令${\Bbb R}_+^n=\{x=(x_1, x_2, \ldots, x_n) \in {\Bbb R}^n \mid x_n>0\}$是上半欧氏空间.该文考虑${\Bbb R}_+^n$上如下积分方程组
其中$\bar{x}=(x_1, \cdots, x_{n-1}, -x_n)$是点$x$关于超平面$x_n=0$的对称点.若$n\geq 4$, 则$\alpha\in (0, n)$; 若$n=3$, 则$\alpha\in (0, 1)\cup (1, n)$.并且, 假设$f_i, g_i (i=1, 2):\, [0, \infty)\to [0, \infty)$满足如下条件:
(ⅰ) $f_i(t), g_i(s)$在$(0, \infty)$上非减;
(ⅱ) $F_i(t)=\frac{f_i(t)}{t^{p_i}}, G_i(s)=\frac{g_i(s)}{s^{q_i}}$在$(0, \infty)$上非增, 且$0<\alpha<n, $ $p_i + q_i=\frac{n+\alpha}{n-\alpha}.$并且, $F_i$和$ G_i$都是局部有界的.
假设$\alpha$是偶数, 容易验证方程组(1.1) 正的光滑解满足如下的Navier边值问题
其中$k=0, 1, 2, \cdots, \frac{\alpha}{2}-1$.
Liouville型定理, 即非平凡解的不存在性定理, 在诸多领域中发挥着重要的作用, 例如先验估计的证明、全空间上的椭圆问题和半空间上的Neumann问题的非负解的研究.可参见文献[1-8]及其中的文献.
特别地, 当$f_i(u)=u^{p_i}$, $g_i(v)=v^{q_i}(i=1, 2), $ $\frac{n}{n-\alpha} < p_i+q_i\leq \frac{n+\alpha}{n-\alpha}$时, 文献[9]利用Kelvin变换和移动球面法, 对方程组(1.1) 的正解建立了Liouville型定理.对于单个方程, Cao和Dai[1]利用Kelvin变换和移动平面法证明了积分方程
的Liouville型定理.这个积分方程与带有Navier边值条件的多调和方程
密切相关, 其中$0 < 2m < n$, $1 < p\le\frac{n+2m}{n-2m}$, 这里$m$是一个整数.
Fang和Chen[10]考虑了如下单个积分方程
其中$G(x, y)$是${\Bbb R}^n_+$上的Green函数.在局部可积的条件下, Fang和Chen利用积分形式的移动平面法证明了积分方程(1.4)正解不存在.并且, Fang和Chen还证明了积分方程(1.4)与如下带有Dirichlet边值条件的多调和方程
等价, 其中, 若$2m\ge n$, 则$p>1$; 若$n>2m>0$, 则$1<p\le\frac{n+2m}{n-2m}$. Reichel和Weth[8]利用Kelvin变换, 对Dirichlet问题(1.5)经典的非负有界解证明了Liouville型定理.特别地, 对于$m=1$的情况, Gidas和Spruck[4]对于相应的Dirichlet问题证明了Liouville型定理; Li和Zhu[7]分别在临界指数和次临界指数的条件下考虑了(1.5) 正解的不存在性.
注意到Dou和Li[11]在上半空间中建立了如下方程组
的Liouville型定理, 其中$1<\alpha<n$, 且$f, g$满足类似于(ⅰ)和(ⅱ)的某些自然结构条件.特别地, 当$f(v)=v^{\frac{n+\alpha}{n-\alpha}}$及$g(u)=u^{\frac{n+\alpha-2}{n-\alpha}}$时, Dou和Zhu[12]表明方程组(1.6) 恰好是上半空间相应于HLS不等式的Euler-Lagrange方程.并且, 利用积分形式的移动球面法及Li-Zhu引理[7], Dou和Zhu对方程组(1.6) 的正解进行了分类.
在全空间${\Bbb R}^{n}$的情形下, 存在类似于方程组(1.1) 的积分方程组
其中指数满足: $\frac{n}{n-\alpha} < p_i+q_i\leq \frac{n+\alpha}{n-\alpha}\, (i=1, 2).$ Dou, Qu[13]和Dou[14]分别利用积分形式的移动平面法和积分形式的移动球面法对方程组(1.7) 给出正解的分类.
