納維-斯托克斯存在性與光滑性 (英語:Navier–Stokes existence and smoothness )是有關納維-斯托克斯方程式 (英語:Navier-Stokes equations 、法語:Équations de Navier-Stokes )其解的數學性質有關的數學問題,是美國克雷數學研究所 在2000年提出的7個千禧年大獎難題 中的一個問題。
平面雷射誘導熒光 的可視化亂流。
納維-斯托克斯方程式是流體力學 的重要方程式,可以描述空間中流體 (液體 或氣體 )的運動。納維-斯托克斯方程式的解可以用到許多實務應用的領域中。不過對於納維-斯托克斯方程式解的理論研究仍然不足,尤其納維-斯托克斯方程式的解常會包括紊流 。雖然紊流在科學及工程中非常的重要,不過紊流仍是未解決的物理學問題 之一。
許多納維-斯托克斯方程式解的基本性質都尚未被證明。例如數學家就尚未證明在三維座標,特定的初始條件下,納維-斯托克斯方程式是否有符合光滑性的解。也尚未證明若這樣的解存在時,其動能 有其上下界,這就是「納維-斯托克斯存在性與光滑性」問題。
由於瞭解納維-斯托克斯方程式被視為是瞭解難以捉摸的紊流現象的第一步,克雷數學研究所 在2000年5月提供了美金一百萬的獎金給第一個提供紊流現象相關資訊的人,而不是給第一個創建紊流理論的人。基於上述的想法,克雷數學研究所設定了以下具體的數學問題[ 1] 。
證明或反證以下的敘述:
在三維的空間及時間下,給定一啟始的速度場,存在一向量的速度場及純量的壓強場,為納維-斯托克斯方程式的解,其中速度場及壓強場需滿足
光滑 及全局定義的特性。
納維-斯托克斯方程式
以數學的觀點來看,納維-斯托克斯方程式是一個針對任意維度向量場的非線性偏微分方程式 。在物理及工程的觀點,納維-斯托克斯方程式是一個用連續介質力學 描述液體或非稀疏氣體運動的方程式組。此方程式是以牛頓第二運動定律 為基礎,考慮一黏滯性 牛頓流體 的所有受力,包括壓強、黏滯力及外界的體積力。
由於克雷數學研究所提出的問題是以三維空間下,不可壓縮的勻質流體為準,以下也只考慮此條件下的納維-斯托克斯方程式。
令
v
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {v} ({\boldsymbol {x}},t)}
為描述流體速度的三維向量場,且
p
(
x
,
t
)
{\displaystyle p({\boldsymbol {x}},t)}
為流體壓強[ note 1] 。納維-斯托克斯方程式為:
∂
v
∂
t
+
(
v
⋅
∇
)
v
=
−
∇
p
+
ν
Δ
v
+
f
(
x
,
t
)
{\displaystyle {\frac {\partial \mathbf {v} }{\partial t}}+(\mathbf {v} \cdot \nabla )\mathbf {v} =-\nabla p+\nu \Delta \mathbf {v} +\mathbf {f} ({\boldsymbol {x}},t)}
其中
ν
>
0
{\displaystyle \nu >0}
為動黏滯度
f
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {f} ({\boldsymbol {x}},t)}
為外力
∇
{\displaystyle \nabla }
為梯度 運算子
Δ
{\displaystyle \displaystyle \Delta }
為拉普拉斯算子 ,也可寫為
∇
⋅
∇
{\displaystyle \nabla \cdot \nabla }
上述方程式是向量方程式,可以分解為三個純量的方程式,將速度及外力分解為三個座標下的分量:
v
(
x
,
t
)
=
(
v
1
(
x
,
t
)
,
v
2
(
x
,
t
)
,
v
3
(
x
,
t
)
)
,
f
(
x
,
t
)
=
(
f
1
(
x
,
t
)
,
f
2
(
x
,
t
)
,
f
3
(
x
,
t
)
)
{\displaystyle \mathbf {v} ({\boldsymbol {x}},t)={\big (}\,v_{1}({\boldsymbol {x}},t),\,v_{2}({\boldsymbol {x}},t),\,v_{3}({\boldsymbol {x}},t)\,{\big )}\,,\qquad \mathbf {f} ({\boldsymbol {x}},t)={\big (}\,f_{1}({\boldsymbol {x}},t),\,f_{2}({\boldsymbol {x}},t),\,f_{3}({\boldsymbol {x}},t)\,{\big )}}
則納維-斯托克斯方程式可寫成以下的形式,
i
=
1
,
2
,
3
{\displaystyle i=1,2,3}
:
∂
v
i
∂
t
+
∑
j
=
1
3
v
j
∂
v
i
∂
x
j
=
−
∂
p
∂
x
i
+
ν
∑
j
=
1
3
∂
2
v
i
∂
x
j
2
+
f
i
(
x
,
t
)
.
