数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (5): 884-894   PDF (271 KB)    
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樊自安
包含Caffarelli-Kohn-Nirenberg临界指数的非齐次椭圆方程
樊自安     
湖北工程学院数学与统计学院 湖北孝感 432000
摘要: 该文讨论了一类包含Caffarelli-Kohn-Nirenberg临界指数的非齐次椭圆方程解的存在性.应用Nehari流形和变分方法,得到了方程存在两个非平凡解.
关键词: Caffarelli-Kohn-Nirenberg临界指数     非齐次椭圆方程     Nehari流形     非平凡解    
On Nonhomogeneous Elliptic Equations Involving Caffarelli-Kohn-Nirenberg Critical Exponent
Fan Zi-an    
Department of Mathematics, Hubei Engineering University, Hubei Xiaogan 432000
Abstract: This paper discusses one nonhomogeneous elliptic equations involving Caffarelli-Kohn-Nirenberg critical exponent. By Nehari manifold and Variational methods, we prove that the equation has at least two nontrivial solutions.
Key words: Caffarelli-Kohn-Nirenberg critical exponent     Nonhomogeneous elliptic equations     Nehari manifold     Nontrivial    
1 引言

考虑下列含临界指数椭圆方程

{div(|x|2au)μ|x|2(a+1)u=f(x)|x|bp|u|p2u+λg(x), xRN/{0},uH1a(RN),
(1.1)

其中N3,λ>0,p=2N/(N2+2(ba))是临界Caffarelli-Kohn-Nirenberg指数, 0a<(N2)/2,ab<a+1,0μ<μ1=((N2(a+1))/2)2. H1a(RN)表示C0(RN) 的完备化空间,它的范数是

u1=(RN|x|2a|u|2dx)1/2,

在方程(1.1)中,设(H1a(RN))表示H1a(RN)的对偶空间. g(x)(H1a(RN)){0}RN 上的一个连续的函数. f(x)RN上的有界函数,满足条件

(A) fL(RN),lim|x|0f(x)=lim|x|f(x)=f0>0,f(x)f0,a.e.xRN.

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

Ωλgudx<4N2(N2N+2)(N+2)/4(u2)(N+2)/2,

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

{div(|u|p2u)=|u|p2u+λh(x), xRN,uD1a(RN)

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C0(RN)的完备化空间,它的范数是

u=(RN(|x|2a|u|2 - μ|x|2(a+1)u2)dx)1/2.

由Caffarelli-Kohn-Nirenberg不等式

(RN|x|bp|u|pdx)1/pC(a,b)(RN|x|2a|u|2dx)1/2

及Hardy 不等式

RN|x|2(a+1)u2dxμ11RN|x|2a|u|2dx

知道范数1等价.

对于uE,u0,

S=infRN(|x|2a|u|2dxμ|x|2(a+1)u2)dx(RN|x|bp|u|pdx)2/p,

ub,p=(RN|x|bp|u|pdx)1/p,

则有

upb,pupSp/2. (1.2)

S的达到函数

vε(x)=(2p(μ1μ)ε2)β1|x|γ(ε2+|x|μ1μ/β1)2β1,

其中γ=μ1μ1μ,β1=(N2(1+ab))/4(1+ab),vε(x)是下列方程的唯一正解

div(|x|2au)μ|x|2(a+1)u=|x|bp|u|p2u,uE.

因此有

vε2=vεpb,p=Sp/(p2),

详见文献[7].

下面给出弱解的定义.

定义1.1   uE是方程(1.1)的一个弱解是指任意ϕE满足

RN(|x|2auϕμ|x|2(a+1)uϕ)dx=RN(f(x)|x|bp|u|p2uϕ+λg(x)ϕ)dx.

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>0,0<λ<Λ<C1, 方程(1.1)至少存在两个非平凡解.

2 几个引理

定义能量泛函

J(u)=12u21pRNf(x)|x|bp|u|pdxλRNg(x)udx          =12u21pA(u)K(u),

其中

A(u)=RNf(x)|x|bp|u|pdx, K(u)=λRNg(x)udx.

