๐œ‡ ๐‘Ÿ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ + ๐œ– ๐‘Ž ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘Ž ๎‚ต ๎‚ต ๐œ‡ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๎‚ถ 2 ๐‘Ÿ ๐‘‘ ๐‘ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ โ€– + โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 โ‰ค ๎‚ถ ๎‚น ๐ถ ๎€บ ( โ€– ๐‘ข ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ + โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎€ป , ( 3 . 1 7 ) where ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 is the imbedding constant of ๐ฟ ๐‘Ÿ ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , ๐‘ โ‰ก ( 1 โˆ’ 2 ๐‘Ž ) / ๐‘Ÿ ( 2 โˆ’ ๐‘Ž ) > 0 , and ๐ถ > 0 .
Hence and from (3.15), we obtain the inequality in order to apply Lemma 2.7. Therefore, the maximal time of existence is finite: ๐‘‡ < โˆž .
Necessity
Suppose that ๐œ† โ‰ฅ ๐‘Ÿ . Define the function, along the solution, by ๐’ฒ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ก ) + 2 ๐œ‡ ๐‘Ÿ โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ . ( 3 . 1 8 )

Then, ฬ‡ ฬ‡ ๎‚€ | | | | ๐’ฒ ( ๐‘ก ) = ๐ธ ( ๐‘ก ) + 2 ๐œ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๎‚ , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ‰ค โˆ’ ๐›ฟ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† ๐œ† + ๐›ฟ 2 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ ๐œ† + ๐ถ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ โ‰ค ๎ ๐ถ ( ๐’ฒ ( ๐‘ก ) + 1 ) , ( 3 . 1 9 ) where ๎ ๐ถ โ‰ก m a x ( ๐›ฟ / 2 , ๐ถ ๐‘Ÿ / ๐œ‡ ) , ๐ถ โ‰ก 2 ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) ( ๐›ฟ / 2 ) ๐‘Ÿ , and ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 is the imbedding constant of ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ ๐‘Ÿ ( ฮฉ ) .
Hence, by Gronwall inequality, it follows that ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) is bounded in ๐ป for any finite time. A contradiction.
Proceeding again by contradiction suppose that, for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆ‰ ๐’ฐ . Then, by Lemma 2.6, we have either ๐‘ข ( ๐‘ก ) โˆˆ ๐’ฎ for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , or ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 . In the first case, from (2.28) in Lemma 2.3 ๐ธ 0 โ‰ฅ 1 2 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) , ( 3 . 2 0 ) that is, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) is bounded in ๐ป . This is not possible. In the second case, ๐›ฟ ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ , ( 3 . 2 1 ) where ๐ธ 0 โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) . Hence, by the Hรถlder inequality, ๐›ฟ ๐‘ก โˆ’ ( ๐œ† โˆ’ 1 ) โ€– โ€– โ€– ๎€œ ๐‘ก 0 ๐‘ฃ โ€– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐œ† ๐œ† โ‰ค ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ , ( 3 . 2 2 ) and consequently โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† โ‰ค ๐ถ ( ๐‘‡ ) , ( 3 . 2 3 ) for ๐‘ก โˆˆ [ 0 , ๐‘‡ ] , where ๐ถ ( ๐‘‡ ) โ‰ก โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ† + ( ( ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ ) / ๐›ฟ ) 1 / ๐œ† ๐‘‡ ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† .
From Theorem 2.1, l i m ๐‘ก โ†— ๐‘‡ M A X โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ = โˆž ; ( 3 . 2 4 ) hence, by Sobolev-Poincarรฉ's inequality (2.16), for every ๐‘€ > ๐ธ 0 , there exists some ฬ‚ ๐‘ก > 0 , such that ๐‘€ < ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) , ( 3 . 2 5 ) for every ฬ‚ ๐‘ก ๐‘ก โ‰ฅ . This implies the first inequality of (2.29) in Lemma 2.3, replacing ๐‘‘ by ๐‘€ . Now, we consider the function (3.13) โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐’ฑ ( ๐‘ก ) 1 / ๐‘Ž + ๐œ– ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 , ( 3 . 2 6 ) defined for ฬ‚ ๐‘ก ๐‘ก โ‰ฅ , where ๐‘Ž โˆˆ ( 1 , 2 ) , ๐œ– > 0 is sufficiently small, and here ๐’ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘€ โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) > 0 , ( 3 . 2 7 ) and repeat the sufficiency part of the proof. Then, by Lemma 2.7, โ„ฑ ( ๐‘ก ) blowups as ๐‘ก โ†— ๐‘‡ โˆ— , ๐‘‡ โˆ— > ฬ‚ ๐‘ก . Moreover, for ฬ‚ ๐‘ก โ‰ค ๐‘ก < ๐‘‡ โˆ— , โ„ฑ ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๎€ท ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ / ๎€ท ๐‘‡ 1 โˆ’ ๐‘ก โˆ’ โˆ— โˆ’ ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ ๎€ธ 1 / ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) , ( 3 . 2 8 ) hence and from (3.26), (3.27), and since ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ , โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 โ‰ฅ โ€– โ€– ๐‘ข ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ โ€– โ€– 2 2 + 2 ๐œ– ๎ƒฏ ๎€œ ๐‘ก ฬ‚ ๐‘ก ๎ƒฉ โ„ฑ ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ ๎€ท ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ / ๎€ท ๐‘‡ 1 โˆ’ ๐œ โˆ’ โˆ— โˆ’ ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ ๎€ธ 1 / ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) โˆ’ ๐’ฑ 1 / ๐‘Ž ๎ƒช ๎ƒฐ โ‰ฅ โ€– โ€– ๐‘ข ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ 2 2 โˆ’ 2 ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ ๐‘ก โˆ’ ๐œ– ( ๐‘€ โˆ’ ๐‘‘ ) 1 / ๐‘Ž + 2 ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) โ„ฑ ๎€ท ฬ‚ ๐‘ก ๐‘‡ ๐œ– ( 2 โˆ’ ๐‘Ž ) ๎€ธ ๎€ท โˆ— โˆ’ ฬ‚ ๐‘ก ๎€ธ ๎ƒฏ ๎‚ต ฬ‚ ๐‘ก 1 โˆ’ ๐‘ก โˆ’ ๐‘‡ โˆ— โˆ’ ฬ‚ ๐‘ก ๎‚ถ โˆ’ ( ( 2 โˆ’ ๐‘Ž ) / ( ๐‘Ž โˆ’ 1 ) ) ๎ƒฐ . โˆ’ 1 ( 3 . 2 9 )
Consequently, l i m ๐‘ก โ†— ๐‘‡ โˆ— โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) 2 2 = โˆž . ( 3 . 3 0 ) But this contradicts (3.23), since ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) . The proof is complete.

Remark 3.2. From the last result, if ๐œ† = 2 and ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) , any solution of problem (1.1), ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) , is global if and only if either (i) there exists ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฎ or (ii) ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] , for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 . On the other hand, if ๐œ† > 2 and ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) , then any solution is global if and only if one of the following holds: (i), (ii), or (iii) ๐œ† โ‰ฅ ๐‘Ÿ and there exists ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฐ .

We next prove a characterization of convergence to the zero equilibrium, and we give rates of decay.

Theorem 3.3. Let ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) be a solution of problem (1.1) with ๐œ† โ‰ฅ 2 . Suppose that ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) and that ๐œ† โ‰ค 1 0 , if ๐‘› = 5 . A necessary and sufficient condition for ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ†’ ( 0 , 0 ) , strongly in ๐ป as ๐‘ก โ†’ โˆž , is that there exists ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฎ .
In this case, if โ„ฑ ( ๐‘ก ) denotes either the energy ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) , ( 3 . 3 1 ) or the norm of the solution in ๐ป โ€‰ ๐œ” โ€– โ€– ( ๐‘ก ) โ‰ก ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 ๐ป โ€– โ‰ก ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 , ( 3 . 3 2 ) One has the rates of decay, for ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘‡ , โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐พ 0 ๎‚† ๎‚€ 1 + ๐‘ก ๐œ† โˆ’ 2 2 ๎‚ ๐พ 1 ๐พ 0 ( ๐œ† โˆ’ 2 ) / 2 ๎‚‡ โˆ’ 2 / ( ๐œ† โˆ’ 2 ) , ( 3 . 3 3 ) and, for linear dissipation, ๐œ† = 2 , โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐พ 0 ๐‘’ โˆ’ ๐พ 1 ๐‘ก , ( 3 . 3 4 ) where ๐‘‡ > 0 is sufficiently large, and ๐พ 0 > 0 , ๐พ 1 > 0 are constants depending only on initial conditions.

