-Δ2u +up +f(x)=0, x∈Rn (*)
本文研究如下的双调和偏微分方程
很多作者研究过齐次双调和方程,得到很多与齐次调和方程类 似或较好的结果,参见文献[1, 11, 14]等. 特别地, Gazzola和 Grunau[11] 得到了超临界半线性齐次双调和方程正径向解的存在性和唯一 性以及这些光滑解在无穷远处收敛于已知奇异解的收敛性. 对于非齐次情形,Dai在文献[6]中得到正解关于非齐次项$f$ 的衰减率和指数$p$的精确的存在性和非存在性. 随后,作者在文献[16]中得到非齐次项$f$关于正解存在性的最 优衰减系数和两种不同衰减正解的存在性. 具体结果可以表述为
定理 1.1[16] 假设$p>n/(n-4)$,$f\in C^{0,\gamma}(R)$且$f\leq C_0/(1+|x|^2)^{2p/(p-1)}$,其中 $0<\gamma\leq 1$, $$C_0=\frac{1}{(p-1)^{(p+1)/(p-1)}}\left[\frac{8(p+1)}{p}\left(n-\frac{2p+2}{p-1}\right) \left(n-\frac{4p}{p-1}\right)\right]^{p/(p-1)}.$$ 则方程$(E)$有解满足下面的估计 $0< u(x)\leq \frac{\theta_3}{(1+|x|^2)^{(q-4)/2}},\ \ \ \ \ \ \ x\in$ $R,$ 其中 $$\theta_1=\left[\frac{8(p+1)}{p(p-1)^2}\left(n-\frac{2p+2}{p-1}\right) \left(n-\frac{4p}{p-1}\right)\right]^{1/(p-1)}.$$
定理 1.2[16] 假设$p>n/(n-4)$,$f\geq 0$. 如果$f$的球面平均$\bar{f}$满足
定理 1.3[6] 假设$n\leq 4$或$n\geq 5$且$1<p\leq n/(n-4)$,则方程$(E)$没有解.
注 1.1 由定理1.1和定理1.2,我们知道,对于方程$(E)$正解的存在性和非存在性, $-4p/(p-1)$是$f$的最大衰减指数,$C_0$是$f$的最优衰减系数.
定理 1.4[16] 假设$p\geq (n+2)/(n-4)$,$f\in C^{0,\gamma}(R)$且$f\leq C_1/(1+|x|^2)^{(n+2)/2}$,其中 $0<\gamma\leq 1$, $$C_1=(p-1)\left[\frac{2n(n-2)(n-4)}{p}\right]^{p/(p-1)}.$$ 则方程$(E)$有解且满足下面的估计 $$0< u(x)\leq \frac{\theta_2}{(1+|x|^2)^{(n-4)/2}},\ \ \ \ \ \ x\in R,$$ 其中$\theta_2=\left[\frac{2n(n-2)(n-4)}{p}\right]^{1/(p-1)}$. 而且,在无穷远处$\bar{u}\sim r^{4-n}$.
注 1.2 定理1.1和1.4保证了方程 $(E)$在无穷远处衰减为$|x|^{-4/(p-1)}$和$|x|^{4-n}$的解的存在性.
对于二阶非齐次椭圆方程,还有更多不同的结果,参看文献[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 17]等. 特别地,Bae和 Ni[3]以及 Bernard[4] 研究了下面的方程
在文献[16]中,作者得到方程$(E)$有在无穷远处衰减为 $|x|^{4/(p-1)}$和$|x|^{4-n}$的两类解. 在本文中, 作者证明在无穷远处衰减为$|x|^{4-q}$正解的存在性. 主要结论为
定理 1.5 假设$p\geq (n+2)/(n-4)$,$f\in C^{0,\gamma}(R)$,$f\leq C_2/(1+|x|^2)^{q/2}$且$4+\frac{4}{p-1}<q<n$, 其中$0<\gamma\leq 1$, $$C_2=(p-1)\left[\frac{(q-4)(q-2)(n-q+2)(n-q)}{p}\right]^{p/(p-1)}.$$ 则方程$(E)$有正解满足下面的估计 $$0< u(x)\leq \frac{\theta_3}{(1+|x|^2)^{(q-4)/2}},\ \ \ \ \ \ \ x\in R$$ , 其中$\theta_3=\left[\frac{(q-4)(q-2)(n-q+2)(n-q)}{p}\right]^{1/(p-1)}$. 注 1.3 假设$p$和$f$条件同定理1.5, 而且对充分小的$C>0$,在无穷远处$f(x)\geq C/|x|^{q}$, 则方程$(E)$有在无穷远处衰减为$|x|^{4-q}$的解 (参见推论3.1).
