考虑如下方程
其中 $2<p<q<6$,$\mu>0$ 是一个参数,
$H^1({\Bbb R}^3)$ 为带有范数 $\| u\| =(\int_{{\Bbb R}^3}(|\nabla u|^2+u^2){\rm d}x)^{1/2}$的标准的Sobolev空间.
函数 $V\in L^\infty({\Bbb R}^3)$关于每个变量 $x_j$,$j = 1,2,3$ 都是以$1$为周期的周期函数. 在此条件下,算子
的谱$\sigma(L)$ 是下方有界的连续谱,且可表示为无限多个互不相交的闭区间的并集 (参见文献[[1],定理 XIII.100]).故${\Bbb R}\setminus \sigma(L)$ 由无穷多个互不相交的开区间构成,这些开区间被称为谱隙. 假设$V$满足
$(\bf{v})$~ $V\in L^\infty({\Bbb R}^3)$关于每个变量 $x_j$,$j = 1,2,3$ 都是以$1$为周期的周期函数且存在 $0<\alpha,\beta<+\infty$ 使得 $(-\alpha,\beta)$ 是 $-\Delta+V$的一个谱隙.
本文的主要结果是
定理1.1 设 $2<p<q<6$满足 $2p>2+q$且$V$满足条件 $\bf ( v)$,则存在 $\mu_0>0$使对任意的 $\mu>\mu_0,$ 方程(1.1) 存在非零解.
方程 (1.1)来自原子物理学中的 Thomas-Fermi-Dirac-von Weizsäcker (TFDW)理论. 在文献[2]中,Lieb 对不同类型的函数$V$研究了方程
解的存在性和对称性,其中,$A,\alpha,\gamma,C_e$和 $\mu$ 为常数且 $p>4/3.$ 在文献[3]中,Le Bris 研究了最小值问题
其中
其中 $c_1$,$c_2$ 为正常数,$V$为 Coulomb位势函数. 他证明了 存在 $\lambda_c>0$使当 $0<\lambda<\lambda_c$时,该极小值被达到. 此外, 若 $ c_2$充分小,则达到函数是唯一的. 容易验证存在$\mu\in {\Bbb R}$使得达到函数满足
然而,在最近的文献 [4]中,作者证明了当$V=0$且 $\lambda$充分大时,极小值 (1.3)式不能被达到. 最后, 方程 (1.1)还与如下的 Schr\"odinger-Poisson-Slater 方程有密切联系(参见文献 [5-18]等)
方程 (1.1)的变分泛函为
$J_\mu$的临界点为方程 (1.1)的解. 本文运用 文献[19]中的一个新的无穷维环绕定理得到了方程(1.1)的一个非零解.
本文结构安排如下: 第二节给出方程(1.1)的变分结构; 第三节证明$-J_\mu$具有整体环绕几何结构; 第四节证明$-J_\mu$的$(\overline{C})_c$序列是有界的,第五节给出定理1.1的证明.
记号 $B_r(a)$表示以 $r$为半径以$a$为中心的开球. Banach空间 $X$的对偶空间记为 $X'$, $X$中的强收敛和弱收敛分别记为 $\rightarrow$ 和 $\rightharpoonup$. 设 $\varphi\in C^1(X;\mathbb{R}),$ $\varphi$ 在$u$ 的Fr\'echet导数记为 $\varphi'(u)$. $\varphi$的 Gateaux导数记为 $\langle \varphi'(u),v\rangle,$ $\forall u,v\in X.$ $L^q({\Bbb R}^3)$ 和 $L^q_{loc}({\Bbb R}^3)$ 为标准的 $L^q$ 空间和局部可积的 $L^q$ 空间,其中$1\leq q\leq\infty$.
令
它是一个Hilbert空间,其内积为
对$u\in H^1({\Bbb R}^3)$,由 Lax-Milgram定理,方程
有唯一解 $\phi_u\in D^{1,2}({\Bbb R}^3)$ (见文献[[20],性质 2.2]). 由文献[[21],定理2.2.1], $\phi_u$有如下表达式
函数 $\phi_u$有如下性质(见文献[6]):
引理2.1 (i) 存在正常数 $C$,使对任意的 $u\in H^1({\Bbb R}^3)$,有
且
(ii) 对任意的 $u\in H^1({\Bbb R}^3)$,在${\Bbb R}^3$上$\phi_u\geq 0$.
