数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (2): 282-287   PDF (206 KB)    
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杨芬
全空间上一类半线性双调和方程正解的衰减
杨芬    
武汉科技大学理学院 武汉 430065
摘要:研究如下非齐次双调和方程

2u +up +f(x)=0, x∈Rn            (*)

正解的存在性,其中Δ2是双调和算子, $p>1$, $ n\geq 5$, $ f\not \equiv 0$. 在文献[16]的基础上, 得到: 对$f$给定条件, 方程$(*)$有一类不同于文献[16]的两种衰减的正解
关键词非齐次双调和方程     正解     衰减    
Decay Rate of Solutions to An Inhomogenerous Semilinear Biharmonic Equation in Entire Space
Yang Fen    
College of Science, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065
Abstract: In this paper, we consider the existence of the positive solutions for the inhomogeneous biharmonic equation
2u +up +f(x)=0, x∈Rn (*)
where Δ2 is the biharmonic operator, p>1, n≥5, and f???282???0 is a given nonnegative function. Based on [16], the existence of solutions with the third decay rate at infinity are established under the assumptions on f.
Key words: Inhomogeneous biharmonic equation     Positive solution     Decay rate    
1 引言

本文研究如下的双调和偏微分方程

$$ \left\{ \begin{array}{ll} -\Delta^2 u +u^p +f(x)=0,\ \ \ u> 0,\ \ \ \ x\in R,\\ \lim_{|x|\rightarrow \infty }u(x)= \lim_{|x|\rightarrow \infty }\Delta u(x)=0, \end{array} \right. $$ (E)
其中$\Delta^2$是双调和算子,$p>1$,$n\geq 5$,$f\geq 0$且$f\not\equiv 0$.

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

$$\liminf\limits_{|x|\rightarrow \infty }|x|^{4p/(p-1)}\bar{f}>C_0,$$ (1.1)
则方程$(E)$ 没有正解.

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

$$ \left\{ \begin{array} [c]{ll} \Delta u +u^p +f(x)=0,\ \ \ \ \ \ x\in R,\\ u>0. \end{array} \right. $$ (HE)
Bernard 得到了关于非齐次项$f$正解存在的充分和必要条件. 在此基础上,他还得到了在无穷远处两种不同衰减正解的存在性. 此后,Bae和 Ni 研究了方程$(HE)$,得到了在无穷远处衰减为$r^{-\frac{2}{p-1}}$ 的无穷多正解的存在性. 事实上, 假设在无穷远处 $f(x)=O(|x|^{-q})$,则方程$(HE)$在无穷远处有 四种不同衰减: $u(r)\sim r^{-\frac{2}{p-1}}$; $u(r)\sim r^{2-n}$, $q>n$; $u(r)\sim r^{2-q}$,$2+\frac{2}{p-1}<q<n$; $u(r)\sim r^{2-n}\log r$,$q=n$. 具体结果可以参见文献[2].

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.

2 预备知识

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

$$ \left\{ \begin{array} {ll}-\Delta u=v,& x\in R,\\ -\Delta v =u^p+f,& x\in R,\\ \lim_{|x|\rightarrow\infty}u(x)=\lim_{|x|\rightarrow\infty}v(x)=0, \end{array} \right. $$ (2.1)
它等价于如下的双调和方程 $$ \left\{ \begin{array} {ll} -\Delta^2 u +u^p +f(x)=0,\ \ \ \ \ \ x\in R,\\ \lim_{|x|\rightarrow \infty }u(x)= \lim_{|x|\rightarrow \infty }\Delta u(x)=0. \end{array} \right. $$ 如果 $$\left\{ \begin{array} {ll}-\Delta w\geq \upsilon,&x\in R,\\ -\Delta \upsilon \geq w^p+f,& x\in R,\\ \lim_{|x|\rightarrow \infty}w\geq 0\ \mbox{且}\ \lim_{|x|\rightarrow \infty} \upsilon \geq 0, \end{array} \right. $$ 则称$(w,\ \upsilon)$ 是方程组(2.1)的上解. 类似地,将上面的不等式符号反向即可定义下解.