一般双调和方程处理起来比较复杂. 在本文中,我们化方程$(E)$ 为二阶椭圆方程组,运用上下解方法和极值原理得到解的存在性和估计.
本文结构如下:在第二部分,作者给出一些预备知识和方程$(E)$的一些估计. 在第三部分,作者证明定理1.5.
在这一部分,我们介绍方程组的上下解方法,给出方程$(E)$解的一些估计.
考虑下面的二阶椭圆方程组
定理1.5的证明要用到下面的引理,它是文献[15]中定理1.1的特殊情况.
引理 2.1 假设$(\tilde{w},\ \tilde{\upsilon})$和$(\underline{w},\ \underline{\upsilon})$是方程组(2.1)的上解和下解, 分别满足$\tilde{w}\geq \underline{w}$和 $\tilde{\upsilon}\geq\underline{\upsilon}$. 则, 方程组存在解$(w,\ \upsilon)$满足 $\underline{w}\leq w\leq\tilde{w}\ \mbox{和}\ \underline{\upsilon}\leq \upsilon\leq\tilde{\upsilon}.$
下面的强极大值原理是方程组的强极大值原理的直接推论.
引理 2.2 (强极大值原理)\quad 假设$(u,v)$是方程组(2.1)的一对非负解,则$u>0$且$v>0$.
引理 2.3 如果$u$是方程$(E)$的解,则 $$u(x)\geq\frac{1}{(n-2)^2(n-4)\omega_n}\int_{R}\frac{f(y)}{|x-y|^{n-4}}{\rm d}y,$$ 其中 $\omega_n$是$R$上单位求的表面积.
引理2.3是文献[16]中注3.1的直接结果.
记 $$ N(x)= \frac{1}{(n-2)^2(n-4)\omega_n}\int_{R}\frac{f(y)}{|x-y|^{n-4}}{\rm d}y,$$ 则下面的估计成立.
引理 2.4 假设在无穷远处$f(x)\geq C|x|^{-q}$,其中$C>0$,$q>4$. 则对充分大的$|x|$,
证明类似于文献[13]中引理2.6的证明,我们省略其证明.
在这一部分,作者证明定理1.5,从而得到在无穷远处衰减至少是 $|x|^{4-q}$的解的存在性. 在本定理中,对非齐次项给出明确的 条件限制它的衰减,从而保证解的存在性. 由于用上下解方法得到的解,故方程的解不大于上解. 最后, 作者给出一个推论得到解在无穷远处的确切衰减.
证明定理 1.5 记 $w(r)=\frac{\xi}{(1+r^2)^{\alpha}},\ r\geq 0,$ 其中$\xi>0$和$\alpha>0$将在后面给出. 由文献[4]中定理7的证明,
我们想选择$\alpha>0$和$\xi>0$使得对某个常数$C>0$和指数$\theta>0$,有 $$ Sw\leq \frac{-C}{(1+r^2)^\theta}.$$ 因此,必需有$\alpha p\geq \beta +1=\alpha+2$. 即 $$\alpha \geq \frac{2}{p-1}.$$ 在上面$\alpha$的限制下, $$Sw\leq \frac{-2\beta \zeta n[1-2(\beta+1)/n]+\xi^p}{(1+r^2)^{\alpha+2}}.$$ 即
注 3.1 假设$p$和$f$条件同定理1.5. 如果$f$是径向对称的,由定理1.5的证明, 方程$(E)$存在在无穷远处衰减为$r^{4-q}$的径向对称解.
因此,我们有下面的推论.
推论3.1 假设$p$和$f$条件同定理1.5. 如果 $N(x)\leq C_2/(1+|x|^2)^{(q-4)/2}$,则定理1.5中得到的解满足
证 不等式(3.3)由引理2.3和定理1.5可直接得到. 由(2.2)式和$f$的假设,我们推断对某些常数$0<C_4\leq C_2$,在无穷远处 $$N(x)\geq \frac{C_4}{|x|^{4-q}}.$$ 所以,方程$(E)$的解在无穷远处的衰减为$|x|^{4-q}$.