Proof. Necessity
By (ii) in Lemma 2.2, ( 0 , 0 ) โˆ‰ ๐’ฐ , and since the equilibrium ( 0 , 0 ) โˆ‰ [ ๐ธ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] , strong closures in ๐ป , then, by Lemma 2.6, the solution must eventually enter in ๐’ฎ .
Sufficiency
By energy equation and (2.27) in Lemma 2.3, the solution must be global and uniformly bounded in the norm of ๐ป , that is ๐œ” ( ๐‘ก ) < 2 ๐‘Ÿ ๐‘‘ / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) , for any ๐‘ก โ‰ฅ 0 . Hence, there exists a sequence of times, { ๐‘ก ๐‘› } , such that if ๐‘› โ†’ โˆž then ๐‘ก ๐‘› โ†’ โˆž , ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ๐‘› ฬ‚ ) ) โ†’ ( ฬ‚ ๐‘ข , ๐‘ฃ ) weakly in ๐ป and, since the embedding ๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐‘Ÿ ( ฮฉ ) is compact, ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) ) โ†’ ๐‘ ( ฬ‚ ๐‘ข ) . Also, notice that the energy is such that 0 โ‰ค ๐ธ โˆž โ‰ก l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ๐ธ ( ๐‘ก ) = i n f ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๐ธ ( ๐‘ก ) < โˆž . ( 3 . 3 5 )
Consequently, from the energy equation and the continuous embedding ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐œ† 2 ๐‘‘ ๐œ = 0 , ( 3 . 3 6 ) in particular, for any sequence of times { ๐‘  ๐‘› } such that ๐‘  ๐‘› โ†’ โˆž as ๐‘› โ†’ โˆž , l i m ๐‘› โ†’ โˆž ๎€œ 1 0 โ„Ž ๐‘› ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ = 0 , ( 3 . 3 7 ) where โ„Ž ๐‘› ( ๐œ ) โ‰ก โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘  ๐‘› + ๐œ ) โ€– ๐œ† 2 , for ๐œ โˆˆ [ 0 , 1 ] . By Fatou Lemma, l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๎€ท ๐‘  ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– + ๐œ ๐œ† 2 = l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž โ„Ž ๐‘› ( ๐œ ) = 0 , ( 3 . 3 8 ) for a.e. ๐œ โˆˆ [ 0 , 1 ] , and by the weak convergence to ฬ‚ ๐‘ฃ , โ€– ฬ‚ ๐‘ฃ โ€– 2 โ‰ค l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๎€ท ๐‘ก ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– 2 = 0 , ( 3 . 3 9 ) where we choose { ๐‘  ๐‘› } such that ๐‘ก ๐‘› = ๐‘  ๐‘› + ๐œ 0 , for some ๐œ 0 โˆˆ [ 0 , 1 ] .

It can be shown that the semigroup generated by problem (1.1) is continuous in ๐ป with the weak topology, and then that the weak limit set is positive invariant, see Ball [26]. Consequently ฬ‚ ( ฬ‚ ๐‘ข , ๐‘ฃ ) = ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) must be an equilibrium of (1.1). Furthermore, by the lower-semicontinuity of the norm in ๐ป , one has ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ ๎€ท ๐‘ข = ฬ‚ ๐‘Ž ๐‘’ ๎€ธ โ‰ค l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž ๎‚† โ€– โ€– ๐‘ฃ ๎€ท ๐‘ก ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– 2 2 ๎€ท ๐‘ข ๎€ท ๐‘ก + ฬ‚ ๐‘Ž ๐‘› ๎‚‡ ๎€ธ ๎€ธ = l i m ๐‘› โ†’ โˆž ๎‚† ๎€ท ๐‘ก 2 ๐ธ ๐‘› ๎€ธ + 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๎€ท ๐‘ก ๐‘› ๎‚‡ ๎€ธ ๎€ธ = 2 ๐ธ โˆž + 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ . ( 3 . 4 0 )
Hence, ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข 2 ๐‘Ÿ ๐‘’ ๎€ธ โ‰ค ๐ธ โˆž < ๐‘‘ . ( 3 . 4 1 ) Then, by (2.19) and (2.21), ๐‘ข ๐‘’ = 0 , and l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ( 0 , 0 ) w e a k l y i n ๐ป . ( 3 . 4 2 )
Strong convergence follows if we get the rates of decay in our statement. Here, we will adapt the technique used in Haraux and Zuazua [3], to (1.1). That technique is based on the construction of suitable Liapunov functions defined along solutions and the application of Lemma 2.8. One of them is the energy, and we will need one more, defined by ๐‘Š ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐ธ ( ๐‘ก ) + ๐œ… ๐ธ ( ๐‘ก ) ๐œ† / 2 โˆ’ 1 ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 , ( 3 . 4 3 ) where ๐œ… > 0 is a constant to be chosen later. We next prove that ๐‘Š ( ๐‘ก ) is equivalent to both, the energy ๐ธ ( ๐‘ก ) and the norm ๐œ” ( ๐‘ก ) of the solution, in the sense of (2.30) and (2.28) below. First we note that from (2.27) in Lemma 2.3, ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐พ 2 ๐‘Ÿ ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ค 2 ๐œ” ( ๐‘ก ) , ( 3 . 4 4 ) where ๐พ โˆ’ 1 โ‰ก ( ๐›ฝ / ๐›ผ ( ๐›พ + 1 ) ) ( 2 ๐‘Ÿ ๐‘‘ / ๐›ผ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ) ๐›พ .
Also, notice that from (3.43), | | | | ๐‘Š ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ… ๐ธ 0 ๐œ† / 2 โˆ’ 1 โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 โ‰ค ๐œ… ๐ธ 0 ๐œ† / 2 โˆ’ 1 ๐ถ 1 ( ฮฉ ) ๐œ” ( ๐‘ก ) , ( 3 . 4 5 ) where ๐ถ 1 ( ฮฉ ) > 0 is a constant that depends on the continuous embedding ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) . Hence and from (3.44), if ๐œ… is sufficiently small, then 1 2 3 ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘Š ( ๐‘ก ) โ‰ค 2 ๐ธ ( ๐‘ก ) . ( 3 . 4 6 )
We will need the following estimate: ๐›ฟ ๎‚€ | | | | ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 1 ๎‚ 2 โ‰ค ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 โ‰ค ๐›ฟ ๐ถ 2 ( ฮฉ ) ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ( ๐œ† โˆ’ 2 ) / 2 ๐œ† ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) 1 / ๐œ† โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 โ‰ค ๐›ฟ ๐ถ 2 ( ๎‚€ ฮฉ ) 2 ๐‘Ÿ ๐ธ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 0 ๎‚ ( ๐œ† โˆ’ 2 ) / 2 ๐œ† ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) 1 / ๐œ† ๎€ท โˆ’ ฬ‡ ๎€ธ ๐ธ ( ๐‘ก ) ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† โ‰ค 1 ๐œ† ๎ ๐ถ ฬ‡ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 4 7 ) where we applied (3.44) in the third step and Young inequality in last step, and the constants ๐ถ 2 ( ฮฉ ) > 0 , ๎ ๐ถ > 0 depend on the continuous embedding ๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) , and ๎ ๐ถ also depends on ๐ธ 0 .
It follows that, by (3.42) and since ๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐‘Ÿ ( ฮฉ ) is compact, for any ๐œ– > 0 , there exists some ๐‘‡ > 0 such that for any ๐‘ก > ๐‘‡ โ€‰ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ค ๐ถ 3 ( ฮฉ ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / ๐‘Ÿ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โ‰ค ๐œ– ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 4 8 ) where ๐ถ 3 ( ฮฉ ) > 0 is the corresponding embedding constant and we used (3.44) in the last step.
Since we will apply Lemma 2.8, we need to calculate the time derivative of (3.43) and we begin with ๐‘‘ ๐‘‘ ๐‘ก ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 = โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎‚€ | | | | โˆ’ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐›ฟ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 1 ๎‚ 2 โ‰ค โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 โˆ’ 1 2 ๎ ๐ถ ฬ‡ โ‰ค 3 ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) + ๐œ– ๐ธ ( ๐‘ก ) 2 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎ ๐ถ ฬ‡ โˆ’ ( 1 โˆ’ ๐œ– ) ๐ธ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 4 9 ) which holds for any ๐‘ก > ๐‘‡ , and where we used (3.47), (3.48) and definition of ๐ธ ( ๐‘ก ) .
We notice that for any small ๐œ‚ > 0 , and by Young inequality and energy equation ๐ธ ๐œ† / 2 โˆ’ 1 3 ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 โ‰ค ๐ธ ๐œ† / 2 โˆ’ 1 ( ๐‘ก ) ๐ถ 4 โ€– ( ฮฉ ) โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 ๐œ† โ‰ค ๐œ‚ ๐ธ ๐œ† / 2 ฬ‡ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐ถ ( ๐œ‚ ) ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 5 0 ) where ๐ถ 4 ( ฮฉ ) > 0 , ๐ถ ( ๐œ‚ ) > 0 depend on the continuous embedding ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , and ๐ถ ( ๐œ‚ ) depends on ๐œ‚ .
Then, for ๐œ– and ๐œ‚ sufficiently small, (3.49) and (3.50), imply ๐ธ ๐œ† / 2 โˆ’ 1 ๐‘‘ ( ๐‘ก ) ๐‘‘ ๐‘ก ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) 2 1 โ‰ค โˆ’ 2 ๐ธ ๐œ† / 2 ๎‚ ๐ถ ฬ‡ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 5 1 ) for any ๐‘ก > ๐‘‡ , where ๎‚ ๎ ๐ถ โ‰ก ๐ถ ( ๐œ‚ ) + ๐ถ ๐ธ 0 ๐œ† / 2 โˆ’ 1 .
Consequently, for ๐œ… sufficiently small and any ๐‘ก > ๐‘‡ โ€‰ ฬ‡ ฬ‡ ๐‘Š ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐ธ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐œ… ๐œ† โˆ’ 2 ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๐‘Ÿ ๐ถ 1 ( ฮฉ ) ๐ธ 0 ๐œ† / 2 โˆ’ 1 ฬ‡ ๎‚€ 1 ๐ธ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐œ… 2 ๐ธ ๐œ† / 2 ๎‚ ๐ถ ฬ‡ ๎‚ ๐œ… ( ๐‘ก ) + ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ค โˆ’ 2 ๐ธ ๐œ† / 2 ( ๐‘ก ) โ‰ค โˆ’ ๐œ… 0 ๐‘Š ๐œ† / 2 ( ๐‘ก ) , ( 3 . 5 2 ) where ๐œ… 0 โ‰ก ( ๐œ… / 2 ) ( 2 / 3 ) ๐œ† / 2 and ๐ถ 1 ( ฮฉ ) > 0 is the constant in (3.45); also we used (3.44), the fact that the energy is decreasing and (3.46). Then, from (3.52) and Lemma 2.8, we obtain the desired rates of decay for ๐‘Š ( ๐‘ก ) . The result now follows by (3.46) and (3.44), and the proof is complete.