在$p_1=q_2=0, \, q_1=q, \, p_2=p$的情形下, 积分方程组(1.7) 简化为
其中$1 < p, q < \infty$满足$\frac{1}{p+1}+\frac{1}{q+1}=\frac{n-\alpha}{n}.$方程组(1.8) 的解恰好是${\Bbb R}^{n}$上HLS不等式的极值函数.通过引入积分形式的移动平面法, 在自然可积条件$u\in L^{p+1}({\Bbb R}^{n})$及$v\in L^{q+1}({\Bbb R}^{n})$下, Chen, Li和Ou[15]对方程组(1.8) 的正解进行了分类.后来, Hang[16]把这个结果发展到$\frac \alpha {n-\alpha}<p, q<\infty$及$u\in L^{p+1}_{\mbox{loc}}({\Bbb R}^{n})$的情形下.对于次临界指数$\frac{1}{p+1}+\frac{1}{q+1}>\frac{n-\alpha}{n}$的情形, 当$0<p\leq\frac{n}{n-\alpha}$或$0<q\leq\frac{n}{n-\alpha}$时, Chen和Li[17]证明了方程组(1.8) 正解的不存在性.特别地, 当$u=v$及$p=q=\frac{2n}{n-\alpha}$时, 方程组(1.8) 简化为单个方程. Chen, Li和Ou[18]利用积分形式的移动平面法给出方程正解的分类.同时, Li[5]利用积分形式的移动球面法给出方程正解的分类.
然而, 到目前为止, 上半空间${\Bbb R}_+^n$方程组(1.1) 正解的Liouville型定理还没有得到建立.受到文献[9, 11]中结果的启发, 本文将利用积分形式的移动球面法对方程组(1.1) 建立正解的Liouville型定理.本文的主要结论有:
定理1.1 假设$f_i, g_i:\, [0, \infty)\to [0, \infty)$是非负函数且满足条件(ⅰ)和(ⅱ).并且, $(u, v)$是方程组(1.1) 的非负解, 且满足条件
其中$\theta=\frac {2n}{n-\alpha}$.则对任意的$\frac{n}{n-\alpha}<s<\infty $, 有$ u, v\in L^s ({\Bbb R}_+^n)\bigcap L^\infty({\Bbb R}_+^n) $.并且, $u, v \in C^\infty({\Bbb R}_+^n)$.
定理1.2 在定理1.1的条件下, 方程组(1.1) 只有平凡解.
注1 定理1.2的证明主要采用积分形式的移动球面法, 这个方法首次由Li和Zhu[7]提出.随后, Li, Zhang[6]和Li[5]分别改进了Li和Zhu的结果.移动球面法可以快速地表明具有共形不变的椭圆方程解的表达式, 并且还可以证明具有次临界指数的椭圆方程解的不存在性, 无需事先给出方程解的对称性.
注2 近几年来, 非线性方程解的性质逐渐成为研究热点.例如, 赵金虎等[19]利用移动平面法研究了一类完全非线性椭圆型方程组解的对称性.胡良根[20]利用Pohozaev恒等式研究了非线性Hénon方程解的Liouville型定理.
本文组织如下:第$2$节证明方程组(1.1) 正解的正则性结论(定理1.1).第$3$节给出本文要用到的一些引理.第$4$节利用积分形式的移动球面法证明定理1.2.
在这一节, 我们证明方程组(1.1) 正解的正则性结果.对于$R>0, $记
当$x=0$时, 记$B_R=B_R(0), B_R^+=B_R^+(0), \Sigma_{R}=\Sigma_{0, R}$.在后文中, 用$\|u\|_p$来表示相应区域上的$L^p$范数.
