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(H_a^1 ({\rm {\bf R}}^N))'表示H_a^1 ({\rm {\bf R}}^N)的对偶空间. g(x) \in (H_a^1 ({\rm {\bf R}}^N))'\backslash \{0\} 是{\rm {\bf R}}^N 上的一个连续的函数. f(x)是{\rm {\bf R}}^N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,\mu = 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^\infty ({\rm {\bf R}}^N)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\left\| \cdot \right\|_1与\left\| \cdot \right\|等价.
对于u \in E,u \ne 0, 设
记
则有
S的达到函数
其中\gamma = \sqrt {\mu _1 } - \sqrt {\mu _1 - \mu }, \beta_{1} = (N - 2(1 + a - b)) / 4(1 + a - b), 且v_\varepsilon (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\in E是方程(1.1)的一个弱解是指任意\phi \in 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 < \lambda < C_1 , 则方程(1.1)至少存在一个非平凡解. 其中 C_1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\Lambda > 0, 当0 < \lambda < \Lambda < C_1 , 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 \in N_{\lambda} 当且仅当
我们有下列结论.
引理2.1 在N_{\lambda}里,J(u)是强制的、有下界的.
证 对于u \in N_{\lambda},
设\left\| g \right\|_{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 \in N_{\lambda},
把N_{\lambda}分成三个部分
于是,我们有下列结论.
引理2.2 假设u_0 是J在N_{\lambda}里的一个极小值点,且u_0 \notin N_{\lambda}^{0},则J'(u_0) = 0,即 u_0 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N_{\lambda}^{0} = \emptyset .
证 假设当0 < \lambda < C_1 ,N_{\lambda}^{0} \notin \emptyset , 于是对于u \in N_{\lambda}^{0}, 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,N_{\lambda} = N_{\lambda}^{+} \cup N_{\lambda}^{-} , 由引理2.1,我们可以定义
引理2.4 假设0 < \lambda < C_1 , 则\xi \le \xi ^ + < 0; 假设0 < \lambda < \frac{1}{2}C_1 , 则 存在C_0 = C_0 (p,S,\lambda ,\left\| f \right\|_\infty ,\left\| g \right\|_{E'} ) > 0, 使得\xi ^ - > C_0 .
证 设u \in N_{\lambda}^{+},由(2.3)式
于是\xi \le \xi ^ + < 0.
(2)~ 设u \in N_{\lambda}^{-},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 < \lambda < \frac{1}{2}C_1时,
证毕.
对于每个u \in E,且A(u)>0, 记
引理2.5 对于u \in E,0 < \lambda < C_1 , 且A(u) > 0, 有下列结论
(1) 假如K(u) \le 0,则存在唯一的t_1 > t_0使得(t_1 u) \in N_{\lambda}^{-} , 且
(2) 假如K(u) > 0,则存在唯一的0 < t_2 < t_0 < t_1使得t_1 u \in N_{\lambda}^{-} , t_2 u \in N_{\lambda}^{+} , 且
证 设u \in E,且A(u) > 0,
设
显然h(0) = 0,t \to + \infty ,h(t) \to - \infty ,
令h'(t) = 0, 得到t = t_0, 当t \in [0,t_0 ),h'(t) > 0, 当t \in [t_0 ,\infty ), h'(t) < 0, 因此h(t)在t = t_0达到最大值,由(2.4)式
(1) 假如K(u) \le 0, 则存在唯一的t_1 > t_0使得h(t_1 ) = K(u), 且h'(t_1 ) < 0,由(2.3)式得到
且
于是t_1 u \in N_{\lambda}^{-} . 又h(t_0 ) = t_0 \left\| u \right\|^2 - t_0^{p - 1} A(u),
当t \in [0,t_1 ),\frac{\rm d}{{\rm d}t}J(tu) > 0; 当t \in (t_1 ,+ \infty ), \frac{\rm d}{{\rm d}t}J(tu) < 0,因此
(2) 假如K(u) > 0,0 < \lambda < C_1 , 由(2.1)和(2.5)式得到
因此存在唯一的t_2和t_1,当0 < t_2 < t_0 < t_1 时,h(t_2 ) = h(t_1 ) = K(u), 且h'(t_2 ) > 0 > h'(t_1 ). 于是t_1 u \in N_{\lambda}^{-},t_2 u \in N_{\lambda}^{+} ,当t_2 < t < t_1 ,J(t_2 u) \le J(tu) \le J(t_1 u), 当0 < t < t_2 ,J(t_2 u) \le J(tu), 于是
定义3.1 序列\{u_n \} \subset E叫做一个(PS)_c列, 假如存在c \in {\rm {\bf R}}有
引理3.2 假设条件(A)满足,0 < \lambda < C_1 , 则泛函J(u)存在一个(PS)_\xi列\{u_n \} \subset N_{\lambda} ; 假设条件(A)满足,0 < \lambda < {(q/2)}C_1 , 则泛函J(u)存在一个(PS)_{\xi^{-}}列\{u_n \} \subset N_{\lambda}^{-}.