Remark 3.4. By (2.35), the ground state is: [ ( ๐‘ข , 0 ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ โˆ— ] = ๐’ฎ โˆฉ ๐’ฐ . Then, in any ๐ป -neighborhood of that subset of nonzero equilibria, one can choose initial conditions either in ๐’ฐ or in ๐’ฎ . Hence, by Theorem 3.1 and (3.3), the ground state is unstable in the sense of Liapunov when the dissipation term ๐‘” ( ๐‘ข ๐‘ก ) is either linear or nonlinear.

Next we will study the behavior of solutions such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 . First, we prove that those solutions are uniformly bounded in time. To that end we will study the cases: ๐œ† = 2 and ๐œ† > 2 separately, First, we consider the case ๐œ† = 2 .

Theorem 3.5. Let ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) be a solution of problem (1.1). Assume that ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) , and ๐œ† = 2 . Also, assume that ๐‘Ÿ โ‰ค 2 ( 6 / ๐‘› + 1 ) if ๐‘› โ‰ฅ 2 . If ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , then the solution is global and uniformly bounded in ๐ป , for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 .

Proof. Suppose that ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) is not global, then by Theorem 2.1 blowups and by Theorem 3.1, ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฐ for some ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 . Hence, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) < ๐‘‘ ] for all ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ก 0 . A contradiction.
Next, we will prove that โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 is uniformly bounded for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 .
Let โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ( 1 / 2 ) โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 โˆ’ ๐ถ , where ๐ถ > 0 is the constant given below. Then, we obtain ฬˆ โ„ฑ ฬ‡ โ„ฑ โ€– ( ๐‘ก ) + ๐›ฟ ( ๐‘ก ) = โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 ฬ‚ ๐‘ = โˆ’ ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ๐‘Ÿ + 2 2 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐ถ ( ฮฉ ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) โ„ฑ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 5 3 ) where ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 is the imbedding constant of ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , and ๐ถ โ‰ก ๐‘Ÿ ๐ธ 0 / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐ถ ( ฮฉ ) .
We define ๐’ฒ ( ๐‘ก ) โ‰ก โ„ฑ + ( ๐‘ก ) โ‰ก s u p { โ„ฑ ( ๐‘ก ) , 0 } , the positive part of โ„ฑ ( ๐‘ก ) . We claim that, along solutions of (1.1), the time derivative satisfies ฬ‡ ๐’ฒ ( ๐‘ก ) โ‰ค 0 . Indeed, if this is no the case, there exists some ๐‘ก 0 > 0 such that โ„ฑ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ ฬ‡ โ„ฑ ๎€ท ๐‘ก > 0 , 0 ๎€ธ > 0 . ( 3 . 5 4 )
By a standard comparison result for ordinary differential equations, (3.53) and (3.54) imply that โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ†’ โˆž as ๐‘ก โ†’ โˆž . Consequently, for any constant ๐ถ > ๐ธ 0 , there exists some ๐‘ก 0 > 0 , such that for ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ก 0 โ€‰ ๐ถ < ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 5 5 )
This is (2.29) in Lemma 2.3, replacing ๐‘‘ by ๐ถ . If we now define, for ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ก 0 , the function ๐’ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐ถ โˆ’ ๐ธ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 5 6 ) we can repeat the sufficiency part of the proof of Theorem 3.1 and show that the solution blowups in a finite time, consequently is nonglobal. A contradiction. Then, โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 โ‰ค ๐ถ < โˆž , for all ๐‘ก โˆˆ โ„ + , and some constant ๐ถ > 0 .
Next, we will prove that uniform boundedness of โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 implies uniform boundedness of ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) in ๐ป , for all ๐‘ก โˆˆ โ„ + . To that end, we consider the functions โ„‹ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐’ข ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘˜ ๐ธ 0 โ‰ก ฬ‡ โ„ฑ ( ๐‘ก ) + ๐›ฟ โ„ฑ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘˜ ๐ธ 0 , where now โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก ( 1 / 2 ) โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 and ๐‘˜ > 0 is defined below. From the second line in (3.53), ฬ‡ โ„‹ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐พ โ„‹ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 5 7 ) where ๐พ โ‰ก m i n { ๐‘Ÿ + 2 , ๐›ผ ๐ถ ( ฮฉ ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / ( 1 + ๐›ฟ ) } > 0 and ๐‘˜ โ‰ก ๐‘Ÿ / ๐พ .
Hence, for 0 โ‰ค ๐‘  โ‰ค ๐œ ,โ€‰ โ„‹ ( ๐œ ) โ‰ฅ โ„‹ ( ๐‘  ) ๐‘’ ( ๐พ ( ๐œ โˆ’ ๐‘  ) ) , ( 3 . 5 8 ) and consequently, from definition of โ„‹ ( ๐‘ก ) , for 0 โ‰ค ๐‘  โ‰ค ๐œ โ‰ค ๐‘ก ,โ€‰ โ„ฑ ( ๐‘ก ) = โ„ฑ ( ๐‘  ) ๐‘’ โˆ’ ๐›ฟ ( ๐‘ก โˆ’ ๐‘  ) + ๎€œ ๐‘ก ๐‘  ๎€ท โ„‹ ( ๐œ ) + ๐‘˜ ๐ธ 0 ๎€ธ ๐‘’ ๐›ฟ ( ๐œ โˆ’ ๐‘ก ) ๐‘‘ ๐œ โ‰ฅ โ„ฑ ( ๐‘  ) ๐‘’ โˆ’ ๐›ฟ ( ๐‘ก โˆ’ ๐‘  ) + ๎€œ ๐‘ก ๐‘  ๎€ท โ„‹ ( ๐‘  ) ๐‘’ ๐พ ( ๐œ โˆ’ ๐‘  ) + ๐‘˜ ๐ธ 0 ๎€ธ ๐‘’ ๐›ฟ ( ๐œ โˆ’ ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ ๐œ โ„‹ ( ๐‘  ) ๎€ท ๐‘’ ๐›ฟ + ๐พ ๐พ ( ๐‘ก โˆ’ ๐‘  ) โˆ’ ๐‘’ ๐›ฟ ( ๐‘  โˆ’ ๐‘ก ) ๎€ธ + ๐‘˜ ๐ธ 0 ๐›ฟ ๎€ท 1 โˆ’ ๐‘’ ๐›ฟ ( ๐‘  โˆ’ ๐‘ก ) ๎€ธ . ( 3 . 5 9 )
Notice that if โ„‹ ( ๐‘  ) > 0 , for some ๐‘  โ‰ฅ 0 , we obtain from (3.59) that l i m ๐‘ก โ†’ โˆž โ„ฑ ( ๐‘ก ) = โˆž . A contradiction. Then, for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘˜ ๐ธ 0 . ( 3 . 6 0 )
Now, we define ฬƒ โ„’ ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐’ข ( ๐‘ก ) + ๐‘˜ ๐ธ 0 , and like in (3.57) ฬ‡ โ„’ ๎‚ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ โˆ’ ๐พ โ„’ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 6 1 ) where ๎‚ ๐พ โ‰ก m i n { ๐‘Ÿ + 2 , ๐ถ ( ฮฉ ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) } > 0 and ฬƒ ๎‚ ๐พ ๐‘˜ โ‰ก ๐‘Ÿ / . Hence, โ„’ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ โ„’ ( 0 ) ๐‘’ โˆ’ ๎‚ ๐พ ๐‘ก โ‰ฅ m i n { โ„’ ( 0 ) , 0 } , ( 3 . 6 2 ) and consequently, ๐’ข ๎€ฝ ๐’ข ฬƒ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ m i n ( 0 ) , โˆ’ ๐‘˜ ๐ธ 0 ๎€พ . ( 3 . 6 3 ) Hence and from (3.60), ๐’ข ( ๐‘ก ) is uniformly bounded in time.
We integrate the second line of (3.53) in terms of ๐’ข ( ๐‘ก ) and, by the energy equation, we obtain ๐’ข ( ๐‘ก + 1 ) โˆ’ ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) 2 ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎‚ต โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) 2 2 1 + ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐œ ) ) + ๎‚ถ ๐›พ + 1 ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐œ ) ) ๐‘‘ ๐œ โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ 0 . ( 3 . 6 4 )
Hence and since ๐’ข ( ๐‘ก ) is uniformly bounded in time, ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐ถ , ( 3 . 6 5 ) where ๐ถ > 0 is a constant, and 1 ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ก 2 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 + 1 2 1 ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + 2 1 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) = ๐ธ ( ๐‘ก ) + ๐‘Ÿ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) . ( 3 . 6 6 )
Next, we will show that there exists a constant ๐œ… > 0 , such that ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ… ( ๐œ” ( ๐‘  ) + 1 ) , ( 3 . 6 7 ) for any 0 โ‰ค ๐‘  โ‰ค ๐‘ก โ‰ค ๐‘  + 1 .
To this end, we calculate ฬ‡ ๐œ” ( ๐‘ก ) = ( ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) , ๐‘“ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ) 2 โ€– โˆ’ ๐›ฟ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 2 โ€– โ‰ค ๐œ‡ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ โˆ’ 1 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) . ( 3 . 6 8 ) If ๐‘› = 1 , we integrate and obtain, for 0 โ‰ค ๐‘  โ‰ค ๐‘ก โ‰ค ๐‘  + 1 , that ๎€œ ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐œ‡ ๐‘ก ๐‘  ( โ€– ๐‘ฃ ๐œ ) โ€– 2 ( โ€– ๐‘ข ๐œ ) โ€– ๐‘Ÿ โˆ’ 1 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐œ‡ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + 2 ๎€œ ๐‘ก ๐‘  ๎‚€ ( โ€– ๐‘ฃ ๐œ ) โ€– 2 2 + โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๎‚ ๐œ‡ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + 2 ๎€œ ๐‘  ๐‘  + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๎€œ ๐‘‘ ๐œ + ๐œ‡ ๐‘ก ๐‘  ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 6 9 )
By Gronwall inequality and (3.65), ๎‚€ ๐œ‡ ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + 2 โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ร— ( ๐‘  , ๐‘  + 1 ) ) ๎‚ ๐‘’ ๐œ‡ โ‰ค ๎‚ ๐ถ ๎ƒฏ ๎‚ธ ๎€œ ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐‘  ๐‘  + 1 ๎€ท โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 2 + ๐›ผ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 2 + โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– 2 2 ๎€ธ ๎‚น ๐‘‘ ๐œ ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ๎ƒฐ โ‰ค ๎ ๐ถ ๎ƒฏ ๎‚ธ ๎€œ ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐‘  ๐‘  + 1 ๎‚น ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ๎ƒฐ โ‰ค ๎ ๐ถ ๎€ฝ ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐ถ ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ๎€พ , ( 3 . 7 0 ) where ๎‚ ๐ถ > 0 , ๎ ๐ถ > 0 depend on the continuous embeddings ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , and ๐ป 1 ( ฮฉ ร— ( ๐‘  , ๐‘  + 1 ) ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ร— ( ๐‘  , ๐‘  + 1 ) ) .
If 2 โ‰ค ๐‘› โ‰ค 5 , we use Galiardo-Niremberg's inequality, โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Ÿ โˆ’ 1 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) โ‰ค ๐ถ ( ฮฉ ) โ€– ๐‘ข โ€– ๐ต ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โ€– ๐‘ข โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) , ( 3 . 7 1 ) where ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 , and ๐‘Ž = ๐‘› ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / 4 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) . Notice that ๐‘Ž < 1 if 2 โ‰ค ๐‘› โ‰ค 4 , and ๐‘Ž โ‰ค 1 if ๐‘› = 5 , because ๐‘Ÿ โ‰ค 2 ( ๐‘› โˆ’ 2 ) / ( ๐‘› โˆ’ 4 ) = 6 . Then, from ฬ‡ ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ‡ โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐‘Ÿ โˆ’ 1 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) , ( 3 . 7 2 ) we integrate and apply Gronwall inequality, for 0 โ‰ค ๐‘  โ‰ค ๐‘ก โ‰ค ๐‘  + 1 , ๎€œ ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐œ‡ ๐‘ก ๐‘  โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– 2 โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐‘Ÿ โˆ’ 1 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘ก ๐‘  โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– 2 ( โ€– ๐‘ข ๐œ ) โ€– ๐ต ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) + ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘ก ๐‘  ๐œ” ( ๐œ ) โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐ต ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) ๎‚ป ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) e x p ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘ก ๐‘  โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐ต ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) ๎‚ผ ๎‚ป ๎ ๐ถ ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) e x p ๐‘ก ๐‘  โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐ต ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 ๎‚ผ , ๐‘‘ ๐œ ( 3 . 7 3 ) where ๎ ๐ถ โ‰ก ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) .
Notice that ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 โ‰ค 2 because by hypothesis ๐‘Ÿ โ‰ค 2 ( 6 / ๐‘› + 1 ) , then we use the Hรถlder inequality, and from (3.65) we get ๎ƒฏ ๎ ๐ถ ๎‚ต ๎€œ ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) e x p ๐‘ก ๐‘  โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 ๐ต ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ { ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 } / 2 ๎ƒฐ ๎ƒฏ ๎‚ ๐ถ ๎‚ต ๎€œ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) e x p ๐‘  ๐‘  + 1 ๎‚ถ ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ { ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 } / 2 ๎ƒฐ ๎‚† ๎‚ โ‰ค ๐œ” ( ๐‘  ) e x p ๐ถ ๐ถ { ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘Ž โˆ’ 1 } / 2 ๎‚‡ . ( 3 . 7 4 )
Then (3.67) holds for any ๐‘› โ‰ฅ 1 , under our assumptions on ๐‘Ÿ .
Consequently, (3.65) and (3.67) imply that โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 + โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 ๐ต โ‰ค ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก โˆ’ 1 ๎€œ 2 ๐œ” ( ๐‘ก ) ๐‘‘ ๐‘  โ‰ค 2 ๐œ… ๐‘ก ๐‘ก โˆ’ 1 ( ๐œ” ( ๐‘  ) + 1 ) ๐‘‘ ๐‘  โ‰ค 2 ๐œ… ( ๐ถ + 1 ) , ( 3 . 7 5 ) and the proof is complete.

