考虑下列含临界指数椭圆方程
其中N≥3,λ>0,p=2N/(N−2+2(b−a))是临界Caffarelli-Kohn-Nirenberg指数, 0≤a<(N−2)/2,a≤b<a+1,0≤μ<μ1=((N−2(a+1))/2)2. H1a(RN)表示C∞0(RN) 的完备化空间,它的范数是
在方程(1.1)中,设(H1a(RN))′表示H1a(RN)的对偶空间. g(x)∈(H1a(RN))′∖{0} 是RN 上的一个连续的函数. f(x)是RN上的有界函数,满足条件
近来,关于含临界指数椭圆方程解的存在性得到了广泛的研究,当a=b=0,μ=0时, Tarantello在文献[1]中证明了,当
方程(1.1)存在两个正解. 曹在文献[2]中应用山路引理研究了方程
解的存在性. 王在文献[3]中研究了方程(1.1)中a=0的情况. 相似的方法可见文献[4, 5, 6, 8, 9]. 文献[10, 11, 12, 13, 15]利用Nehari流形的方法得到了椭圆方程的多解性. 本文应用Nehari 流形和变分方法,在一定条件下,方程(1.1) 存在两个非平凡解.
设空间E表示C∞0(RN)的完备化空间,它的范数是
由Caffarelli-Kohn-Nirenberg不等式
及Hardy 不等式
知道范数‖⋅‖1与‖⋅‖等价.
对于u∈E,u≠0, 设
记
则有
S的达到函数
其中γ=√μ1−√μ1−μ,β1=(N−2(1+a−b))/4(1+a−b), 且vε(x)是下列方程的唯一正解
因此有
详见文献[7].
下面给出弱解的定义.
定义1.1 u∈E是方程(1.1)的一个弱解是指任意ϕ∈E满足
下面给出本文的主要结果.
定理1.2 假设条件(A)满足,0<λ<C1, 则方程(1.1)至少存在一个非平凡解. 其中 C1的定义将在下文中引理2.3 中给出.
定理1.3 假设条件(A)满足,则存在Λ>0, 当0<λ<Λ<C1, 方程(1.1)至少存在两个非平凡解.
定义能量泛函
其中
考虑Nehari流形
因此u∈Nλ当且仅当
我们有下列结论.
引理2.1 在Nλ里,J(u)是强制的、有下界的.
证 对于u∈Nλ,
设‖g‖E′表示g(x)在E的对偶空间的范数,于是
因此
于是J(u)是强制的、有下界的.
定义
对于u∈Nλ,
把Nλ分成三个部分
于是,我们有下列结论.
引理2.2 假设u0是J在Nλ里的一个极小值点,且u0∉N0λ,则J′(u0)=0,即 u0是J(u)的一个临界点.
证 此证明类似于文献[13],这里略去证明.
引理2.3 假设
则N0λ=∅.
证 假设当0<λ<C1,N0λ∉∅, 于是对于u∈N0λ, 由(1.2)式得到
由(2.1),(2.3)和(2.4)式得到
矛盾,因此,结论成立.
由引理2.3,Nλ=N+λ∪N−λ, 由引理2.1,我们可以定义
引理2.4 假设0<λ<C1, 则ξ≤ξ+<0; 假设0<λ<12C1, 则 存在C0=C0(p,S,λ,‖f‖∞,‖g‖E′)>0, 使得ξ−>C0.
证 设u∈N+λ,由(2.3)式
于是ξ≤ξ+<0.
(2)~ 设u∈N−λ,由(2.1),(2.3)和(2.4)式得到A(u)>0,且
于是
由(2.2)式
因此,当0<λ<12C1时,
证毕.
对于每个u∈E,且A(u)>0, 记
引理2.5 对于u∈E,0<λ<C1, 且A(u)>0, 有下列结论
(1) 假如K(u)≤0,则存在唯一的t1>t0使得(t1u)∈N−λ, 且
(2) 假如K(u)>0,则存在唯一的0<t2<t0<t1使得t1u∈N−λ,t2u∈N+λ, 且
证 设u∈E,且A(u)>0,
设
显然h(0)=0,t→+∞,h(t)→−∞,
令h′(t)=0, 得到t=t0, 当t∈[0,t0),h′(t)>0, 当t∈[t0,∞),h′(t)<0, 因此h(t)在t=t0达到最大值,由(2.4)式
(1) 假如K(u)≤0, 则存在唯一的t1>t0使得h(t1)=K(u), 且h′(t1)<0,由(2.3)式得到
且
于是t1u∈N−λ. 又h(t0)=t0‖u‖2−tp−10A(u),
当t∈[0,t1),ddtJ(tu)>0; 当t∈(t1,+∞),ddtJ(tu)<0,因此
(2) 假如K(u)>0,0<λ<C1, 由(2.1)和(2.5)式得到
因此存在唯一的t2和t1,当0<t2<t0<t1时,h(t2)=h(t1)=K(u), 且h′(t2)>0>h′(t1). 于是t1u∈N−λ,t2u∈N+λ,当t2<t<t1,J(t2u)≤J(tu)≤J(t1u), 当0<t<t2,J(t2u)≤J(tu), 于是
定义3.1 序列{un}⊂E叫做一个(PS)c列, 假如存在c∈R有
引理3.2 假设条件(A)满足,0<λ<C1, 则泛函J(u)存在一个(PS)ξ列{un}⊂Nλ; 假设条件(A)满足,0<λ<(q/2)C1, 则泛函J(u)存在一个(PS)ξ−列{un}⊂N−λ.
证 此证明类似于文献[15],这里略去证明.