由该引理可知泛函 $J_\mu$在$H^1({\Bbb R}^3)$上的定义是良好的且
故 $J_\mu$为$H^1({\Bbb R}^3)$上的$C^1$泛函且
引理2.2 如下命题等价
(i) $u\in H^1({\Bbb R}^3)$ 为方程(1.1)的解;
(ii) $u$为$J_{\mu}$的临界点.
由文献[22]的第六章6.4节可知存在正交分解$X=Y\oplus Z$,其 中 $Y$,$Z$为$X$的闭子空间且在$Z^{3}$的平移作用下不变,使得
令$Q:X\rightarrow Z$,$P:X\rightarrow Y$为正交投影算子. 由 (2.6)和 (2.7)式得
此外,还有
由(2.8)和 (1.4)式得
此外,由 (2.5)式得
设$\{e_k\}$ 为$Y$的一个标准正交基.令
设 $R > r > 0$,$u_0 \in Z$满足$\| u_0\| = 1$,令
定义3.1 设 $\phi\in C^1(X,\mathbb{R})$. 若对任意的 $\varphi\in X$以及对满足$u_n\rightharpoonup u$的任意的$u\in X$和 $\{u_n\}\subset X$,有 $\langle \phi'(u_n),\varphi\rangle\rightarrow \langle \phi'(u),\varphi\rangle$成立,则称 $\phi'$是弱序列连续的.
引理3.1 泛函 $-J_{\mu}$满足如下条件
(a) $-J'_{\mu}$是弱序列连续的且对任意的 $\mu>0,$
(b) 存在 $\delta>0,$ $R > r > 0$,$\mu'_0>0$ 以及 满足 $\| u_0\| =1$的$u_0 \in Z $ 使对任意的 $\mu>\mu'_0,$
证 (a) 设$u\in X$,$\{u_n\}\subset X$满足 $u_n\rightharpoonup u$,则
由 $u_n\rightharpoonup u$得 $u_n\rightarrow u$ 在 $L^s_{loc}({\Bbb R}^3)$中,$\forall 1\leq s<6$,故对任意的$v\in C^\infty_0({\Bbb R}^3),$ 有
由引理 2.1可知$\{\phi_{u_n}\}$在 $D^{1,2}({\Bbb R}^3)$中有界. 故不妨设 $\phi_{u_n}\rightharpoonup\phi_{u}$. 从而对任意的$1\leq s<6$,在 空间$L^s_{loc}({\Bbb R}^3)$中 $\phi_{u_n}\rightarrow\phi_{u}$.由此可知,对任意的 $v\in C^\infty_0({\Bbb R}^3),$有
由 (2.11),(3.4),(3.5)式 以及(3.6)式可得
故 $-J'_{\mu}$是弱序列连续的. 此外,容易看出$\sup_{M}(-J_{\mu})<+\infty$.
(b)~ 由 (2.4)和 (2.10)式得: 对任意的 $u\in Z,$有
其中 $C_1$为常数.故存在充分小的 $r>0$ 使得
由于 $q>p$,故存在 $\Lambda>0$使当 $\mu\geq 1$,$\quad |t|>\Lambda$时
设 $C'>0$满足
由于$q>p>2$,故存在 $\mu'_0>1$ 使对任意的 $\mu>\mu'_0,$
由 (3.8) 和 (3.10)式得: 对任意的 $\mu>\mu'_0$和 $u\in X,$有
由文献[[23],定理1.1]可知,存在 $C_*>0$ 使对任意的 $u\in X,$有
设 $u_0\in Z$满足$\| u_0\| =1.$ 令 $u=v+tu_0\in Y\oplus Ru_0.$ 由于存在连续投影
故存在常数 $C_{**}>0$使对任意的$u=v+tu_0\in Y\oplus Ru_0,$有
由 (3.11)--(3.13)式可知,存在常数 $\kappa>0$使对任意的 $u=tu_0+v\in Y\oplus Ru_0$,有
故当$\| u\| \rightarrow\infty$且$ u\in Y\oplus Ru_0$时
由 (3.11) 式可得当 $u\in Y$时
联合(3.14)式可知存在$R>r$使得
由(3.11)式和$\| |\cdot\| |$ 的定义(见 (3.1)式)可知当 $\mu>\mu'_0$时
取$\delta=r/\sqrt{6}$,由(3.16)和 (3.7)式得
联合 (3.15)式我们得到(3.3)式. 证毕.