Next, we consider the case ๐œ† > 2 . Due to our assumptions on ๐‘Ÿ , we restrict our analysis to ๐‘› ๐›พ < 4 . Since ๐›พ โ‰ฅ 1 , our analysis considers, at most, dimensions ๐‘› โ‰ค 3 , whenever ๐›พ < 4 / 3 .

Theorem 3.6. Let ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) be a solution of problem (1.1). Assume that ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) , and ๐œ† > 2 with ๐œ† โ‰ค 2 ( ๐‘› + 1 ) / ( ๐‘› โˆ’ 1 ) if ๐‘› โ‰ฅ 2 . Also assume that ๐‘Ÿ < 2 ( 4 / ๐‘› + 1 ) for ๐‘› โ‰ฅ 1 . If ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , then the solution is global and uniformly bounded in ๐ป , for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 .

Proof. Globality follows like in last Theorem. Suppose that โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 โ‰ค ๐พ , ( 3 . 7 6 ) for some constant ๐พ > 0 , and every ๐‘ก โ‰ฅ 0 .
We recall Galiardo-Nirenberg's inequality โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Ÿ ๐‘Ÿ โ‰ค ๐ถ ( ฮฉ ) ๐‘Ž ( ๐‘ข ) ๐‘Ž ๐‘Ÿ / 2 โ€– ๐‘ข โ€– 2 ๐‘Ÿ ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) , ( 3 . 7 7 ) where ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 is a constant, ๐‘Ž = ( ๐‘› / 2 ) ( ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / 2 ๐‘Ÿ ) , and ๐‘Ž โˆˆ ( 0 , 1 ] .
Hence and from (3.76) in the energy equation, we obtain, for any time ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ๐ธ 0 โ‰ฅ 1 2 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 + 1 2 ๎ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐ถ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ๐‘Ž ๐‘Ÿ / 2 , ( 3 . 7 8 ) where ๎ ๐ถ โ‰ก ๐พ ๐‘Ÿ ( 1 โˆ’ ๐‘Ž ) / 2 ๐ถ ( ฮฉ ) ๐œ‡ / ๐‘Ÿ , and therefore ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) , ๐‘ก โ‰ฅ 0 , is uniformly bounded in ๐ป , since ๐‘Ž ๐‘Ÿ < 2 if and only if ๐‘Ÿ < 2 ( 4 / ๐‘› + 1 ) . This implies, since ๐‘Ÿ > 2 ( ๐›พ + 1 ) , that ๐‘› ๐›พ < 4 .
Now, we prove (3.76). First, we notice that from energy equation, ๐›ฟ ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ . ( 3 . 7 9 )
Hence, by Hรถlder inequality, ๐›ฟ ๐‘ก โˆ’ ( ๐œ† โˆ’ 1 ) โ€– โ€– โ€– ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐œ† ๐œ† โ‰ค ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ , ( 3 . 8 0 ) and then โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† โ‰ค ๐ถ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 8 1 ) for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , where ๐ถ ( ๐‘ก ) โ‰ก โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ† + ( ( ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ ) / ๐›ฟ ) 1 / ๐œ† ๐‘ก ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† .
Next, we define 2 ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ก โ€– ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ€– 2 ๐ป , ( 3 . 8 2 ) and obtain the following estimate for ๐‘ก โˆˆ ( 0 , ๐‘‡ ) , and ๐‘‡ > 0 finite and arbitrary: ๎€œ ๐‘ก 0 ๐›ฟ ๎‚€ | | | | ๐‘ข ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐œ† โˆ’ 2 ๎‚ ๐‘ฃ ( ๐œ ) 2 ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐‘ก 0 ๐›ฟ โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 โ‰ค ๎‚ต ๎€œ ๐‘‘ ๐œ ๐‘ก 0 โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† ๐›ฟ ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก 0 โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† โ‰ค ๐ถ 0 โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ร— ( 0 , ๐‘‡ ) ) โ‰ค ๎ ๐ถ ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก 0 ๎€ท โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 2 + ๐›ผ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– 2 2 + โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– 2 2 ๎€ธ ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 โ‰ค ๎‚ ๐ถ ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก 0 ๎‚ถ ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 . ( 3 . 8 3 )
Here, we used the Hรถlder inequality, the energy equation and the fact that ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ , also ๐ถ 0 โ‰ก ( ๐ธ 0 โˆ’ ๐‘‘ ) ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† ๐›ฟ 1 / ๐œ† > 0 , and ๎ ๐ถ > 0 , ๎‚ ๐ถ > 0 depend on the continuous embedding ๐ป 1 ( ฮฉ ร— ( 0 , ๐‘‡ ) ) โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ร— ( 0 , ๐‘‡ ) ) , valid for ๐œ† > 2 and ๐œ† โ‰ค 2 ( ๐‘› + 1 ) / ( ๐‘› โˆ’ 1 ) if ๐‘› โ‰ฅ 2 . ๎‚ ๐ถ also depends on the embedding ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) .
Now, we define the function 1 โ„ฑ ( ๐‘ก ) โ‰ก 2 โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) 2 2 โˆ’ ๐œ… , ( 3 . 8 4 ) where ๐œ… > 0 is the constant given below. Then, the second derivative is ฬˆ โ„ฑ ( ๐‘ก ) = โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎‚€ | | | | โˆ’ ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐›ฟ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 2 ๎‚ ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 = + ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ๐‘Ÿ + 2 2 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 2 ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) + ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ( ๐›พ + 1 ) ๎‚€ | | | | 2 ( ๐›พ + 1 ) ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) โˆ’ ๐›ฟ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 2 ๎‚ ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 ๎‚€ | | | | โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐œ” ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐›ฟ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ๐œ† โˆ’ 2 ๎‚ ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) 2 โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ 0 . ( 3 . 8 5 )
If we integrate (3.85), and we use (3.83) and that ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ , we obtain ฬ‡ โ„ฑ ฬ‡ โ„ฑ ๎€œ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ( 0 ) + ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐‘ก 0 ๐œ” ๎‚ ๐ถ ๎‚ต ๎€œ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ โˆ’ ๐‘ก 0 ๎‚ถ ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ 0 ๐‘ก โ‰ฅ ฬ‡ ๎€œ โ„ฑ ( 0 ) + ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐‘ก 0 ๎ƒฏ ๎‚ ๐ถ ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ 1 โˆ’ โˆš ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐‘‡ ๐‘š ๐‘‘ ๎ƒฐ โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ 0 ๐‘ก = ฬ‡ โ„ฑ ( 0 ) + ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) 2 ๎€œ ๐‘ก 0 ๐œ” ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ โˆ’ ๐‘Ÿ ๐ธ 0 ๐‘ก โ‰ฅ ฬ‡ โ„ฑ ( 0 ) + ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐ถ ( ฮฉ ) 2 ๎€œ ๐‘ก 0 โ„ฑ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ , ( 3 . 8 6 ) for ๐‘ก โˆˆ ( ๐‘‡ ๐‘š , ๐‘‡ ) , where โˆš ๐‘‡ ๐‘š ๎‚ ๐‘‘ โ‰ก 2 ๐ถ / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) > 0 , ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 is the embedding constant of ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , and ๐œ… โ‰ก 2 ๐‘Ÿ ๐ธ 0 / ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 .
Now, we define for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ๎€œ ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘ก 0 ฬ‡ โ„ฑ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ + โ„ฑ ( 0 ) ๐ถ , ( 3 . 8 7 ) where ๐ถ โ‰ก ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) ๐ถ ( ฮฉ ) / 2 . Hence, (3.86) has the form ฬˆ ๐’ข ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐ถ ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ฅ 0 , ( 3 . 8 8 ) for every ๐‘ก โˆˆ ( ๐‘‡ ๐‘š , ๐‘‡ ) .
We define โ„‹ ( ๐‘ก ) โ‰ก โ„ฑ + ( ๐‘ก ) โ‰ก s u p { โ„ฑ ( ๐‘ก ) , 0 } , the positive part of โ„ฑ ( ๐‘ก ) . We claim that, for every ๐‘ก > ๐‘‡ ๐‘š , the time derivative satisfies ฬ‡ โ„‹ ( ๐‘ก ) โ‰ค 0 . Otherwise, there exists some ๐‘ก 0 โˆˆ ( ๐‘‡ ๐‘š , ๐‘‡ ) such that โ„ฑ ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ ฬ‡ โ„ฑ ๎€ท ๐‘ก > 0 , 0 ๎€ธ > 0 , ( 3 . 8 9 ) that is, ฬ‡ ๐’ข ๎€ท ๐‘ก 0 ๎€ธ ฬˆ ๐’ข ๎€ท ๐‘ก > 0 , 0 ๎€ธ > 0 . ( 3 . 9 0 )
By a standard comparison result for ordinary differential equations, (3.88) and (3.90) imply that ฬ‡ โ„ฑ ( ๐‘ก ) = ๐’ข ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘€ 0 ๐‘’ โˆš ๐ถ ๐‘ก , ( 3 . 9 1 ) for ๐‘ก โˆˆ ( ๐‘ก 1 , ๐‘‡ ) and some ๐‘ก 1 โˆˆ ( ๐‘ก 0 , ๐‘‡ ) , where ๐‘€ 0 > 0 depends on โ„ฑ ( ๐‘ก 0 ) and ฬ‡ โ„ฑ ( ๐‘ก 0 ) . Furthermore, for any constant ๐‘€ > 0 , there exists some ๐‘ก 2 โˆˆ ( ๐‘ก 1 , ๐‘‡ ) , such that ๐‘€ 0 ๐‘’ โˆš ๐ถ ๐‘ก > ๐‘€ ( 1 + ๐‘ก 2 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† ) , for ๐‘ก โˆˆ ( ๐‘ก 2 , ๐‘‡ ) . Then, (3.91) contradicts (3.81), since ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) . Consequently, (3.76) holds with ๐พ โ‰ก m a x { m a x 0 โ‰ค ๐‘ก โ‰ค ๐‘‡ ๐‘š โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 , 2 ๐œ… } , and the proof is complete.

From Remark 3.2 and Theorems 3.1, 3.3, and 3.5, any global solution of (1.1), with ๐œ† = 2 , is necessarily uniformly bounded in ๐ป , for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 . However, this is false when ๐œ† > 2 , as we show next.

Theorem 3.7. Let ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) be a solution of problem (1.1). Assume the conditions, on ๐‘Ÿ and ๐œ† , made in Theorem 3.6. Then, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) is global and not uniformly bounded in ๐ป , for ๐‘ก โ‰ฅ 0 , if and only if ๐œ† โ‰ฅ ๐‘Ÿ and there exists ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก 0 ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก 0 ) ) โˆˆ ๐’ฐ .

Proof. Sufficiency
By Lemma 2.4, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ ๐’ฐ , for every ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ก 0 . This solution must be global. Otherwise, by Theorem 2.1, blowups in a finite time and, by Theorem 3.1, necessarily ๐œ† < ๐‘Ÿ . A contradiction.

Now, suppose that, for ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ก 0 , the solution is uniformly bounded in ๐ป . Hence, there exists a sequence of times { ๐‘ก ๐‘› } , such that if ๐‘› โ†’ โˆž , then ๐‘ก ๐‘› โ†’ โˆž , ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ๐‘› ฬ‚ ) ) โ†’ ( ฬ‚ ๐‘ข , ๐‘ฃ ) weakly in ๐ป and, since the imbedding ๐ต โŠ‚ ๐ป 1 ( ฮฉ ) โˆฉ ๐ฟ ๐‘Ÿ ( ฮฉ ) is compact, ฬ‚ ๐‘ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ฬ‚ ) ) โ†’ ๐‘ ( ฬ‚ ๐‘ข ) . Moreover, since the energy is nonincreasing and bounded, ๐ธ โˆž โ‰ก l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ๐ธ ( ๐‘ก ) โˆˆ โ„ . Consequently, from the energy equation and since ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐œ† 2 ๐‘‘ ๐œ = 0 , ( 3 . 9 2 ) in particular, for any sequence of times { ๐‘  ๐‘› } such that ๐‘  ๐‘› โ†’ โˆž as ๐‘› โ†’ โˆž , l i m ๐‘› โ†’ โˆž ๎€œ 1 0 โ„Ž ๐‘› ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ = 0 , ( 3 . 9 3 ) where โ„Ž ๐‘› ( ๐œ ) โ‰ก โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘  ๐‘› + ๐œ ) โ€– ๐œ† 2 , for ๐œ โˆˆ [ 0 , 1 ] . By Fatou Lemma, l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๎€ท ๐‘  ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– + ๐œ ๐œ† 2 = l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž โ„Ž ๐‘› ( ๐œ ) = 0 , ( 3 . 9 4 ) for a.e. ๐œ โˆˆ [ 0 , 1 ] , and by the weak convergence ๐‘ฃ ( ๐‘ก ๐‘› ฬ‚ ๐‘ฃ ) โ†’ , in ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , โ€– ฬ‚ ๐‘ฃ โ€– 2 โ‰ค l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž โ€– โ€– ๐‘ฃ ๎€ท ๐‘ก ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– 2 = 0 , ( 3 . 9 5 ) where we choose { ๐‘  ๐‘› } such that ๐‘ก ๐‘› = ๐‘  ๐‘› + ๐œ 0 , for some ๐œ 0 โˆˆ [ 0 , 1 ] .
It can be shown that the semigroup generated by problem (1.1) is continuous in ๐ป with the weak topology, and then that the weak limit set is positive invariant; see Ball [26]. Consequently ฬ‚ ( ฬ‚ ๐‘ข , ๐‘ฃ ) = ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) must be an equilibrium of (1.1). Since ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ๐‘› ) ) โˆˆ ๐’ฐ then, by definition (2.33) and (2.29), ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ = l i m ๐‘› โ†’ โˆž ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๎€ท ๐‘ก ๐‘› โ‰ฅ ๎€ธ ๎€ธ 2 ๐‘Ÿ ๐‘‘ ๐‘Ÿ โˆ’ 2 . ( 3 . 9 6 )
Since the norm in ๐ป is weak lower-semicontinuous, from (2.4), (2.19), and (2.20), we get that ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ ๎€ท ๐‘ข = ฬ‚ ๐‘Ž ๐‘’ ๎€ธ โ‰ค l i m i n f ๐‘› โ†’ โˆž ๎‚† โ€– โ€– ๐‘ฃ ๎€ท ๐‘ก ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– 2 2 ๎€ท ๐‘ข ๎€ท ๐‘ก + ฬ‚ ๐‘Ž ๐‘› ๎‚‡ ๎€ธ ๎€ธ = l i m ๐‘› โ†’ โˆž ๎‚† ๎€ท ๐‘ก 2 ๐ธ ๐‘› ๎€ธ + 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๎€ท ๐‘ก ๐‘› ๎‚‡ ๎€ธ ๎€ธ = 2 ๐ธ โˆž + 2 ๐‘Ÿ ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข ๐‘’ ๎€ธ . ( 3 . 9 7 )
Hence, ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ฬ‚ ๐‘ ๎€ท ๐‘ข 2 ๐‘Ÿ ๐‘’ ๎€ธ โ‰ค ๐ธ โˆž < ๐‘‘ . ( 3 . 9 8 ) This contradicts (3.96). Then, the solution cannot be uniformly bounded in ๐ป , for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 .
Necessity
This follows from Lemma 2.6 and Theorems 3.1, 3.3, and 3.6. The proof is complete.