首先, 回顾${\Bbb R}^n_+$上的HLS不等式(可参见文献[21-22]):令$C(n, \alpha, p)$是一个正常数, 且定义
则对任意的$p>\frac{n}{n-\alpha}$, 有
定义
及
显然, $u_b(x)$有界, 且$\mbox{supp}u_b \subset B_R^+(0)$.类似地定义$v_R$及$v_b$.对$\frac n{n-\alpha}<s<\infty$, 假设$\phi, \varphi \in L^s({\Bbb R}_+^n) $.记
定义$L^{s}({\Bbb R}_+^n)\times L^{s}({\Bbb R}_+^n)$上的范数为
并且, 记$T\, :\, L^{s}({\Bbb R}_+^n)\times L^{s}({\Bbb R}_+^n)\to L^{s}({\Bbb R}_+^n)\times L^{s}({\Bbb R}_+^n)$为映射
定理1.1的证明 第一步. 首先对任意的$s> \frac{n}{n-\alpha}$, 证明$u, v\in L^s ({\Bbb R}_+^n)$.事实上, 对任意的$\varphi, \phi\in L^s({\Bbb R}_+^n)$, 由HLS不等式(2.1)及Hölder不等式, 有
其中$\theta=\frac{n(p_1+q_1-1)}{\alpha}=\frac{2n}{n-\alpha}$及$p_1 + q_1=\frac{n+\alpha}{n-\alpha}.$
由于${F_1^{1/{p_1}}(u)u}, $$\, G_1^{1/{q_1-1}}(v)v\in L^{\theta}({\Bbb R}_+^n), $可以选择充分大的$R$使得如下不等式成立
因此, 由(2.2) 式推出
类似地, 有
从(2.3) 式及(2.4) 式, 推出
因此, $T$是从$L^{s}({\Bbb R}_+^n)\times L^{s}({\Bbb R}_+^n)$到自身的压缩映射.
根据(1.1) 式, 容易证明
由于函数$u_b$和函数$v_b$在${\Bbb R}_+^n$中都是一致有界且有紧支集, 且$F_i, \, G_i \, (i=1, 2)$都是局部有界的, 因此从(2.1) 式推出
根据正则提升定理(参见文献[22, 定理3.3.1]),
利用类似文献[13]中的推导, 可以证明$u, v\in L^\infty({\Bbb R}_+^n)$.
第二步.对$R>0$, 记
于是, 我们有
注意到$u_2, v_2\in C^\infty({\Bbb R}_+^n)$, $R>0$, 且$u_1$及$v_1$在$B_R^{+}(0)\backslash\{0\}$中是Hölder连续的.因为$R$是任意的, 所以$u, v$在${\Bbb R}^{n}_+$中至少是Hölder连续的.故由靴套定理推出$u, v\in C^\infty({{\Bbb R}^{n}_+})$.
在这一节中, 我们列出几个本文要用到的引理.首先, Kelvin变换定义为
其中$\xi^{x, \lambda}=x+\frac{\lambda^2(\xi-x)}{|\xi-x|^2}, x\in\partial {\Bbb R}^n_+, \lambda>0.$
我们首先建立如下引理.
引理3.1 令$1<\alpha<n, $且$(u, v)$是方程组(1.1) 的一组正解.则对$x\in \partial{\Bbb R}^{n}$, 有
并且,
其中,
并且, 我们有
证 对任意的$x\in\partial{\Bbb R}^n_+, z\in{\Bbb R}^n_+$, 令
则我们有
为简单起见, 记
因此, 方程组(1.1) 中的$u(\xi^{x, \lambda})$重新记为
令$y=z^{x, \lambda}$, 直接计算得
其中$\tau:=p_1 + q_1=\frac{n+\alpha}{n-\alpha}.$利用如下关系式[5]
我们推出
类似地, 我们有
其中, 对任意的$x\in\partial{\Bbb R}^n_+, \xi\in{\Bbb R}^n_+, $用到了如下关系式:
因此, 我们有
这表明(3.1) 式成立.类似地可以推出(3.2) 式成立.
下面, 证明(3.3) 式.首先, 我们有
从$A^-_{x, \lambda}(\xi)$及$A^-_{x, \lambda}(\bar{\xi})$的计算过程, 容易证明
从$A^+_{x, \lambda}(\xi)$及$A^+_{\bar{x}, \lambda}(\bar{\xi})$的计算过程, 并利用$(\xi^{x, \lambda})^{x, \lambda}=\xi, $ $(\omega_{x, \lambda})_{x, \lambda}=\omega$及$|\xi^{x, \lambda}-x|=\frac{\lambda^2}{|\xi-x|}$, 推出
将上面两个不等式带入(3.5) 式, 可以得到(3.3) 式.类似地, (3.4) 式也可得证.与文献[9, 11-12]中的推导类似, 有$ P(x, \lambda;\xi, z)>0, $对$ \forall |\xi-x|, \, |z-x|\geq\lambda>0$.因此, 引理3.1得证.