引理3.3 假设条件(A)满足,0<λ<C1, 则泛函J(u)有一个极小值点u+0∈N+λ, 且满足
(1) J(u+0)=ξ=ξ+<0.
(2) u+0是方程(1.1)的一个非平凡解.
证 由引理3.2知道,泛函J(u)存在一个(PS)ξ列{un}⊂Nλ 使得
由引理2.1,在Nλ里面,J(u)是强制的,在E里,因此{un}是有界的, 由紧嵌入定理,存在一个子列(不妨仍记作{un})以及u+0∈E, 且在E里及在Lp(RN,|x|−bp)里, un⇀u+0,在RN里,un→u+0 a.e., 于是由(2.1)式得到当n→∞,K(un)→K(u+0), 于是, u+0是方程(1.1)的一个解. 此外由于{un}⊂Nλ,于是
让n→∞,由引理2.4,ξ<0,
于是K(u+0)>0,u+0是方程(1.1)的一个非平凡解.
现在我们证明: 在E里un→u+0且J(u+0)=ξ. 注意到{un}⊂Nλ,由Fatou引理有
因此J(u+0)=ξ,limn→∞‖un‖2=‖u+0‖2. 设vn=un−u+0,于是vn⇀0. 由Brezis-lemma 引理(参见文献[5])推出
因此un→u+0,此外u+0∈N+λ. 如果u+0∈N−λ, 由(2.3)(2.4)式得到A(u+0)>0,由引理2.5,存在唯一的t2和t1 使得t1u+0∈N−λ,t2u+0∈N+λ, 且t2<t1=1. 由于当t∈(t2,t1),ddtJ(tu+0)>0, 于是存在τ∈(t2,t1)使得
矛盾,因此un→u+0且J(u+0)=ξ, 由引理2.2, 知道u+0是方程(1.1)的一个非平凡解. 证毕.
由引理3.3,完成定理1.2的证明.
引理4.1 对于c∈R,若序列{un}⊂E是 泛函J的一个(PS)c列,且{un}⇀u∈E,则J′(u)=0, 并且存在常数C2=C2(p)>0 使得J(u)≥−C2λ2‖g‖E′.
证 对于c∈R,若序列{un}⊂E是泛函J 的一个(PS)c 列,且{un}⇀u∈E,容易看出J′(u)=0,⟨J′(u),u⟩=0,u∈N,由(2.2)式及Young表达式得到
其中正常数C2=C2(p).
引理4.2 对于c∈R,若序列{un}⊂E是泛函J的一个(PS)c列,则在E里,{un}有界.
证 由(PS)c列的定义,存在c∈R,有
由(2.1)式
当n→∞,‖un‖→∞,则由上式得出矛盾, 故{un}有界.
引理4.3 对于c∈R,若序列{un}⊂E是泛函J的一个(PS)c列,则当
时,un(x)→u(x).
由引理4.2,在E里,{un}有界,则在E里存在弱收敛的子列, 不妨仍记为{un},存在u(x)∈E,在E里及在Lp(RN,|x|−bp)里,un⇀u. 在RN里, un→u~a.e.,⟨J′(u),ϕ⟩=0,u 是方程(1.1)的一个解,J′(u)=0,且K(un)→K(u).
设vn=un−u,于是vn⇀0. 由Brezis-lemma引理(文献[5])推出
由条件(A)假设
由(1.2)式l≤f0lp/2S−p/2,l=0,或者l≥(Sp/2f−10)2/(p−2). 若l≥(Sp/2f−10)2/(p−2),
让n→∞,由引理4.1知道
矛盾,故结论成立.
引理4.4 若条件(A)满足,则存在u∈E∖{0}以及Λ>0, 当0<λ2‖g‖E′<Λ时
特别有ξ−<c∗.
证 考虑下列函数
则存在ε0>0使得
这是因为,若g(x)≥0或g(x)≤0,(4.1)式显然成立. 若∃x0∈RN,g(x0)≥0,则由g(x)的连续性, ∃r>0,使得g(x)>0,x∈Br(x0),由vε(x−x0)的定义,(4.1)式显然成立.
考虑下列函
由limt→+∞H(t)=−∞,limt→0+H(t)>0, 当t≥0, supH(t) 在某个tε>0达到,由H′(t)=0得到
由S的定义
取λ足够小,存在Λ,当0<λ<Λ,
由G(t)的连续性,存在t1>0, 当0<t<t1,
由(4.2)式
取λ足够小,使得
容易看出A(ρε)>0, 由引理2.4及上式,当0<λ<Λ<C1, 存在τ0>0使得τ0ρε∈N−λ, 且ξ−≤J(τ0ρε)≤supτ≥0J(τρε)<c∗.
引理4.5 若条件(A)满足,则存在u∈E∖{0}以及Λ>0, 当0<λ2‖g‖E′<Λ时, 则泛函J(u)有一个极小值点u−0∈N−, 且满足
(1)~ J(u−0)=ξ−.
(2)~ u−0是方程(1.1)的一个正解.
证 由引理3.2知道,当0<λ<Λ<C1, 泛函J(u)存在一个(PS)ξ−列{un}⊂N−,由引理4.3, 引理4.4和引理2.4,存在u−0∈N−λ,J(u−0)=ξ−>0, 与引理3.3同样讨论知道,u−0是方程(1.1)的一个非平凡解.
定理1.3 的证明 由引理3.3及引理4.5,存在Λ>0, 当0<λ2‖g‖E′<Λ时,u+0∈N+λ,u−0∈N−λ是方程(1.1)的两个非平凡解, 且N+λ∩N−λ=∅, 说明u+0和u−0不同. 证毕.