Next, we characterize the convergence to the set of nonzero equilibria of equation (1.1). Due to our assumptions on ๐‘Ÿ and ๐›พ , our result considers, at most, dimensions ๐‘› โ‰ค 3 for ๐œ† > 2 , and ๐‘› โ‰ค 5 for ๐œ† = 2 .

Theorem 3.8. Let ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) = ๐‘† ( ๐‘ก ) ( ๐‘ข 0 , ๐‘ฃ 0 ) be a solution of problem (1.1). If ๐œ† > 2 , assume the conditions, on ๐‘Ÿ and ๐œ† , made in Theorem 3.6. If ๐œ† = 2 , and assume the conditions, on ๐‘Ÿ made in Theorem 3.5. Then, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ†’ โ„ฐ โˆž , strongly in ๐ป as ๐‘ก โ†’ โˆž , if and only if ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , where โ„ฐ โˆž โ‰ก [ ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) โˆˆ โ„ฐ โˆถ ๐ฝ ( ๐‘ข ๐‘’ ) = ๐ธ โˆž โ‰ฅ ๐‘‘ ] and ๐ธ โˆž โ‰ก l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ๐ธ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) .

Proof. Sufficiency
By Theorems 3.5 and 3.6, the solution is global and uniformly bounded in ๐ป , that is, ๐œ” ( ๐‘ก ) โ‰ก โ€– ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โ€– 2 ๐ป โ‰ค ๐พ , for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , and some constant ๐พ > 0 . Then, like in the sufficiency part of the proof of Theorem 3.7, there exists a sequence of times such that ๐‘ก ๐‘› โ†’ โˆž and ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ๐‘› ) ) โ†’ ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) , weakly in ๐ป , as ๐‘› โ†’ โˆž , where ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) is an equilibrium. If { ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) } ๐‘ก โ‰ฅ 0 i s p r e c o m p a c t i n ๐ป , ( 3 . 9 9 ) then strong convergence to ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) follows. In this situation, ( ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ๐‘› ) ) converges to the set โ„ฐ โˆž , because ( 0 , 0 ) โˆ‰ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] , strong closure in ๐ป .