特别地, 当$F_i, G_i(i=1, 2)$为常数时, (3.1) 式与(3.2) 式是方程组(1.1) 的共形不变形式, 参见文献[23]及其中的文献.
本文还需要如下的两个引理.第一个引理由文献[5]给出, 并且在更强假设下的结论由Li和Zhu[7]及Li和Zhang[6]给出.第二个引理由Dou和Zhu[12]给出, 它把文献[5]中的引理$5.7$推广到了上半空间.
引理3.2[5, 引理5.8] 令$n\ge 1$, $\mu \in {\Bbb R}$, 及$f\in C^0({\Bbb R}^n).$假设对任意的$x\in{\Bbb R}^n$, 存在$\lambda>0$使得
因此, 存在$a\ge0, d>0$及$\bar{x}\in{\Bbb R}^n$, 使得
引理3.3[12, 引理3.7] 对$n\ge 1$及$\mu \in {\Bbb R}$, 若$f$是定义在${\Bbb R}^n_+$上的实值函数且满足
本节利用积分形式的移动球面法证明定理1.2.记
首先建立方程组(1.1) 正解的单调性引理.
引理4.1 令$u$是方程组(1.1) 的正解.则对任意的$x\in\partial{\Bbb R}_+^n$, 存在$\lambda_0(x)>0$使得
证 利用(3.3) 式, 假设(ⅰ), (ⅱ)及平均值定理, 对$\xi\in\Sigma_{x, \lambda}^{u}$, 我们有
令$\theta=\frac {2n}{n-\alpha}$, 则对$I_1$利用HLS不等式(2.1) 及广义的Hölder不等式推出
这里利用到了关系式
类似(4.3) 式的推导, 有
根据(4.2)-(4.4) 式, 推出
其中$\Sigma_{x, \lambda}^C$是$\Sigma_{x, \lambda}$的补集.类似地, 可以证明
结合(4.5) 和(4.6) 式, 推出
根据假设(H), 选取足够小的$\lambda_0(x)$使得对$0<\lambda<\lambda_0$, 有
这表明$\big\|u_{x, \lambda}-u\big\|_{{L^\theta}{(\Sigma_{x, \lambda}^u)}}=$$\big\|v_{x, \lambda}-v\big\|_{{L^\theta}{(\Sigma_{x, \lambda}^v)}}=0$, 所以$\Sigma_{x, \lambda}^u$和$\Sigma_{x, \lambda}^v$的测度都为零, 从而根据$u$和$v$的连续性可知$\Sigma_{x, \lambda}^u$和$\Sigma_{x, \lambda}^v$都是空集.因此, (4.1) 式得证.
对$x\in\partial{\Bbb R}_+^n, \ \xi\in{\Bbb R}_+^n, $定义
引理4.2 若$f_i(u)=m_i u^{p_i}, \, g_i(v)=l_i v^{q_i} \, (i=1, 2), $则对任意的$x\in\partial{\Bbb R}^{n}_+$, 有$\bar{\lambda}(x)<\infty$, 并且
若$f_i(u)=m_i u^{p_i}, \, g_i(v)=l_i v^{q_i} \, (i=1, 2), $即$F_i(u)=m_i, \, G_i(v)=l_i \, (i=1, 2), $这种情形的结果已由文献[9]给出, 此处省略证明.
下面将证明当$f_i(u)\neq m_i u^{p_i}$或$ g_i(v)\neq l_i v^{q_i} \, (i=1, 2)$时, 球面会一直向外移动, 不会停止.