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$|x|$,

$$N(x) \geq \left\{ \begin{array} {ll}C|x|^{4-n},& q>n,\\ C|x|^{4-n}\log{|x|},\ \ & q=n,\\ C|x|^{4-q},&4<q<n. \end{array} \right. $$ (2.2)

证明类似于文献[13]中引理2.6的证明,我们省略其证明.

3 证明定理 1.5

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,

$$\Delta w(r)\leq \frac{-2\alpha \xi n[1-2(\alpha+1)/n]}{(1+r^2)^{\alpha+1}}.$$ (3.1)
再记 $$W(r)=\frac{-2\alpha \xi n[1-2(\alpha+1)/n]}{(1+r^2)^{\alpha+1}},$$ 为了让$W(r)\leq 0$,必需$1-2(\alpha+1)/n\geq 0$. 由(3.1)式,我们得到 $$-\Delta W(r)=\Delta(-W(r))\leq \frac{-2\beta \zeta n[1-2(\beta+1)/n]}{(1+r^2)^{\beta+1}},$$ 其中$\zeta=2\alpha \xi n[1-2(\alpha+1)/n]$,$\beta=\alpha+1$. 令 $Sw=-\Delta^2w+w^p.$

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

$$ Sw\leq \frac{-4 n^2\alpha(\alpha+1) \xi[1-2(\alpha+1)/n] [1-2(\alpha+2)/n]+\xi^p}{(1+r^2)^{\alpha+2}}.$$ (3.2)
因此,我们需要 $1-2(\alpha+2)/n>0$. 即 $$\alpha<\frac{n-4}{2}.$$ 所以,$\alpha$ 必须满足不等式 $$\frac{2}{p-1}\leq \alpha <\frac{n-4}{2}.$$ 既然 $$p>\frac{n}{n-4}\Leftrightarrow \frac{2}{p-1}<\frac{n-4}{2},$$ 上面的不等式可以成立. 如$\xi$充分小,(3.2)式右端将是负的. 当 $$\xi=\{4\alpha(\alpha+1)[n-2(\alpha+1)] [n-2(\alpha+2)]/p\}^{1/(p-1)}$$时,(3.2)式右端取最小值. 从而 $$Sw\leq\frac{-C}{(1+r^2)^{\alpha+2}},$$ 其中 $$ C=(p-1)\{4\alpha(\alpha+1)[n-2(\alpha+1)][n-2(\alpha+2)]/p\}^{p/(p-1)}.$$ 既然$4+\frac{4}{p-1}<q<n$,选取$\alpha=(q-4)/2$,如果 $$0<f(x)\leq \frac{C}{(1+|x|^2)^{q/2}},$$ 我们可以得到 $$Sw+f\leq 0,$$ 其中 $$ C=(p-1)[(q-4)(q-2)(n-q+2)(n-q)/p]^{p/(p-1)}.$$ 因此,$(w,\ -W)$是方程组(2.1)的上解. 而且$(0,\ 0)$是方程组(2.1)的下解. 既然$0\leq w$且$0\leq -W$,由上下解方法, 存在方程组(2.1)的解$(u,\ v)$使得 $$0\leq u(x)\leq w(|x|)\ \mbox{和} \ 0\leq v(x)\leq -W(|x|),\ \ \ \ \ \ x\in R.$$ 再由强极值原理(引理 2.2),我们得到$u>0$且 $v>0$. 即,$u$ 是方程$(E)$的正解.

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

$$N(x)\leq u(x)\leq C_2/(1+|x|^2)^{(q-4)/2}.$$ (3.3)
而且,如果对充分小的$C_3>0$,在无穷远处 $f(x)\geq C_3/|x|^{q}$, 则解在无穷远处衰减为$|x|^{4-q}$.

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$|x|^{4-q}$.

参考文献
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