考虑Nehari流形

Nλ={uE{(0,0)}|J(u),u=0},

因此uNλ当且仅当

J(u),u=u2A(u)K(u)=0.

我们有下列结论.

引理2.1   在Nλ里,J(u)是强制的、有下界的.

  对于uNλ,

J(u)=12u21pA(u)K(u)=12u21p(u2K(u))K(u)=(121p)u2(11p)K(u).

gE表示g(x)E的对偶空间的范数,于是

K(u)=λRNg(x)udxλgEu, (2.1)

因此

J(u)(121p)u2(11p)λgEu. (2.2)

于是J(u)是强制的、有下界的.

定义

M(u)=J(u),u.

对于uNλ,

M(u),u=2u2pA(u)K(u)               =(2p)A(u)+K(u)               =u2(p1)A(u)              =(2p)u2+(p1)K(u). (2.3)

Nλ分成三个部分

N+λ={uNλ|M(u),u>0},N0λ={uNλ|M(u),u=0},Nλ={uNλ|M(u),u<0}.

于是,我们有下列结论.

引理2.2   假设u0JNλ里的一个极小值点,且u0N0λ,则J(u0)=0,即 u0J(u)的一个临界点.

   此证明类似于文献[13],这里略去证明.

引理2.3   假设

0<λ<C1=(Sp/2(p1)f)1p2p2gE(p1),

N0λ=.

  假设当0<λ<C1,N0λ, 于是对于uN0λ, 由(1.2)式得到

A(u)=RNf(x)|x|bp|u|pdxfupSp/2, (2.4)

由(2.1),(2.3)和(2.4)式得到

(Sp/2(p1)f)1p2up1p2λgE.

因此

λC1=(Sp/2(p1)f)1p2p2gE(p1),

矛盾,因此,结论成立.

由引理2.3,Nλ=N+λNλ, 由引理2.1,我们可以定义

ξ=infuNλJ(u), ξ+=infuN+λJ(u), ξ=infuNλJ(u).

引理2.4   假设0<λ<C1,ξξ+<0; 假设0<λ<12C1, 则 存在C0=C0(p,S,λ,f,gE)>0, 使得ξ>C0.

uN+λ,由(2.3)式

A(u)<1p1u2,

因此

J(u)=(121)u2+(11p)A(u)        <[(121)+(11p)1p1]u2<0,

于是ξξ+<0.

(2)~ 设uNλ,由(2.1),(2.3)和(2.4)式得到A(u)>0,且

1p1u2<A(u)fupSp/2,

于是

u>(Sp/2(p1)f)1p2.

由(2.2)式

J(u)(121p)u2(11p)λgEu       =u[(121p)uλ(11p)gE]    >(Sp/2(p1)f)1p2[(121p)(Sp/2(p1)f)1p2λ(11p)gE].

因此,当0<λ<12C1时,

J(u)>C0=C0=C0(p,S,λ,f,gE)>0,ξ>C0.

证毕.

对于每个uE,且A(u)>0,

t0=(u2(p1)A(u))1p2>0,

引理2.5   对于uE,0<λ<C1,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)Nλ,

J(t1u)=supt0J(tu).

(2) 假如K(u)>0,则存在唯一的0<t2<t0<t1使得t1uNλ,t2uN+λ,

J(t2u)=inf0tt0J(tu), J(t1u)=supt0J(tu).

  设uE,且A(u)>0,

J(tu),tu=t2u2tpA(u)tK(u)               =t[tu2tp1A(u)K(u)].

h(t)=tu2tp1A(u),t0.