Haraux [5], developed a technique to prove precompactness of bounded orbits of some kind of semilinear wave equations. We will follow that method to prove (3.99). To this end we define, for every ๐œ– > 0 , and ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ๐‘ข ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โˆ’ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘ฃ ( ๐‘ก + ๐œ– ) โˆ’ ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) , 2 ๐œ” ๐œ– โ€– โ€– ๎€ท ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 ๐ป , ( 3 . 1 0 0 ) and note that from (2.1), we get the energy equation for ( ๐‘ข ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ๐œ– ( ๐‘ก ) ) โ€‰ ๐œ” ๐œ– ( 0 ) = ๐œ” ๐œ– ( ๎€œ ๐‘ก ) + ๐‘ก 0 ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๎ ๐‘š ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ( ๎€ธ ๐œ ) 2 ๐‘‘ ๐œ , ( 3 . 1 0 1 ) where, ๐‘” ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘” ( ๐‘ฃ ( ๐‘ก + ๐œ– ) ) โˆ’ ๐‘” ( ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) , ๐‘“ ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘“ ( ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) ) โˆ’ ๐‘“ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) , ๎ ๐‘š ๐œ– ๎€ท ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘š โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 2 ๎€ธ ๎€ท ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โˆ’ ๐‘š โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎€ธ ๎€ท ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘š โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎€ธ โ‰ก ๐›ฝ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๐›พ . ( 3 . 1 0 2 )
However, in order to handle the nonlinearity ๎ ๐‘š ๐œ– ( ๐‘ก ) , we need to introduce the function ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐œ” ๐œ– 1 ( ๐‘ก ) + 2 ๐‘š ๎€ท โ€– โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) 2 2 ๎€ธ โ€– โ€– โˆ‡ ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 2 . ( 3 . 1 0 3 )
Hence, the corresponding energy equation for ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘ก ) is ๐‘Š ๐œ– ( 0 ) = ๐‘Š ๐œ– ( ๎€œ ๐‘ก ) + ๐‘ก 0 ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๐‘š ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ( ๎€ธ ๐œ ) 2 ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โˆ’ ๐‘ก 0 ๎€ท ๐‘› ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ( ๎€ธ ๐œ ) 2 ๐‘‘ ๐œ , ( 3 . 1 0 4 ) where, ๐‘š ๐œ– ๎€ท ๐‘š ๎€ท โ€– ( ๐‘ก ) โ‰ก โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) 2 2 ๎€ธ ๎€ท โ€– โˆ’ ๐‘š โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) 2 2 ๐‘› ๎€ธ ๎€ธ ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ก ๐‘š ๎…ž ๎€ท ( โ€– โˆ‡ ๐‘ข ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 2 ๎€ธ ( ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก + ๐œ– ) ) 2 ฮ” ๐‘ข ๐œ– ( ๐‘ก ) . ( 3 . 1 0 5 )
Notice that since the solution is uniformly bounded by ๐พ , there exists a constant ๎ ๐พ > 0 , depending on ๐พ , such that ๐œ” ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘Š ๐œ– ๎ ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐พ ๐œ” ๐œ– ( ๐‘ก ) . ( 3 . 1 0 6 )
We will prove that for any ๐œ‚ > 0 , there exists ๐œ– ( ๐œ‚ ) > 0 , such that ๐œ” ๐œ– ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œ‚ , ( 3 . 1 0 7 ) for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , and ๐œ– โˆˆ ( 0 , ๐œ– ( ๐œ‚ ) ) , that is, ๐‘ก โ†ฆ ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ ๐ป , is uniformly continuous.
For every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , we have one of the following two cases: ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘ก + 1 ) โ‰ค ๐‘Š ๐œ– ๐‘Š ( ๐‘ก ) , ( 3 . 1 0 8 ) ๐œ– ( ๐‘ก + 1 ) > ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘ก ) . ( 3 . 1 0 9 )
From (3.109) and (3.104), 0 > ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘Š ๐œ– ๎€œ ( ๐‘ก + 1 ) = ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๐‘š ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โˆ’ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘› ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 1 1 0 )
Notice that, by a well-known inequality, ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 โ‰ฅ 2 2 โˆ’ ๐œ† ๐›ฟ โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) ๐œ† ๐œ† . ( 3 . 1 1 1 )
Also, we recall the inequality | | ๐‘“ ๐œ– | | ๎‚€ | | | | ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐œŽ ( ๐‘Ÿ ) ๐œ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) ๐‘Ÿ โˆ’ 2 + | | | | ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ๎‚ | | ๐‘ข ๐œ– | | ( ๐‘ก ) , ( 3 . 1 1 2 ) where ๐œŽ ( ๐‘Ÿ ) = 1 , if ๐‘Ÿ โˆˆ [ 2 , 3 ] and ๐œŽ ( ๐‘Ÿ ) = ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) / 2 , if ๐‘Ÿ > 3 .
From the Hรถlder inequality, (3.112) yields ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘“ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 2 ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 โ‰ค 2 ๐œŽ ( ๐‘Ÿ ) ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๐‘Ž ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) ( ๐‘Ÿ โˆ’ 2 ) / 2 ร— ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) , ( 3 . 1 1 3 ) where ๐ถ ( ฮฉ ) > 0 , is an embedding constant in ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ) .
We claim that ๐‘ก โ†ฆ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โˆˆ ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ) must be uniformly continuous. Otherwise, there exists some ๐œ‚ 0 > 0 , and sequences { ๐œ– ๐‘› } ๐‘› โ‰ฅ 1 , { ๐‘ก ๐‘› } ๐‘› โ‰ฅ 1 , such that ๐œ– ๐‘› โ†’ 0 , and ๐‘ก ๐‘› โ†’ โˆž , as ๐‘› โ†’ โˆž , and โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– ๐‘› ( ๐‘ก ๐‘› ) โ€– โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) > ๐œ‚ 0 , ( 3 . 1 1 4 ) for every ๐‘› โ‰ฅ 1 . By assumption, ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ) is compact, then { ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› + ๐œ– ๐‘› ) } ๐‘› โ‰ฅ 1 , { ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› ) } ๐‘› โ‰ฅ 1 are precompact in ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ) , and we can extract subsequences { ๐‘ข ( ๐‘ก ๎…ž ๐‘› + ๐œ– ๎…ž ๐‘› ) } ๐‘› โ‰ฅ 1 , { ๐‘ข ( ๐‘ก ๎…ž ๐‘› ) } ๐‘› โ‰ฅ 1 , such that for some fixed ๐‘› 0 , sufficiently big, and every ๐‘› โ‰ฅ ๐‘› 0 , โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ๎…ž ๐‘› + ๐œ– ๎…ž ๐‘› ๎€ท ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘ข ๎…ž ๐‘› ๎€ธ โ€– โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) โ‰ค โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ๎…ž ๐‘› + ๐œ– ๎…ž ๐‘› ) โˆ’ ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› 0 + ๐œ– ๐‘› 0 ) โ€– โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) + โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› 0 + ๐œ– ๐‘› 0 ) โˆ’ ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› 0 ) โ€– โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) + โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ๐‘› 0 ) โˆ’ ๐‘ข ( ๐‘ก ๎…ž ๐‘› ) โ€– โ€– 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) โ‰ค ๐œ‚ 0 3 + ๐œ‚ 0 3 + ๐œ‚ 0 3 = ๐œ‚ 0 . ( 3 . 1 1 5 )
This contradicts (3.114). Hence, for any ๐œ‚ > 0 there exists some ฬ‚ ๐œ– ( ๐œ‚ ) > 0 , such that for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , and every ๐œ– โˆˆ ( 0 , ฬ‚ ๐œ– ( ๐œ‚ ) ) , ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) โ‰ค ๐œ‚ 4 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) . ( 3 . 1 1 6 )
