本文研究如下问题
多解的存在性, 这里$g(x)\geq0, g(x)\not\equiv 0$且$g(x)\in L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N).$
这类问题有较强的物理背景和理论研究价值.国内外有许多学者对这类问题开展了有意义的研究, 得到一些有趣的研究结果(参见文献[1-2, 6-7]等).这类问题的研究方法主要是应用变分原理, 带Hardy项的Sobolev不等式和嵌入定理.为了探究问题(1.1)弱解的存在性, 我们可以转化为研究与其相应变分泛函
临界点的存在性.
受文献[12]的启发, 本文考虑一定条件下泛函$f(u)$存在一个局部极小的临界点以及山路引理形式的另一个临界点, 运用Lions[10]的集中紧致原理, 证明上述两个临界点的可达性, 从而得到问题(1.1)至少有两个弱解存在性的结果, 即本文的主要结果.
定理1.1 假设$g(x)\in L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)$, $g(x)\geq0$且$g(x)\not\equiv 0$, 则存在常数$C$, 当$\parallel g\parallel_{L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)}\leq C$时, 问题(1.1)至少有两个非平凡解.
在本文中$L^p({\Bbb R}^N)$的范数记为$\mid\cdot\mid_p$, $ {\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$表示$C^\infty({\Bbb R}^N)$在范数$\parallel u\parallel=(\int(\mid\triangledown u\mid^2+\frac{u^2}{\mid x\mid^2}) {\rm d}x)^\frac{1}{2}$下的完备空间.为了证明我们的结果, 我们需要如下几个引理.
引理2.1(Brezis-lieb引理) $\{u_n\}\subset L^p({\Bbb R}^N), 1\leq p < \infty$.如果$\{u_n\}$在$L^p({\Bbb R}^N)$中有界, 且$u_n\rightarrow u$在${\Bbb R}^N$中几乎处处成立, 则
引理2.2(Ekeland变分原理) ${X}$是一个Banach空间, $\varphi\in{\cal C}^1({X}, R)$具有下界, $v\in{X}$且$\varepsilon, \delta > 0$,
则存在$u\in{X}$使得
引理2.3 假设$\{u_n\}$是${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中一序列满足$ I_g(u_n)\rightarrow c < \frac{1}{N}S^{\frac{N}{2}}, I'_g(u_n)\rightarrow 0$, 那么在$\{u_n\}$中存在一个强收敛的子序列.
证 由已知条件
以及对任意$\varphi\in{\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$, 有
首先可得$\{u_n\}$在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中有界.
反证法:若$\{u_n\}$在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中无界, 则当$n\rightarrow\infty $时, $t_n=(\int_{{\Bbb R}^N}\mid\triangledown u_n\mid^2 {\rm d}x)^{\frac{1}{2}}\rightarrow\infty$.记$\omega_n=\frac{u_n}{t_n}$, 因此$(\int_{{\Bbb R}^N}\mid\triangledown \omega_n\mid^2 {\rm d}x)^{\frac{1}{2}}=1$对任意$n$成立.从而存在子列
(2.5)式两边同时除以$t_n$, 得到
我们知道
特别地, 对任意$\varphi\in{\cal C}_0^\infty({\Bbb R}^N)$, 有
(2.6)式两边同时除以$t_n^{2^*-2}$并取极限, 得到
由$\varphi$的任意性可知:在${\Bbb R}^N$中$\omega\stackrel{a.e.}=0$.
在(2.4)式两边同时除以$t_n^2$知
在(2.6)式中取$\varphi=\omega_n$有
由于在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中$\omega_n\rightharpoonup\omega$, 所以有
结合(2.7)和(2.8)式, 可得
由(2.9)和(2.10)式, 可得
(2.11)式显然是矛盾的.因此$\{u_n\}$在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中有界.
由于序列$\{u_n\}$在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中有界, 因此存在$\{u_n\}$的子列(仍记为$\{u_n\}$), 满足:
a) $u_n\rightharpoonup u$, 在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中;
b) $u_n\stackrel{\rm a.e.}{\longrightarrow} u$在${\Bbb R}^N$中.
运用带Hardy项的Sobolev嵌入定理可知, 序列$\{u_n\}$在$L^{2^*}({\Bbb R}^N)$中有界, 所以$u_n^{2^*-1}$在$L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)$中有界, 从而可知存在子列在$L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)$中弱收敛以及在${\Bbb R}^N$中几乎处处收敛.因此知在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中
由$I'_g(u_n)\rightarrow0$, 则对任意函数$\varphi\in{\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$, 有
即
所以有
即对任意的$\varphi\in{\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$, 有下式成立
令$\varphi=u$, 则由(2.15)式有
所以存在适当小的常数$C$, 当$\parallel g\parallel_{L^{\frac{2N}{N+2}} ({\Bbb R}^N)}\leq C$时, 有
下面, 我们来证明$u_n\longrightarrow u$(在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中强收敛).