显然h(0)=0,t+,h(t),

h(t)=u2(p1)tp2A(u).

h(t)=0, 得到t=t0,t[0,t0),h(t)>0,t[t0,),h(t)<0, 因此h(t)t=t0达到最大值,由(2.4)式

h(t0)=t0u2tp10A(u)          =u[(1p1)1p2(1p1)p1p2](upA(u))1p2         u(p2p1)(Sp/2(p1)f)1p2. (2.5)

(1) 假如K(u)0, 则存在唯一的t1>t0使得h(t1)=K(u),h(t1)<0,由(2.3)式得到

J(t1u),(t1u)=tq1[h(t1)K(u)]=0,M(u),u)=2u2pA(u)K(u),

M(t1u),(t1u)=2t21u2ptp1A(u)t1K(u)                      =t21u2(p1)tp1A(u)                      =t21[u2(p1)tp21A(u)]                      =t21h(t1)<0.

于是t1uNλ.h(t0)=t0u2tp10A(u),

ddtJ(t1u)=t1u2tp11A(u)K(u)=h(t1)K(u)=0.

t[0,t1),ddtJ(tu)>0;t(t1,+),ddtJ(tu)<0,因此

J(t1u)=supt0J(tu).

(2) 假如K(u)>0,0<λ<C1, 由(2.1)和(2.5)式得到

h(0)=0<K(u)λgEu       (p2p1)(Sp/2(p1)f)1p2uh(t0).

因此存在唯一的t2t1,当0<t2<t0<t1时,h(t2)=h(t1)=K(u),h(t2)>0>h(t1). 于是t1uNλ,t2uN+λ,当t2<t<t1,J(t2u)J(tu)J(t1u),0<t<t2,J(t2u)J(tu), 于是

J(t2u)=inf0tt0J(tu), J(t1u)=supt0J(tu).

证毕.

3 定理1.2的证明

定义3.1   序列{un}E叫做一个(PS)c列, 假如存在cR

I(un)c, I(un)0,n.

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{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{un}Nλ.

  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+0N+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.

  由引理3.2知道,泛函J(u)存在一个(PS)ξ{un}Nλ 使得

J(un)c,J(un)0,n.

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+0E, 且在E里及在Lp(RN,|x|bp)里, unu+0,在RN里,unu+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

J(un)=(121p)un2(11p)K(un)(11p)K(un).

n,由引理2.4,ξ<0,

0>ξ(11p)K(u+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Eunu+0J(u+0)=ξ. 注意到{un}Nλ,由Fatou引理有

ξJ(u+0)=(121p)u+02(11p)K(u+0)   limninf[(121p)un2(11p)K(un)]  =limninfJ(un)=ξ.

因此J(u+0)=ξ,limnun2=u+02.vn=unu+0,于是vn0. 由Brezis-lemma 引理(参见文献[5])推出

un2=vn2+u+02+on(1),

因此unu+0,此外u+0N+λ. 如果u+0Nλ, 由(2.3)(2.4)式得到A(u+0)>0,由引理2.5,存在唯一的t2t1 使得t1u+0Nλ,t2u+0N+λ,t2<t1=1. 由于当t(t2,t1),ddtJ(tu+0)>0, 于是存在τ(t2,t1)使得

ξξ+J(t2u+0)<J(τu+0)<J(t1u+0)=ξ,

矛盾,因此unu+0J(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.

4 定理1.3的证明

引理4.1   对于cR,若序列{un}E是 泛函J的一个(PS)c列,且{un}uE,则J(u)=0, 并且存在常数C2=C2(p)>0 使得J(u)C2λ2gE.

  对于cR,若序列{un}E是泛函J 的一个(PS)c 列,且{un}uE,容易看出J(u)=0,J(u),u=0,uN,由(2.2)式及Young表达式得到

J(u)(121p)u2(11p)λgEu       (121p)u2(121p)u2C2λ2gE      =C2λ2gE.

其中正常数C2=C2(p).

引理4.2   对于cR,若序列{un}E是泛函J的一个(PS)c列,则在E里,{un}有界.

  由(PS)c列的定义,存在cR,有

J(un)c,J(un)0,n.
J(un)=12un21pA(un)K(un)=c+on(1),
J(un),un=un2A(un)K(un)=on(1).

于是

c+on(1)=J(un)1pJ(un),un=(121p)un2(11p)K(un).