Consequently, from (3.113), (3.116) and the Hรถlder inequality | | | | ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 | | | | ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐ถ ๐œ‚ 4 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† , ( 3 . 1 1 7 ) where ๐ถ > 0 depends on ๐พ , ๐œ‡ , ๐‘Ÿ , ๐ถ ( ฮฉ ) and the inclusion ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) .
Now notice that, โ€– โ€– ๐‘š ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ‰ค s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๎€ฝ ๎€ท ๐‘š โ€ฒ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 | | ๎€ธ ๎€พ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 2 โˆ’ โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 | | โ€– ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 = s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๎€ฝ ๐‘š ๎…ž ๎€ท โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 | | ๎€ธ ๎€พ ( โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) + โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) , โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โˆ’ โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) ) 2 | | โ€– ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 โ‰ค s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๎€ฝ ๐‘š ๎…ž ๎€ท โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎€ธ โ€– ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) + ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 โ€– ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 ๎€พ โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ข โ‰ค ๐ถ ( ๐พ ) ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 , ( 3 . 1 1 8 ) and that | | ๎€ท ๐‘› ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 | | โ‰ค ๐‘š ๎…ž ๎€ท โ€– โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) 2 2 ๎€ธ โ€– ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 โ€– โ€– ฮ” ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ข โ‰ค ๐ถ ( ๐พ ) ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 , ( 3 . 1 1 9 ) where ๐ถ ( ๐พ ) > 0 is a constant.
Since ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) is compact, we show like in (3.116), that ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 2 ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / 2 โ‰ค ๐œ‚ 4 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) . ( 3 . 1 2 0 )
Consequently, from (3.118)โ€“(3.120) and the Hรถlder inequality, we obtain | | | | ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๐‘š ๎€ฝ ๎€ท ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 + ๎€ท ๐‘› ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๎€พ | | | | โ‰ค ๎ ๐‘‘ ๐œ ๐ถ ๐œ‚ 4 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) ๎ƒฏ ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† ๎ƒฐ + 1 , ( 3 . 1 2 1 ) where ๎ ๐ถ > 0 depends on ๐พ and the inclusion ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) .
From (3.117), (3.121), and (3.111) in (3.110), we have ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐ถ ๐œ‚ 4 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) ๎ƒฏ ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† ๎ƒฐ + 1 , ( 3 . 1 2 2 ) where ๎‚ ๐ถ > 0 is a constant. Consequently, for ๐œ‚ sufficiently small, we obtain ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ‚ 3 ๐œ† , ๎€œ ( 3 . 1 2 3 ) ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 2 ๐œ‚ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 2 5 . ( 3 . 1 2 4 )
We apply inequality (3.112) to ๐‘” ๐œ– , and by the Hรถlder inequality we get ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๎‚ต ๎€œ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œŽ ( ๐œ† ) ๐›ฟ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† ร— ๎ƒฌ ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ + ๐œ– ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ ( ๐œ† โˆ’ 2 ) / ๐œ† + ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ ( ๐œ† โˆ’ 2 ) / ๐œ† ๎ƒญ . ( 3 . 1 2 5 )
Notice that by (2.3) and since ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ , ๎€œ โˆž 0 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– ๐œ† ๐œ† ๐ธ ๐‘‘ ๐‘ก โ‰ค 0 โˆ’ ๐‘‘ ๐›ฟ . ( 3 . 1 2 6 )
By assumption ๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) , then ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) ๐œ† ๐œ† ๎‚ถ ๐‘‘ ๐œ 1 / ๐œ† โ‰ค 2 ๐ถ ( ฮฉ ) s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐ต โ‰ค ๐ถ , ( 3 . 1 2 7 ) where ๐ถ > 0 depends on the embedding constant ๐ถ ( ฮฉ ) and ๐พ .
Therefore, from (3.123), (3.126), and (3.127) in (3.125), we get, for ๐œ‚ sufficiently small | | | | ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 | | | | ๎‚ต ๐ธ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 2 ๐œŽ ( ๐œ† ) ๐›ฟ ๐ถ 0 โˆ’ ๐‘‘ ๐›ฟ ๎‚ถ ( ๐œ† โˆ’ 2 ) / ๐œ† ๐œ‚ 3 โ‰ค ๐œ‚ 2 5 . ( 3 . 1 2 8 )
By (3.113), (3.116), (3.120) and the Hรถlder inequality, for small ๐œ‚ , we obtain ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐ถ ๐œ‚ 8 ( ๐œ† โˆ’ 1 ) โ‰ค ๐œ‚ 2 5 . ( 3 . 1 2 9 )
one has that ๎€ท ๎ ๐‘š ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 ๎€ท โ€– = โˆ’ ๐‘š โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 2 ๎€ธ โ€– โ€– โˆ‡ ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 2 + ๎€ฝ ๐‘š ๎€ท โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โ€– 2 2 ๎€ธ ๎€ท โˆ’ ๐‘š โ€– โˆ‡ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎€ธ ๎€พ ๎€ท ฮ” ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ข โ‰ค ๐ถ ( ๐พ ) ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 , ( 3 . 1 3 0 ) where ๐ถ ( ๐พ ) depends on ๐พ . Hence, by (3.120) and the Hรถlder inequality, and again for small ๐œ‚ , ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๎ ๐‘š ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๐œ‚ ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 2 5 . ( 3 . 1 3 1 )
From (2.1), one has the identity ๐‘‘ ๎€ท ๐‘ฃ ๐‘‘ ๐‘ก ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ( ๐‘ก ) ๐œ– ๎€ธ 2 โˆ’ โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 2 + โ€– โ€– ฮ” ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 2 โ€– โ€– + ๐›ผ โˆ‡ ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 2 + ๎€ท ๐‘” ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 = ๎€ท ๎ ๐‘š ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 + ๎€ท ๐‘“ ๐œ– ( ๐‘ก ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐‘ก ) 2 . ( 3 . 1 3 2 )
Hence, (3.124), (3.128), (3.129), and (3.131) in (3.132) yield ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 ๐ต ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 2 s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๎€ฝ โ€– โ€– ๐‘ฃ ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 ๎€พ + 4 ๐œ‚ 2 5 . ( 3 . 1 3 3 )
For every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , one has โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ‰ค ๐œ– s u p ๐‘  โˆˆ [ ๐‘ก , ๐‘ก + 1 ] โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘  ) โ€– 2 โˆš โ‰ค ๐œ– โ€– โ€– ๐‘ฃ 2 ๐พ , ๐œ– โ€– โ€– ( ๐‘ก ) 2 โ‰ค 2 s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โ€– 2 โˆš โ‰ค 2 2 ๐พ ( 3 . 1 3 4 ) then, for ๐œ– โˆˆ ( 0 , ฬ‚ ๐œ– ( ๐œ‚ ) ) , with ฬ‚ ๐œ– ( ๐œ‚ ) sufficiently small, (3.133) is ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 โ€– โ€– ๐‘ข ๐œ– โ€– โ€– ( ๐œ ) 2 ๐ต ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ‚ 2 . ( 3 . 1 3 5 )
Hence, in case (3.109), from (3.124) and (3.135), we conclude that ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๐œ” ๐œ– ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 3 ๐œ‚ 2 5 . ( 3 . 1 3 6 ) And, from (3.106) with ๐œ‚ small, ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๐‘Š ๐œ– ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ โ‰ค 3 ๐œ‚ 5 . ( 3 . 1 3 7 )
