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PureMathematics
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,2021,11(8),1517-1534
PublishedOnlineAugust2021inHans.http://www.hanspub.org/journal/pm
https://doi.org/10.12677/pm.2021.118171
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GlobalWell-PosednessofTwo-Dimensional
DispersiveQuasi-GeostrophicEquations
RongShao
CollegeofMathematicsandStatistics,NorthwestNormalUniversity,LanzhouGansu
Received:Jul.10
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,2021;accepted:Aug.17
th
,2021;published:Aug.24
th
,2021
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DOI:10.12677/pm.2021.118171
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Abstract
Thispaperisdevotedtostudyingtheglobalwell-posednessofCauchyproblemfor
thetwo-dimensionaldispersivequasi-geostrophicequations.Byintroducingakind
ofHybrid-Besovspaceswithdifferentregularityindicesathighfrequencyandlow
frequency,andbyestablishingtheuniformlyboundedestimationsofthe corresponding
dispersive operator semigroup on these newfunction spaces,the global well-posedness
of the 2D dispersive quasi-geostrophic equations is obtained for uniformly small initial
valuesinthecriticalfunctionalframework.
Keywords
Two-DimensionalDispersiveQuasi-GeostrophicEquations,Hybrid-BesovSpaces,
GlobalWell-Posedness
Copyright
c
2021byauthor(s)andHansPublishersInc.
This work is licensed undertheCreative Commons Attribution International License (CCBY 4.0).
http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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0
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j
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k
0
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2
k
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J
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0
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J
j
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2
k
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k
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k
0
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L
∞
(0
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∞
;
L
∞
)
2
2
k
(
1
2
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p
)
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k
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
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≤
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k
0
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J
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2
k
0
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k
0
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L
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(0
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L
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2
2
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k
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L
2
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2
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0
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k
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2
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k
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L
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(0
,
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;
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B
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2
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)
θ
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L
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;
˙
B
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+1
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k
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0
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2
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≤
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⊥
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L
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(0
,
∞
;
˙
B
2
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2
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+1
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2
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)
θ
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L
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,
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;
˙
B
2
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2
p
+1
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p
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+2
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k
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k
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L
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(0
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−
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L
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(0
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∞
;
L
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L
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,
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;
L
p
)
≤
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0
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J
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2
k
0
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α
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k
0
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L
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(0
,
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;
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2
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L
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;
˙
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0
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L
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L
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L
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˙
B
2
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2
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2
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DOI:10.12677/pm.2021.1181711525
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∆
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0
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L
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(0
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L
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B
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L
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L
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DOI:10.12677/pm.2021.1181711526
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L
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2
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L
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,
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˙
B
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L
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B
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L
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B
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L
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L
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L
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L
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L
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−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
(3.8)
a
q
Œ
sup
2
j
≤
1
2
j
(3
−
α
)
k
II
j
k
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
+sup
2
j
>
1
2
(
2
p
+2
−
α
)
j
k
II
j
k
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
(3.9)
DOI:10.12677/pm.2021.1181711527
n
Ø
ê
Æ
M
-
K
j
:=
{
(
k,k
0
) :
k
≥
j
−
3
,
|
k
0
−
k
|≤
1
}
.
III
j
=
X
K
j,ll
+
X
K
j,lh
+
X
K
j,hl
+
X
K
j,hh
∆
j
(∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
)
:=
III
j,
1
+
III
j,
2
+
III
j,
3
+
III
j,
4
,
Ù
¥
K
j,ll
=
(
k,k
0
)
∈
K
j
: 2
k
≤
A,
2
k
0
≤
A
,
K
j,lh
=
(
k,k
0
)
∈
K
j
: 2
k
≤
A,
2
k
0
>A
,
K
j,hl
=
(
k,k
0
)
∈
K
j
: 2
k
>A,
2
k
0
≤
A
,
K
j,hh
=
(
k,k
0
)
∈
K
j
: 2
k
>A,
2
k
0
>A
.
|
^
Bernstein
Ø
ª
!