由(2.1)式

c+on(1)+(11p)λgEun(121p)un2,

n,un,则由上式得出矛盾, 故{un}有界.

引理4.3   对于cR,若序列{un}E是泛函J的一个(PS)c列,则当

c<c=(121p)(Sp/2f10)2/(p2)C2λ2gE

时,un(x)u(x).

(PS)c列的定义,存在cR,有

J(un)c,J(un)0,n.

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,unu. 在RN里, unu~a.e.,J(u),ϕ=0,u 是方程(1.1)的一个解,J(u)=0,且K(un)K(u).

vn=unu,于是vn0. 由Brezis-lemma引理(文献[5])推出

un2=vn2+u2+on(1),A(un)=A(vn)+A(u)+on(1),

因此

J(un)=J(u)+12vn21pA(vn)+on(1),J(un),un=vn2A(vn)+on(1).

由条件(A)假设

limnvn2=limnA(vn)=f0limnvnpb,p=l,

由(1.2)式lf0lp/2Sp/2,l=0,或者l(Sp/2f10)2/(p2).l(Sp/2f10)2/(p2),

J(un)12J(un),un=J(u)+(121p)A(vn)+on(1).

n,由引理4.1知道

c=J(u)+(121p)l(121p)(Sp/2f10)2/(p2)C2λ2gE,

矛盾,故结论成立.

引理4.4   若条件(A)满足,则存在uE{0}以及Λ>0,0<λ2gE<Λ

supt0J(tu)<c=(121p)(Sp/2f10)2/(p2)C2λ2gE,

特别有ξ<c.

考虑下列函数

ρε(x)={vε(x),g(x)0,xRN,vε(xx0),  x0RN,g(x0)0,xRN,vε(x),g(x)0,xRN.

则存在ε0>0使得

RNg(x)ρε(x)dx>0. (4.1)

这是因为,若g(x)0g(x)0,(4.1)式显然成立. 若x0RN,g(x0)0,则由g(x)的连续性, r>0,使得g(x)>0,xBr(x0),由vε(xx0)的定义,(4.1)式显然成立.

考虑下列函

G(t)=J(tρε)=t22ρε2tppA(ρε)tK(ρε),       H(t)=t22ρε2tppf0ρεpb,p.

limt+H(t)=,limt0+H(t)>0,t0, supH(t) 在某个tε>0达到,由H(t)=0得到

tε=(ρε2f0ρεpb,p)1p2.

S的定义

,
maxt0H(t)=H(tε)=(121p)(Sp/2f10)2/(p2), (4.2)

λ足够小,存在Λ,当0<λ<Λ,

G(0)=0<(121p)(Sp/2f10)2/(p2)C2λ2gE.

G(t)的连续性,存在t1>0,0<t<t1,

G(t)<(121p)(Sp/2f10)2/(p2)C2λ2gE.

由(4.2)式

supt0G(t)<(121p)(Sp/2f10)2/(p2)t1K(ρε),

λ足够小,使得

t1K(ρε)<C2λ2gE,

于是

supt0G(t)<(121p)(Sp/2f10)2/(p2)C2λ2gE,                       supt0J(tρε)<c.

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τ0ρεNλ,ξJ(τ0ρε)supτ0J(τρε)<c.

引理4.5   若条件(A)满足,则存在uE{0}以及Λ>0,0<λ2gE<Λ时, 则泛函J(u)有一个极小值点u0N, 且满足

(1)~ J(u0)=ξ.

(2)~ u0是方程(1.1)的一个正解.

  由引理3.2知道,当0<λ<Λ<C1, 泛函J(u)存在一个(PS)ξ{un}N,由引理4.3, 引理4.4和引理2.4,存在u0Nλ,J(u0)=ξ>0, 与引理3.3同样讨论知道,u0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<λ2gE<Λ时,u+0N+λ,u0Nλ是方程(1.1)的两个非平凡解, 且N+λNλ=, 说明u+0u0不同. 证毕.

参考文献
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