{\displaystyle {\frac {\partial v_{i}}{\partial t}}+\sum _{j=1}^{3}v_{j}{\frac {\partial v_{i}}{\partial x_{j}}}=-{\frac {\partial p}{\partial x_{i}}}+\nu \sum _{j=1}^{3}{\frac {\partial ^{2}v_{i}}{\partial x_{j}^{2}}}+f_{i}({\boldsymbol {x}},t).}
其中的未知數有速度
v
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {v} ({\boldsymbol {x}},t)}
及壓強
p
(
x
,
t
)
{\displaystyle p({\boldsymbol {x}},t)}
。由於只考慮三維空間,因此有三個方程式及四個未知數,分別是速度的三個分量及壓強,還需要一個方程式才能解出所有的未知數。這個新增的方程式是描述流體不可壓縮性 的連續性方程式 :
∇
⋅
v
=
0.
{\displaystyle \nabla \cdot \mathbf {v} =0.}
由於最後一個方程式,納維-斯托克斯方程式解的速度會是無散度 的向量函數。對於在均勻介質中的無散度流,其密度及動黏滯度為定值。
二種條件:無邊界及週期性的空間
在整個空間下問題的說明
假設及無窮遠處特性
初始條件
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
假設是光滑 及無散度的函數,使得對於每一個多重指標
α
{\displaystyle \alpha }
及
K
>
0
{\displaystyle K>0}
,存在一常數
C
=
C
(
α
,
K
)
>
0
{\displaystyle C=C(\alpha ,K)>0}
(此常數會依
α
{\displaystyle \alpha }
及K 而變化)使得
|
∂
α
v
0
(
x
)
|
≤
C
(
1
+
|
x
|
)
K
{\displaystyle \vert \partial ^{\alpha }\mathbf {v_{0}} (x)\vert \leq {\frac {C}{(1+\vert x\vert )^{K}}}\qquad }
對於所有
x
∈
R
3
.
{\displaystyle \qquad x\in \mathbb {R} ^{3}.}
外力
f
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {f} (x,t)}
假設也是一個光滑函數,滿足一個非常類似的不等式(此時多重指標也包括時間的導數):
|
∂
α
f
(
x
)
|
≤
C
(
1
+
|
x
|
+
t
)
K
{\displaystyle \vert \partial ^{\alpha }\mathbf {f} (x)\vert \leq {\frac {C}{(1+\vert x\vert +t)^{K}}}\qquad }
對於所有
(
x
,
t
)
∈
R
3
×
[
0
,
∞
)
.
{\displaystyle \qquad (x,t)\in \mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ).}
考慮其實際的物理意義,此條件下的解需是光滑函數,當
|
x
|
→
∞
{\displaystyle \vert x\vert \to \infty }
時不會快速增加。更精準地說,有以下的假設:
v
(
x
,
t
)
∈
[
C
∞
(
R
3
×
[
0
,
∞
)
)
]
3
,
p
(
x
,
t
)
∈
C
∞
(
R
3
×
[
0
,
∞
)
)
{\displaystyle \mathbf {v} (x,t)\in \left[C^{\infty }(\mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ))\right]^{3}\,,\qquad p(x,t)\in C^{\infty }(\mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ))}
存在一常數
E
∈
(
0
,
∞
)
{\displaystyle E\in (0,\infty )}
使得
∫
R
3
|
v
(
x
,
t
)
|
2
d
x
<
E
{\displaystyle \int _{\mathbb {R} ^{3}}\vert \mathbf {v} (x,t)\vert ^{2}dx<E}
對於所有的
t
≥
0
.
{\displaystyle t\geq 0\,.}
條件1表示此函數為光滑、全局定義的函數,條件2表示此解的動能 在全局中有上下界。
在整個空間中的千禧年大獎難題描述
(A) 在
R
3
{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
空間下納維-斯托克斯方程式解的存在性及光滑性
令
f
(
x
,
t
)
≡
0
{\displaystyle \mathbf {f} (x,t)\equiv 0}
。對於所有符合上述假設的初始條件
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
,納維-斯托克斯方程式存在一光滑及全局定義的解,就是存在一速度向量
v
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {v} (x,t)}
及壓強
p
(
x
,
t
)
{\displaystyle p(x,t)}
滿足上述的條件1及2。
(B)
R
3
{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}
下納維-斯托克斯方程式解存在性的反證
存在一初始條件
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
及外力
f
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {f} (x,t)}
使得納維-斯托克斯方程式不存在一解滿足上述條件1及2。
週期性問題的說明
假設
此處的函數需滿足對於位置變數的週期性,其週期為1。更精準地說,令
e
i
{\displaystyle e_{i}}
為j 方向的單位向量:
e
1
=
(
1
,
0
,
0
)
,
e
2
=
(
0
,
1
,
0
)
,
e
3
=
(
0
,
0
,
1
)
{\displaystyle e_{1}=(1,0,0)\,,\qquad e_{2}=(0,1,0)\,,\qquad e_{3}=(0,0,1)}
則
v
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {v} (x,t)}
對位置變數有週期性也就表示對於任何的
i
=
1
,
2
,
3
{\displaystyle i=1,2,3}
,以下的式子均成立:
v
(
x
+
e
i
,
t
)
=
v
(
x
,
t
)
for all
(
x
,
t
)
∈
R
3
×
[
0
,
∞
)
.