H¨older
Ø
ª
±
9
Ž
f
R
⊥
3
L
p
(
R
2
)(1
<p<
∞
)
þ
k
.
Œ
III
j,
1
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
2
2
j
(1
−
1
p
)
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,ll
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
1
)
≤
C
2
2
j
(1
−
1
p
)
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,ll
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
2
k
0
≤
C
2
2
j
(1
−
1
p
)
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
X
|
k
−
j
|≤
1
2
−
2
k
0
≤
C
2
2
j
(1
−
1
p
)
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
2
k
≤
C
2
−
j
(
2
p
+2
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
9
III
j,
1
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
≤
C
2
2
j
(1
−
1
2
)
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,ll
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
1
)
≤
C
2
j
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,ll
2
k
(2
−
α
)
∆
k
(
R
⊥
θ
)
L
∞
(0
,
∞
;
L
2
)
2
2
k
0
∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
2
k
0
≤
C
2
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
X
|
k
−
k
0
|≤
1
2
−
2
k
0
≤
C
2
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
2
k
≤
C
2
−
j
(3
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
DOI:10.12677/pm.2021.1181711528
n
Ø
ê
Æ
M
a
q
/
,
†
í
Ñ
III
j,
2
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
2
j
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,lh
∪
K
j,hl
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
p
2+
p
)
≤
C
2
j
X
K
j,lh
2
k
(2
−
α
)
∆
k
(
R
⊥
θ
)
L
∞
(0
,
∞
;
L
2
)
2
k
0
(
2
p
+1)
∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
k
0
(
2
p
+1)
≤
C
2
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
X
|
k
−
k
0
|≤
1
2
−
k
0
(
2
p
+1)
≤
C
2
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
k
(
2
p
+1)
≤
C
2
−
j
(
2
p
+2
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
9
III
j,
2
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
≤
C
2
2
p
j
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,lh
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
p
2+
p
)
≤
C
2
2
p
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
X
|
k
−
k
0
|≤
1
2
−
k
0
(
2
p
+1)
≤
C
2
2
p
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(2
−
α
)
2
−
k
(
2
p
+1)
≤
C
2
−
j
(3
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
|
^
Bernstein
Ø
ª
!
H¨older
Ø
ª
±
9
Ž
f
R
⊥
3
L
p
(
R
2
)(1
<p<
∞
)
þ
k
.
Œ
III
j,
3
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
2
j
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,hl
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
p
2+
p
)
≤
C
2
j
X
K
j,hl
2
k
(
2
p
+1
−
α
)
∆
k
(
R
⊥
θ
)
L
∞
(0
,
∞
;
L
p
)
2
2
k
0
∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
2
−
2
k
0
≤
C
2
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
X
|
k
−
k
0
|≤
1
2
−
2
k
0
≤
C
2
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
2
k
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
≤
C
2
−
j
(
2
p
+2
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
DOI:10.12677/pm.2021.1181711529
n
Ø
ê
Æ
M
Ú
III
j,
3
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
≤
C
2
2
p
j
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,hl
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
2
p
2+
p
)
≤
C
2
2
p
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
X
|
k
−
k
0
|≤
1
2
−
2
k
0
≤
C
2
2
p
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
2
k
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
≤
C
2
−
j
(3
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
5
¿
2
≤
p
≤
4,
Œ
III
j,
4
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,hh
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
p
2
)
≤
C
2
2
p
j
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,hh
∆
k
(
R
⊥
θ
)
L
∞
(0
,
∞
;
L
p
)
∆
k
0
v
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
2
2
p
j
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
2
−
k
(
2
p
+1)
≤
C
2
−
j
(
2
p
+1
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
III
j,
4
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
≤
C
2
2
j
(
2
p
−
1
2
)
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,hh
∆
k
(
R
⊥
θ
)∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
p
2
)
≤
C
2
2
j
(
2
p
−
1
2
)
X
(
k,k
0
)
∈
K
j,hh
∆
k
(
R
⊥
θ
)
L
∞
(0
,
∞
;
L
p
)
∆
k
0
θ
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
2
j
(
4
p
−
1)
kR
⊥
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
X
k
≥
j
−
3
2
−
k
(
2
p
+1
−
α
)
2
−
k
(
2
p
+1)
≤
C
2
−
j
(3
−
α
)
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
n
Ü
III
j,
1
∼
III
j,
4
O
,
Œ
sup
2
j
≤
1
2
j
(3
−
α
)
k
III
j
k
L
1
(0
,
∞
;
L
2
)
+sup
2
j
>
1
2
(
2
p
+2
−
α
)
j
k
III
j
k
L
1
(0
,
∞
;
L
p
)
≤
C
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
(3.10)
DOI:10.12677/pm.2021.1181711530
n
Ø
ê
Æ
M
(
Ü
(3.8)
∼
(3.10)
=
(3.7)
¤
á
.