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 < \lambda < C_1 , 则泛函J(u)有一个极小值点u_0^ + \in N^{+}_\lambda, 且满足
(1) J(u_0^ + ) = \xi = \xi ^ + < 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)_\xi列\{u_n \} \subset N_{\lambda} 使得
由引理2.1,在N_{\lambda}里面,J(u)是强制的,在E里,因此\{u_n \}是有界的, 由紧嵌入定理,存在一个子列(不妨仍记作\{u_n \})以及u_0^ + \in E, 且在E里及在L^p({\rm {\bf R}}^N,\left| x \right|^{ - bp})里, u_n \rightharpoonup u_0^ +,在{\rm {\bf R}}^N里,u_n \rightarrow u_0^ + a.e., 于是由(2.1)式得到当n \to \infty,K(u_n ) \to K(u_0^ + ), 于是, u_0^ + 是方程(1.1)的一个解. 此外由于\{u_n \} \subset N_{\lambda},于是
让 n \to \infty,由引理2.4,\xi < 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u_n \rightarrow u_0^ + 且J(u_0^ + ) = \xi. 注意到\{u_n \} \subset N_{\lambda},由Fatou引理有
因此J(u_0^ + ) = \xi,\lim \limits_{n \to \infty } \left\| {u_n } \right\|^2 = \left\| {u_0^ + } \right\|^2. 设v_n = u_n - u_0^ +,于是v_n \rightharpoonup 0. 由Brezis-lemma 引理(参见文献[5])推出
因此u_n \rightarrow u_0^ + ,此外u_0^ + \in N^{+}_\lambda. 如果u_0^ + \in N^{-}_\lambda, 由(2.3)(2.4)式得到A(u_0^ +)>0,由引理2.5,存在唯一的t_{2}和t_{1} 使得t_1 u_0^ + \in N_{\lambda}^{-} ,t_2 u_0^ + \in N_{\lambda}^{+} , 且t_2 < t_1 = 1. 由于当t \in (t_2 ,t_1 ),\frac{\rm d}{{\rm d}t}J(tu_0^ + ) > 0, 于是存在\tau \in (t_2 ,t_1 )使得
矛盾,因此u_n \to u_0^ +且J(u_0^ + ) = \xi , 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 \in {\rm {\bf R}},若序列\{u_n \} \subset E是 泛函J的一个(PS)_c列,且\{u_n\}\rightharpoonup u \in E,则J'(u)= 0, 并且存在常数C_2 = C_2 (p) > 0 使得J(u) \ge - C_2 \lambda ^2\left\| g \right\|_{E'}.
证 对于c \in {\rm {\bf R}},若序列\{u_n \} \subset E是泛函J 的一个(PS)_c 列,且\{u_n\}\rightharpoonup u \in E,容易看出J'(u) = 0, \left\langle {J'(u),u} \right\rangle = 0,u \in N,由(2.2)式及Young表达式得到
其中正常数C_2 = C_2 (p).
引理4.2 对于c \in {\rm {\bf R}},若序列\{u_n \} \subset E是泛函J的一个(PS)_c列,则在E里,\{u_n \}有界.