定义4.1 设 $\phi\in C^1(X,\mathbb{R})$. 若 $\{u_n\} \subset X$ 满足
则称其为 $\phi$ 的一个$(\overline{C})_c$序列.
由$q>p>2$可知存在与$\mu$无关的常数 $\gamma>2$,当$\mu>>1$时,对
有
其中 $V_-(x)=\max\{-V(x),0\}$.
引理4.1 设 $\mu\geq 1.$ 若 $\{u_n\}$ 为$-J_{\mu}$的一个 $(\overline{C})_c$序列, 则
证 令 $v_n=\max\{u_n(x)-D_\mu/2,0\}$. 易证 $v_n\in X$ 且 $\| v_n\| \leq \| u_n\| ,$ $\forall n\in\mathbb{N}.$ 由 $\{u_n\}$ 为$-J_{\mu}$的一个 $(\overline{C})_c$序列 得 $\langle J'_\mu(u_n),v_n\rangle=o(1)$. 在(2.5)式中取 $v=v_n$,则由 (4.2)式以及 $\phi_{u_n},$ $u_n$ 和 $v_n$为 $\{x\ |\ u_n(x)>D_\mu/2\}$上的非负函数的事实可得
其中 $V_+=V+V_-\geq 0$ 为 ${\Bbb R}^3$上非负函数,$\widetilde{C}$ 为Sobolev常数.注意到在$\{x\ |\ u_n(x)>D_\mu\}$上 $v_n\geq u_n/2$. 则由 (4.4)式可得
同理可得
证毕.
引理4.2 存在 $\mu''_0>0$使得当 $\mu>\mu''_0$时, 若$\{u_n\}$为$-J_{\mu}$的一个 $(\overline{C})_c$ 序列,则 $\{u_n\}$在$X$中有界.
证 由 $(1+\| u_n\| )\| -J'_{\mu}(u_n)\| _{X'}\rightarrow 0$得
在(2.11)式中取 $v=Qu_n$,$v=Pu_n$,由 (4.5)式得
及
再由 $\| u_n\| ^2=\| Pu_n\| ^2+\| Qu_n\| ^2$ (见 (2.9)式)得
其中 $D_\mu$来自 (4.1)式. 设 $\chi_{n,2}=1-\chi_{n,1}.$ 则 $u^2_n=(u_n\chi_{n,1})^2+(u_n\chi_{n,2})^2$ 且
由于 $\phi_{u_n\chi_{n,1}}$ 为${\Bbb R}^3$上方程
的解,由 $(u_n\chi_{n,1})^2\leq D_\mu^2$以及标准的椭圆方程正则性理论可知存在与 $n$ 和 $y\in {\Bbb R}^3$无关的正常 数 $C_2$使对任意的 $y\in {\Bbb R}^3$,有
记$C_3= (\int_{B_2(0)}{\rm d}x )^{\frac{1}{2}}.$ 由 (4.9)式得
再由 $\phi_{u_n\chi_{n,1}}$为 ${\Bbb R}^3$上非负函数 (见引理 2.1 (ii))得
由 (4.6),(4.8) 式以及(4.10)式得
再由 $\| Qu_n-Pu_n\| _{L^2({\Bbb R}^3)}\leq 2C'\| u_n\| $, $\| Qu_n-Pu_n\| _{L^p({\Bbb R}^3)}\leq C''\| u_n\| $以及 $\| Qu_n-Pu_n\| _{L^q({\Bbb R}^3)}\leq C''\| u_n\| $得
由引理 4.1可知当$\mu\geq1$时有 $\int_{\{x\ |\ |u_n(x)|> D_\mu \}}|u_n|^{p}{\rm d}x=o(1)$,$\int_{\{x\ |\ |u_n(x)|> D_\mu \}}|u_n|^{q}{\rm d}x=o(1)$. 由此以及 (4.10)式,从上述不等式可得当$\mu\geq1$时,有