4.
½
n
1.1
y
²
Ú
n
4.1
([26])
(
X,
k·k
X
)
•
Banach
˜
m
.
B
:
X
×
X
→
X
•
V
‚
5
Ž
f
,
…
÷
v
é
?
¿
x
1
,x
2
∈
X
,
•
3
~
ê
η>
0,
¦
k
B
(
x
1
,x
2
)
k
X
≤
η
k
x
1
k
X
k
x
2
k
X
.
X
J
0
<ε<
1
4
η
…
y
∈
X
÷
v
k
y
k
X
≤
ε
,
K
•
§
x
=
y
+
B
(
x,x
)
3
X
¥
•
3
•
˜
)
,
…
÷
v
k
x
k
X
≤
2
ε.
½
n
1.1
y
²
.
½
Â
Banach
˜
m
X
•
X
=
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
(
R
2
))
∩
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
(
R
2
))
,
¿
3
Ù
þ
D
ƒ
‰
ê
k
θ
k
X
:=
k
θ
k
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
+
k
θ
k
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
.
½
Â
B
(
θ,θ
)(
t
) :=
Z
t
0
G
A
(
t
−
τ
)
∇
[
R
⊥
θ
(
τ
)
·
θ
(
τ
)]
dτ.
d
Ú
n
3.1 (2)
Ú
Ú
n
3.2
Œ
•
,
é
?
¿
θ
∈
X
,
•
3
~
ê
C
1
≥
0
,
Œ
B
(
θ,θ
)
X
=
Z
t
0
G
A
(
t
−
τ
)
∇
[
R
⊥
θ
(
τ
)
·
θ
(
τ
)]
dτ
X
≤
C
1
[
R
⊥
θ
(
τ
)
·
θ
(
τ
)]
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
3
−
α,
2
p
+2
−
α
2
,p
)
≤
C
1
k
θ
k
X
k
θ
k
X
.
¿
…
,
d
Ú
n
3.1(1)
q
Œ
•
,
é
?
¿
θ
0
∈
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
,
•
3
~
ê
C
0
>
0
¦
kG
A
(
t
)
θ
0
k
X
≤
C
0
k
θ
0
k
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
.
Ï
d
,
d
Ú
n
4.1
Œ
,
é
?
¿
0
≤
≤
1
4
C
1
±
9
?
¿
÷
v
k
θ
0
k
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
≤
C
0
θ
0
∈
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
,
•
§
(2.1)
3
X
¥
•
3
˜
‡
•
˜
)
θ
∈
˜
L
∞
(0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
)
∩
˜
L
1
(0
,
∞
;
˙
B
2
,
2
p
+1
2
,p
)
…
k
θ
k
X
≤
2
.
d
,
d
I
O
È
—
5
?
Ø
,
Œ
?
˜
Ú
y
²
θ
∈
C
0
,
∞
;
˙
B
2
−
α,
2
p
+1
−
α
2
,p
.
ù
Ò
¤
½
n
1.1
y
²
.
DOI:10.12677/pm.2021.1181711531
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Ø
ê
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