证 由(PS)_c列的定义,存在c \in {\rm {\bf R}},有
由(2.1)式
当n \to \infty ,\left\| {u_n } \right\| \to \infty,则由上式得出矛盾, 故\{u_n \}有界.
引理4.3 对于c \in {\rm {\bf R}},若序列\{u_n \} \subset E是泛函J的一个(PS)_c列,则当
时,u_n (x) \to u(x).
由引理4.2,在E里,\{u_n \}有界,则在E里存在弱收敛的子列, 不妨仍记为\{u_n \},存在u(x) \in E,在E里及在L^p({\rm {\bf R}}^N, \left| x \right|^{ - bp})里,u_n \rightharpoonup u. 在{\rm {\bf R}}^N里, u_n \rightarrow u~a.e.,\left\langle {J'(u),\phi } \right\rangle = 0,u 是方程(1.1)的一个解,J'(u) = 0,且K(u_n ) \to K(u).
设v_n = u_n - u,于是v_n \rightharpoonup 0. 由Brezis-lemma引理(文献[5])推出
由条件(A)假设
由(1.2)式l \le f_0 l^{p / 2}S^{ - p / 2},l = 0,或者l \ge (S^{p / 2}f_0^{ - 1} )^{2 / (p - 2)}. 若l \ge (S^{p / 2}f_0^{ - 1} )^{2 / (p - 2)},
让n \to \infty,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 \in E\backslash \{0\}以及\Lambda > 0, 当0 < \lambda ^2\left\| g \right\|_{E'} < \Lambda时
特别有\xi ^ - < c^\ast .
证 考虑下列函数
则存在\varepsilon _0 > 0使得
这是因为,若g(x) \geq 0或g(x) \leq 0,(4.1)式显然成立. 若\exists x_0 \in {\rm {\bf R}}^N,g(x_0 ) \ge 0,则由g(x)的连续性, \exists r > 0,使得g(x) > 0,x \in B_r (x_0 ),由v_\varepsilon (x - x_0 )的定义,(4.1)式显然成立.
考虑下列函
由\lim \limits_{t \to + \infty } H(t) = - \infty , \lim\limits_{t \to 0^ + } H(t) > 0, 当t \ge 0, \sup H(t) 在某个t_\varepsilon > 0达到,由H'(t) = 0得到
由S的定义
取\lambda足够小,存在\Lambda ,当0 < \lambda < \Lambda ,
由G(t)的连续性,存在t_1 > 0, 当0 < t < t_1 ,
由(4.2)式
取\lambda足够小,使得
容易看出A(\rho _\varepsilon) > 0, 由引理2.4及上式,当0 < \lambda < \Lambda < C_1 , 存在\tau _0 > 0使得\tau _0 \rho _\varepsilon \in N_{\lambda}^{-} , 且\xi ^ - \le J(\tau _0 \rho_\varepsilon ) \le \sup\limits_{\tau \ge 0} J(\tau \rho_\varepsilon ) < c^\ast .
引理4.5 若条件(A)满足,则存在u \in E\backslash \{0\}以及\Lambda > 0, 当0 < \lambda ^2\left\| g \right\|_{E'} < \Lambda时, 则泛函J(u)有一个极小值点u_0^ - \in N^{-}, 且满足
(1)~ J(u_0^ - ) = \xi ^ - .
(2)~ u_0^ - 是方程(1.1)的一个正解.
证 由引理3.2知道,当0 < \lambda < \Lambda < C_1 , 泛函J(u)存在一个(PS)_{\xi ^ - }列\{u_n \} \subset N^{-},由引理4.3, 引理4.4和引理2.4,存在u_0^ - \in N_{\lambda}^{-} ,J(u_0^ - ) = \xi ^ - > 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\Lambda > 0, 当0 < \lambda ^2\left\| g \right\|_{E'} < \Lambda时,u_0^ + \in N_{\lambda}^{+} , u_0^ - \in N_{\lambda}^{-} 是方程(1.1)的两个非平凡解, 且N_{\lambda}^{+}\cap N_{\lambda}^{-} = \emptyset , 说明u_0^ + 和u_0^ - 不同. 证毕.