Approaching Critical Decay in a Strongly Degenerate Parabolic Equation

<jats:title>Abstract</jats:title><jats:p>The Cauchy problem in <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$${\mathbb {R}}^n$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>, <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$n\ge 1$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>, for the parabolic equation <jats:disp-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\begin{aligned} u_t=u^p \Delta u \qquad \qquad (\star ) \end{aligned}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:msup> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mspace /> <mml:mspace /> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>⋆</mml:mo> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:disp-formula>is considered in the strongly degenerate regime <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$p\ge 1$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>. The focus is firstly on the case of positive continuous and bounded initial data, in which it is known that a minimal positive classical solution exists, and that this solution satisfies <jats:disp-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\begin{aligned} t^\frac{1}{p}\Vert u(\cdot ,t)\Vert _{L^\infty ({\mathbb {R}}^n)} \rightarrow \infty \quad \hbox {as } t\rightarrow \infty . \end{aligned}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mfrac> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mfrac> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>·</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> <mml:mspace /> <mml:mtext>as</mml:mtext> <mml:mspace /> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> <mml:mo>.</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:disp-formula>The first result of this study complements this by asserting that given any positive <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$f\in C^0([0,\infty ))$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>C</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> fulfilling <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$f(t)\rightarrow +\infty $$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> as <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$t\rightarrow \infty $$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> one can find a positive nondecreasing function <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\phi \in C^0([0,\infty ))$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>C</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>[</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> such that whenever <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$u_0\in C^0({\mathbb {R}}^n)$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>C</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> is radially symmetric with <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$0&lt; u_0 &lt; \phi (|\cdot |)$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mi>ϕ</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>·</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>, the corresponding minimal solution <jats:italic>u</jats:italic> satisfies <jats:disp-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\begin{aligned} \frac{t^\frac{1}{p}\Vert u(\cdot ,t)\Vert _{L^\infty ({\mathbb {R}}^n)}}{f(t)} \rightarrow 0 \quad \hbox {as } t\rightarrow \infty . \end{aligned}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mfrac> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mfrac> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mfrac> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>·</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mfrac> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mspace /> <mml:mtext>as</mml:mtext> <mml:mspace /> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> <mml:mo>.</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:disp-formula>Secondly, (<jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\star $$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>) is considered along with initial conditions involving nonnegative but not necessarily strictly positive bounded and continuous initial data <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$u_0$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>. It is shown that if the connected components of <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\{u_0&gt;0\}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>}</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> comply with a condition reflecting some uniform boundedness property, then a corresponding uniquely determined continuous weak solution to (<jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\star $$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mo>⋆</mml:mo> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>) satisfies <jats:disp-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\begin{aligned} 0&lt; \liminf _{t\rightarrow \infty } \Big \{ t^\frac{1}{p} \Vert u(\cdot ,t)\Vert _{L^\infty ({\mathbb {R}}^n)} \Big \} \le \limsup _{t\rightarrow \infty } \Big \{ t^\frac{1}{p} \Vert u(\cdot ,t)\Vert _{L^\infty ({\mathbb {R}}^n)} \Big \} &lt;\infty . \end{aligned}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:munder> <mml:mo>lim inf</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:mrow> </mml:munder> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mfrac> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mfrac> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>·</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>≤</mml:mo> <mml:munder> <mml:mo>lim sup</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:mrow> </mml:munder> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mfrac> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mi>p</mml:mi> </mml:mfrac> </mml:msup> <mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mo>·</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>‖</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mi>∞</mml:mi> </mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>n</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>&lt;</mml:mo> <mml:mi>∞</mml:mi> <mml:mo>.</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:disp-formula>Under a somewhat complementary hypothesis, particularly fulfilled if <jats:inline-formula><jats:alternatives><jats:tex-math>$$\{u_0&gt;0\}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>}</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> contains components with arbitrarily small principal eigenvalues of the associated Dirichlet Laplacian, it is finally seen that (0.1) continues to hold also for such not everywhere positive weak solutions.</jats:p>