{\displaystyle \mathbf {v} (x+e_{i},t)=\mathbf {v} (x,t){\text{ for all }}(x,t)\in \mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ).}
因此方程式不是在整個空間,而是在一商空間
R
3
/
Z
3
{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}/\mathbb {Z} ^{3}}
,也就是一個3維環面:
T
3
=
{
(
θ
1
,
θ
2
,
θ
3
)
:
0
≤
θ
i
<
2
π
,
i
=
1
,
2
,
3
}
.
{\displaystyle \mathbb {T} ^{3}=\{(\theta _{1},\theta _{2},\theta _{3}):0\leq \theta _{i}<2\pi \,,\quad i=1,2,3\}.}
有上述的說明後,可以說明需要的假設。初始條件
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
假設是一個光滑及無散度的函數,外力也是一個光滑函數。滿足以下的條件:
3.
v
(
x
,
t
)
∈
[
C
∞
(
T
3
×
[
0
,
∞
)
)
]
3
,
p
(
x
,
t
)
∈
C
∞
(
T
3
×
[
0
,
∞
)
)
{\displaystyle \mathbf {v} (x,t)\in \left[C^{\infty }(\mathbb {T} ^{3}\times [0,\infty ))\right]^{3}\,,\qquad p(x,t)\in C^{\infty }(\mathbb {T} ^{3}\times [0,\infty ))}
4. 存在一常數
E
∈
(
0
,
∞
)
{\displaystyle E\in (0,\infty )}
使得
∫
T
3
|
v
(
x
,
t
)
|
2
d
x
<
E
{\displaystyle \int _{\mathbb {T} ^{3}}\vert \mathbf {v} (x,t)\vert ^{2}dx<E}
對於所有
t
≥
0
.
{\displaystyle t\geq 0\,.}
和之前的條件類似,條件3表示函數是光滑及全局定義,條件4表示此解的動能 在全局中有上下界。
週期性的千禧年大獎難題描述
(C)
T
3
{\displaystyle \mathbb {T} ^{3}}
空間下納維-斯托克斯方程式解的存在性及光滑性
令
f
(
x
,
t
)
≡
0
{\displaystyle \mathbf {f} (x,t)\equiv 0}
,對於任何滿足上述假設的初始條件
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
,納維-斯托克斯方程式存在一光滑及全局定義的解,就是存在一速度向量
v
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {v} (x,t)}
及壓強
p
(
x
,
t
)
{\displaystyle p(x,t)}
滿足上述的條件3及條件4。
(D)
T
3
{\displaystyle \mathbb {T} ^{3}}
下納維-斯托克斯方程式解存在性的反證
存在一初始條件
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
及外力
f
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {f} (x,t)}
使得納維-斯托克斯方程式不存在一解滿足上述條件3及條件4。
部分結果
二維空間下的納維-斯托克斯問題已在1960年代得證:存在光滑及全局定義解的解[ 2] 。
在初速
v
(
x
,
t
)
{\displaystyle \mathbf {v} (x,t)}
相當小時此問題也已得證:存在光滑及全局定義解的解[ 1] 。
若給定一初速
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
,且存在一有限、依
v
0
(
x
)
{\displaystyle \mathbf {v} _{0}(x)}
而變動的時間T ,使得在
R
3
×
(
0
,
T
)
{\displaystyle \mathbb {R} ^{3}\times (0,T)}
的範圍內,納維-斯托克斯方程式有平滑的解,還無法確定在時間超過T 後,是否仍存在平滑的解[ 1] 。
數學家讓·勒雷 在1934年時證明了所謂納維-斯托克斯問題弱解 的存在,此解在平均值上滿足納維-斯托克斯問題,但無法在每一點上滿足[ 3] 。
腳註
^ 更精準地說,
p
(
x
,
t
)
{\displaystyle p({\boldsymbol {x}},t)}
是流體壓強除以流體密度後的商,對於不可壓縮的勻質流體,密度為一定值。
參考資料
^ 1.0 1.1 1.2 Official statement of the problem (頁面存檔備份 ,存於網際網路檔案館 ), Clay Mathematics Institute.
^ Ladyzhenskaya, O., The Mathematical Theory of Viscous Incompressible Flows 2nd, New York: Gordon and Breach, 1969 .
^ Leray, J. , Sur le mouvement d'un liquide visqueux emplissant l'espace, Acta Mathematica, 1934, 63 : 193–248, doi:10.1007/BF02547354
外部連結