记$v_n=u_n-u$, 由引理2.1得
由引理条件及(2.18)式知
由(2.13)式可知$\langle I'_g(u_n), u_n\rangle\rightarrow 0$, 再结合(2.18)式子可得
假设$ \int_{{\Bbb R}^N}\Big(\mid\triangledown v_n\mid^2+\frac{v_n^2}{\mid x\mid^2}\Big){\rm d}x\rightarrow b, $则
以及$S$的定义
可得$b\geq S b^{\frac{2}{2^*}}.$
如果$b=0$, 则定理得证; 如果$b\neq0$, 由(2.17)及(2.19)式可得
上式显然是矛盾的, 所以$b=0$, 序列$\{u_n\}$在${\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$中有强收敛子列.
在这一部分, 我们将给出主要结果的证明.
定义3.1 定义
定理3.1 假设$ u\in\overline{B_R}, g(x)\in L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)$, $g(x)\geq 0, g(x)\not\equiv 0$, $\parallel g\parallel_{L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)}\leq C$, 其中$C$和$R$适当小, 则存在$u_0\in\overline{B_R}, $使得$I_0=I_g(u_0)$和$I'_g(u_0)=0.$即$u_0$是问题(1.1)的解.
证 对任意的$u\in{\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N), u > 0, $
如果$0 < t < \varepsilon$, 显然有$\frac{{\rm d}I_g(tu)}{{\rm d}t} < 0, $所以当$t\in(0, \varepsilon)$时, $I_g(tu)$是减函数.由$I_g(0)=0, \ I_g(tu)\in C^1$, 对于充分小的$R$, 当$u\in\overline{B_R}$时, 有
如果$t > \varepsilon$,
记$\parallel u \parallel=A$, 有
令$ g'(t)=A^2-C_1(2^*-1)A^{2^*}t^{2^*-2}=0$, 可得
由$1-\frac{1}{2^*-1}>0, C_2$适当小, 我们有$g(t_0)>0.$所以当$t=t_0$时, $I(tu)$是增函数.
上述表明, 对于$u\in\overline{B_R}, u>0, $函数$I(tu)$存在局部极小值.
由引理2.2, 对于充分小的$R$, 我们可以得到$I_g(tu)$的一个$(PS)_c$序列:
由$I_0=\inf\limits_{u\in\overline{B_R}}I_g(u) < 0 < \frac{1}{N}S^\frac{N}{2}$, 利用引理2.3可知:存在$u_0\in\overline{B_R}, $使得$I_0=I_g(u_0)$和$I'_g(u_0)=0.$即$u_0$是问题(1.1)的解.
定理3.2 假设$ u\in{\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)$, $ g(x)\in L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)$, $g(x)\geq0, g(x)\not\equiv 0$, $\parallel g\parallel_{L^{\frac{2N}{N+2}}({\Bbb R}^N)}\leq C$, 其中$C$适当小, 由山路引理, 问题(1.1)存在另一个解.
证 令$v$是$S$的极小可达函数, 其中$ S=\inf\limits_{u\in{\cal D}^{1, 2}({\Bbb R}^N)}\frac{\parallel u\parallel^2}{\mid u\mid_{2^*}^{2}}.$
记$A=\parallel v\parallel^2, B=\mid v\mid_{2^*}^{2^*}$,
令$g'(t)=At-Bt^{2^*-1}=0, $可得
对于适当小的$C_2$, 存在$ r > 0 $, 使得$b=\inf\limits_{\parallel u \parallel=r}I_g(u) > 0=I_g(0);$并存在$t_0 > 0, $使得$\parallel t_0v\parallel > r$且$I_g(t_0v) < 0.$
定义3.2
由引理2.3和山路引理可知, 泛函$ I_g(u)$有一个临界值$c\in[b, c^*), $且问题
有一个非平凡解$u$.
定理1.1的证明 首先由定理3.1证得$u_0$是$B_R$中泛函$I_g(u)$的局部极小点, 再由$I_g(u_0) < \frac{1}{N}S^{N/2}$, 运用引理2.3可知$u_0$是问题(1.1)的一个弱解.然后, 由定理3.2知泛函$I_g(u)$满足山路引理的几何条件且$I_g(u) < \frac{1}{N}S^{N/2}$, 由山路引理及引理2.3可得问题(1.1)的另一个弱解.即定理1.1的结论成立.