由 Hardy-Littlewood-Sobolev不等式(见文献[[24],(1.1)式])得
其中 $C_{HLS}$ 和 $C'''$为正常数. 由引理 4.1可知,当$\mu\geq 1$时,有
由(4.13),(4.12)式以及 (4.11)式 可得,当$\mu\geq 1$时,有
设$0<\epsilon<D_\mu$. 则对$\mu\geq 1,$有
由 (4.15)和(4.14)式可得, 当$\mu\geq 1$时,有
由于$2p>2+q$,故存在与$\mu$无关的正常数$1<\beta<\gamma$使得
满足
则由 (4.16)式得
由$\sup_n(-J_{\mu}(u_n))\leq c$ 以及 $(1+\| u_n\| )\| -J'_{\mu}(u_n)\| _{X'}\rightarrow 0$得
故有
其中 $C_4$ 为正常数. 由于 $\varepsilon_\mu>\mu^{-1/(q-p)}$,故
则由 (4.20) 式和 $\int_{{\Bbb R}^3}u^2_n\phi_{u_n}{\rm d}x\geq\int_{{\Bbb R}^3}u^2_n\phi_{u_n\chi_{n,1}}{\rm d}x=\| u_n\phi^{\frac{1}{2}}_{u_n\chi_{n,1}}\| ^2_{L^2({\Bbb R}^3)}$可得
容易验证存在正常数$C_\mu\geq C\mu^{(p-2)/(q-p)}$ 使得 对任意的 $\epsilon_\mu\leq |t|\leq D_\mu$有
其中$C>0$为与$\mu$无关的正常数. 则由 (4.21)式得
由 (4.22)和(4.18)式可知存在 $\mu''_0>0$, 使当$\mu>\mu''_0$时,$\{\| u_n\| \}$ 有界. 证毕.
定理1.1的证明 由引理 3.1,引理 4.2以及文献[[19],定理 1.3]可知存在$\mu_0>0$ 使得 当$\mu>\mu_0$时,存在 $-J_\mu$的有界 $(\overline{C})_c$序列 $\{u_n\}$ 满足 $\inf_n\| |u_n\| |>0$. 则$\{u_n\}$满足下列两个条件之一:
(a)~ $\lim\limits_{n\rightarrow\infty}\sup\limits_{y\in {\Bbb R}^3}\int_{B_1(y)}|u_n|^2{\rm d}x=0$;
(b)~ 存在 $\varrho>0$以及 $a_n\in Z^3$ 使得 $\int_{B_1(a_n)}|u_n|^2{\rm d}x\geq\varrho.$ 若(a)成立,则由Lions引理 (见文献[[22],定理 1.21]) 可知对任意的$2<s<6$,在$L^s({\Bbb R}^3)$中$u_n\rightarrow 0$. 故
仿(4.12)式的证明可得
由 (5.1)--(5.3)式以及 (4.6)式得 $\| u_n\| \rightarrow 0.$这与 $\inf_{n}\| |u_n\| |>0$矛盾. 故 (a)不成立. 从而只能 (b)成立.令 $w_n=u_n(\cdot+a_n)$则 $w_n\rightharpoonup u_0\neq 0$. 由 $(1+\| w_n\| )\| -J'_{\mu}(w_n)\| _{X'}=(1+\| u_n\| )\| -J'_{\mu}(u_n)\| _{X'}\rightarrow 0$ 以及 $-J'_{\mu}$的弱序列连续性得 $-J'_{\mu}(u_0)=0.$ 故 $u_0$ 为 方程 (1.1)的一个非零解. 证毕.