Dissipation Through Combinations of Nonlocal and Gradient Nonlinearities in Chemotaxis Models

Abstract This work concerns with a class of chemotaxis models in which external sources, comprising nonlocal and gradient-dependent damping reactions, influence the motion of a cell density attracted by a chemical signal. The mechanism of the two densities is studied in bounded and impenetrable regions. In particular, it is seen that no gathering effect for the cells can appear in time provided that the damping impacts are sufficiently strong. Mathematically, we study this problem $$ \textstyle\begin{cases} u_{t}=\nabla \cdot \left ((u+1)^{m_{1}-1}\nabla u -\chi u(u+1)^{m_{2}-1} \nabla v\right )+ B(u,\nabla u)&amp;{\mathrm{in}}\ \Omega \times \{t&gt;0\} , \\ \tau v_{t}=\Delta v-v+f(u) &amp;{\mathrm{in}}\ \Omega \times \{t&gt;0\}, \\ u_{\nu }=v_{\nu }=0 &amp;{\mathrm{on}}\ \partial \Omega \times \{t&gt;0\}, \\ u(x, 0)=u_{0}(x), \tau v(x,0)= \tau v_{0}(x) &amp;x \in \bar{\Omega }, \end{cases} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>∇</mml:mi> <mml:mo>⋅</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>∇</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mi>χ</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:msub> <mml:mi>m</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>∇</mml:mi> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>∇</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mi>in</mml:mi> <mml:mspace/> <mml:mi>Ω</mml:mi> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>}</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mtd> </mml:mtr> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mi>t</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mo>−</mml:mo> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>f</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mi>in</mml:mi> <mml:mspace/> <mml:mi>Ω</mml:mi> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>}</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mtd> </mml:mtr> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mi>on</mml:mi> <mml:mspace/> <mml:mi>∂</mml:mi> <mml:mi>Ω</mml:mi> <mml:mo>×</mml:mo> <mml:mo>{</mml:mo> <mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>&gt;</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>}</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mtd> </mml:mtr> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:msub> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>τ</mml:mi> <mml:msub> <mml:mi>v</mml:mi> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:msub> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mover> <mml:mi>Ω</mml:mi> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mover> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> for $$ B(u,\nabla u)=B \textrm{ being either \; } au^{\alpha }-b u^{\beta }-c \int _{\Omega }u^{\delta }, \textrm{ or \; } au^{\alpha }-b u^{\alpha }\int _{\Omega }u^{\beta }-c|\nabla u|^{\delta }, $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> <mml:mi>∇</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>B</mml:mi> <mml:mtext> being either </mml:mtext> <mml:mi>a</mml:mi> <mml:msup>