From (3.104), (3.111), (3.117), (3.121) and (3.124), we have, for any ๐‘  โˆˆ [ ๐‘ก , ๐‘ก + 1 ] , ๐‘ก โ‰ฅ 0 , and ๐œ‚ sufficiently small, that ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘ก + 1 ) = ๐‘Š ๐œ– ๎€œ ( ๐‘  ) + ๐‘  ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘š ๐œ– ( ๐œ ) + ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) โˆ’ ๐‘” ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๎€œ ๐‘‘ ๐œ + ๐‘ก 0 ๎€ท ๐‘› ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐‘Š ๐œ– | | | | ๎€œ ( ๐‘  ) + ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘“ ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 | | | | + | | | | ๎€œ ๐‘‘ ๐œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘š ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ฃ ๐œ– ๎€ธ ( ๐œ ) 2 | | | | + | | | | ๎€œ ๐‘‘ ๐œ ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๎€ท ๐‘› ๐œ– ( ๐œ ) , ๐‘ข ๐œ– ( ๎€ธ ๐œ ) 2 | | | | ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘  ) + 2 ๐œ‚ 5 . ( 3 . 1 3 8 )
Therefore, by (3.137), we obtain ๐‘Š ๐œ– ๎€œ ( ๐‘ก + 1 ) โ‰ค ๐‘ก ๐‘ก + 1 ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘  ) ๐‘‘ ๐‘  + 2 ๐œ‚ 5 โ‰ค ๐œ‚ . ( 3 . 1 3 9 ) Consequently, in both cases, (3.108) and (3.109), ๐‘Š ๐œ– ๎€ฝ ( ๐‘ก + 1 ) โ‰ค m a x ๐œ‚ , ๐‘Š ๐œ– ๎€พ ( ๐‘ก ) , ( 3 . 1 4 0 ) and then ๐‘Š ๐œ– ๎‚ป ( ๐‘ก ) โ‰ค m a x ๐œ‚ , m a x ๐‘  โˆˆ [ 0 , 1 ] ๐‘Š ๐œ– ๎‚ผ ( ๐‘  ) , ( 3 . 1 4 1 ) for any ๐‘ก โ‰ฅ 0 .
Since the solution ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โˆถ [ 0 , 1 ] โ†’ ๐ป , is uniformly continuous, for any ๐œ‚ > 0 there exists some ฬƒ ๐œ– ( ๐œ‚ ) > 0 , such that m a x ๐‘  โˆˆ [ 0 , 1 ] ๐‘Š ๐œ– ( ๐‘  ) โ‰ค ๐œ‚ , ( 3 . 1 4 2 ) for any ๐œ– โˆˆ ( 0 , ฬƒ ๐œ– ( ๐œ‚ ) ) . Then, (3.141) and (3.106) imply (3.107) for any ๐‘ก โ‰ฅ 0 , ๐œ‚ > 0 , and 0 < ๐œ– < ๐œ– ( ๐œ‚ ) โ‰ก m i n { ฬ‚ ๐œ– ( ๐œ‚ ) , ฬƒ ๐œ– ( ๐œ‚ ) } .
Next, we will prove that the orbit { ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) } ๐‘ก โ‰ฅ 0 , is a precompact subset of ๐ป . We start with { ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) } ๐‘ก โ‰ฅ 0 โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) .
Notice that because of (3.107) โ€– โ€– โ€– 1 ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐œ– ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ 2 โ‰ค 1 ๐œ– ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– 2 ๐‘‘ ๐œ โ‰ค s u p ๐œ โˆˆ [ ๐‘ก , ๐‘ก + ๐œ– ] โ€– ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘ฃ ( ๐œ ) โ€– 2 โ‰ค โˆš 2 ๐œ‚ . ( 3 . 1 4 3 )
Since { ๐‘ข ( ๐‘ก ) } ๐‘ก โ‰ฅ 0 is bounded in ๐ต , then โ€– โ€– โ€– 1 ๐œ– ๎‚ต ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๎‚ถ โ€– โ€– โ€– ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐ต โ‰ค 1 ๐œ– โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก + ๐œ– ) โˆ’ ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐ต โ‰ค 2 ๐œ– s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐ต โ‰ค 2 ๐œ– โˆš 2 ๐พ . ( 3 . 1 4 4 )
Consequently, โˆซ { ( 1 / ๐œ– ) ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๐‘ฃ ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ } ๐‘ก โ‰ฅ 0 is precompact or, equivalently, totally bounded in ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) , because ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) is compact. Hence, by (3.143), { ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) } ๐‘ก โ‰ฅ 0 is precompact in ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) .
Like in (3.143), from (3.107), we obtain that โ€– โ€– โ€– 1 ๐‘ข ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐œ– ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐ต โ‰ค s u p ๐œ โˆˆ [ ๐‘ก , ๐‘ก + ๐œ– ] โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘ข ( ๐œ ) โ€– ๐ต โ‰ค โˆš 2 ๐œ‚ . ( 3 . 1 4 5 )
If { ฮ” 2 โˆซ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ } ๐‘ก โ‰ฅ 0 is precompact in ๐ต ๎…ž โ‰ก dual space of ๐ต , then precompactness of { ๐‘ข ( ๐‘ก ) } ๐‘ก โ‰ฅ 0 in ๐ต follows from (3.145), since โ„’ โˆ’ 1 โ‰ก ๎€ท ฮ” 2 ๎€ธ โˆ’ 1 โˆถ ๐ต ๎…ž โŸถ ๐ต , ( 3 . 1 4 6 ) is a linear and continuous operator.
According to the dense and continuous inclusions ๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† โˆ— ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ต ๎…ž , ( 3 . 1 4 7 ) where ๐ฟ ๐œ† โˆ— ( ฮฉ ) = ( ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) ) ๎…ž , ๐œ† โˆ— = ๐œ† / ( ๐œ† โˆ’ 1 ) , we extend the inner product in ๐ฟ 2 ( ฮฉ ) to the duality product in ๐ต ๎…ž ร— ๐ต . Now, we integrate the wave equation, and since โ„’ โˆถ ๐ต โ†’ ๐ต ๎…ž is closed, we get, in the sense of ๐ต ๎…ž , ฮ” 2 ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๎€œ ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ = ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) โˆ’ ๐‘ฃ ( ๐‘ก + ๐œ– ) + ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๐‘€ ๎€ท ( โ€– โˆ‡ ๐‘ข ๐œ ) โ€– 2 2 ๎€ธ โˆ’ ๎€œ ฮ” ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๎€œ ๐‘” ( ๐‘ฃ ( ๐œ ) ) ๐‘‘ ๐œ + ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๐‘“ ( ๐‘ข ( ๐œ ) ) ๐‘‘ ๐œ . ( 3 . 1 4 8 )
By the Hรถlder inequality and (3.126), โ€– โ€– โ€– ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– โ€– โ€– ๐‘” ( ๐‘ฃ ( ๐œ ) ) ๐‘‘ ๐œ ๐œ† โˆ— ๎€œ โ‰ค ๐›ฟ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– ( ๐‘ฃ ( ๐œ ) ) โ€– ๐œ† ๐œ† โˆ’ 1 ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐›ฟ 1 / ๐œ† ๎€ท ๐ธ 0 ๎€ธ โˆ’ ๐‘‘ ( ๐œ† โˆ’ 1 ) / ๐œ† . ( 3 . 1 4 9 )
Boundedness of ๐‘ข ( ๐‘ก ) in ๐ต , since ๐ต โŠ‚ ๐ฟ 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ( ฮฉ ) , yields the estimate โ€– โ€– โ€– ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– โ€– โ€– ๐‘“ ( ๐‘ข ( ๐œ ) ) ๐‘‘ ๐œ 2 ๎€œ โ‰ค ๐œ‡ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– ( ๐‘ข ( ๐œ ) ) โ€– ๐‘Ÿ โˆ’ 1 2 ( ๐‘Ÿ โˆ’ 1 ) ๐‘‘ ๐œ โ‰ค ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ€– ๐‘ข ( ๐‘ก ) โ€– ๐ต โ‰ค ๐œ‡ ๐ถ ( ฮฉ ) ๐ถ ( ๐พ ) . ( 3 . 1 5 0 )
Also, โ€– โ€– โ€– ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๐‘€ ๎€ท ( โ€– โˆ‡ ๐‘ข ๐œ ) โ€– 2 2 ๎€ธ โ€– โ€– โ€– ฮ” ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ 2 โ‰ค s u p ๐‘ก โ‰ฅ 0 ๎€ฝ ๐‘€ ๎€ท ( โ€– โˆ‡ ๐‘ข ๐‘ก ) โ€– 2 2 ๎€ธ ( โ€– ๐‘ข ๐‘ก ) โ€– ๐ต ๎€พ โ‰ค ๐ถ ( ๐พ ) , ( 3 . 1 5 1 )
Therefore, (3.149)โ€“(3.151) in (3.148) imply that โ€– โ€– โ€– ฮ” 2 ๎€œ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– โ€– โ€– โ€– ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ ๐œ† โˆ— โ‰ค ๐ถ , ( 3 . 1 5 2 ) for some constant ๐ถ > 0 and every ๐‘ก โ‰ฅ 0 .
๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) is compact by assumption. By Schauder Theorem, see for instance Brรฉzis [27], ๐ต โŠ‚ ๐ฟ ๐œ† ( ฮฉ ) is compact if and only if ๐ฟ ๐œ† โˆ— ( ฮฉ ) โŠ‚ ๐ต ๎…ž is compact. Then, (3.152) implies that { ฮ” 2 โˆซ ๐‘ก ๐‘ก + ๐œ– ๐‘ข ( ๐œ ) ๐‘‘ ๐œ } ๐‘ก โ‰ฅ 0 is precompact in ๐ต ๎…ž .
Necessity
Suppose that the solution converges, strongly in ๐ป , to the set โ„ฐ โˆž . Since the energy is nonincreasing, ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐ธ โˆž โ‰ก l i m ๐‘ก โ†’ โˆž ๐ธ ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘‘ , for all ๐‘ก โ‰ฅ 0 , and the proof is complete.

Remark 3.9. By Theorem 3.3 and (2.35), every ๐ป -neighborhood of the ground state, ๐’ฎ โˆฉ ๐’ฐ = [ ( ๐‘ข ๐‘’ , 0 ) โˆˆ ๐ป โˆถ ๐‘ข ๐‘’ โˆˆ ๐’ฉ โˆ— ] , is connected, through an orbit, with ( 0 , 0 ) . Furthermore, if ๐ธ โˆž = ๐‘‘ in Theorem 3.8, the ground state attracts every solution such that ( ๐‘ข ( ๐‘ก ) , ๐‘ฃ ( ๐‘ก ) ) โˆˆ [ ๐ธ ( ๐‘ข , ๐‘ฃ ) โ‰ฅ ๐‘‘ ] , for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 .