引理4.3 若$F_i(u)\neq m_i $或$ G_i(v)\neq l_i \, (i=1, 2), $则$\bar{\lambda}(x)=\infty$, 其中$x\in\partial{\Bbb R}^{n}_+.$
证 本定理的证明与文献[11]中的引理$3.3$和文献[12]中的引理$3.4$的证明类似.利用反证法证明, 假设$F_i(u)\neq m_i $或$ G_i(v)\neq l_i \, (i=1, 2), $则存在$x_0\in\partial{\Bbb R}^{n}_+$使得$\bar{\lambda}(x_0)<\infty $.于是, 根据$\bar{\lambda}$的定义推出
令$x=x_0, \lambda=\bar{\lambda}$, 根据(3.3) 和(3.4) 式推出
对固定的$R$和任意的$\delta>0$, 存在$c_1, c_2$使得
因此, 可选取足够小的$\varepsilon<\delta$使得对$\lambda\in[\bar{\lambda}, \bar{\lambda}+\varepsilon)$, 有
上式表明$\Sigma_{x_0, \lambda}^u$和$\Sigma_{x_0, \lambda}^v$与$\Sigma_{x_0, \bar{\lambda}+\delta}\cap B^+_R(x_0) $没有交集.于是, $\Sigma_{x_0, \lambda}^u$和$\Sigma_{x_0, \lambda}^v$都包含在如下的集合
并且, 在关于球面$\{\xi: |\xi-x_0|=\lambda, ~\xi\in{\Bbb R}^n_+\}$的Kelvin变换下, 集合$\Omega_{\lambda, R}$的反射集合为
其中, 当$R\to \infty$时, $\varepsilon_1=\lambda/R$任意小.显然, 对足够小的$\varepsilon_1, \delta$及足够大的$R$, 集合$(\Omega_{\lambda, R})^*$的测度任意小.
类似于(4.7) 式, 对$\lambda\in[\bar{\lambda}, \bar{\lambda}+\varepsilon), $可以推出
根据假设(H), 可以选取足够小的$\varepsilon_1, \, \delta$及足够大的$R$, 使得对$\lambda\in[\bar{\lambda}, \bar{\lambda}+\varepsilon), $有
因此, 得到
于是推出$\Sigma_{x_0, \lambda}^{u}$和$\Sigma_{x_0, \lambda}^v$都是零测集.从而, 有
其中$ \lambda\in[\bar{\lambda}, \bar{\lambda}+\varepsilon) $, 这与$\bar{\lambda}$的定义矛盾.所以, 引理4.3得证.
定理1.2的证明 情形1 若$F_i(u)=m_i, \, G_i(v)=l_i, \, (i=1, 2), $即, $f_i(u)=m_i u^{p_i}, \, g_i(v)=l_i v^{q_i}, \, p_i + q_i=\frac{n+\alpha}{n-\alpha}.$从引理4.2, 我们推出对任意的$x\in\partial{\Bbb R}^{n}_+$, 有$\bar{\lambda}(x)<\infty$, 且
根据定理1.1和定理3.2, 推出
其中$c_1, c_2, d>0$, $\xi_0=(\xi_0', d)\in{\Bbb R}_+^n.$
然而, 从方程组(1.1) 的第一个方程, 推出
这与(4.8) 式矛盾.于是, 推出$u\equiv0 $.类似地, 推出$v\equiv0 $.
情形2 若$F(t)\neq m_1$或$G(s)\neq m_2, $从引理4.3, 推出对任意的$x \in\partial{\Bbb R}^{n}_+$, 有$\bar{\lambda}(x)=\infty $.于是
利用引理3.3, 推出$u(\xi)=u(\xi_n)$和$v(\xi)=v(\xi_n)$, 其中$\xi=(\xi', \xi_n)\in {\Bbb R}^{n-1}\times (0, \infty).$
类似于文献[24], 利用Silvestre[25]的极值原理, 假设$u>0, \, v>0$.于是, 由(1.1) 式, 推出$F_i, \, G_i >0(i=1, 2).$
下面对$G(\xi, y)=:\frac{1}{|\xi-y|^{n-\alpha}}-\frac{1}{|\bar{\xi}-y|^{n-\alpha}} $进行估计.通过直接计算, 推出
其中$\xi=(\xi', \xi_n), y=(y', y_n)\in {\Bbb R}^{n-1}\times (0, \infty).$
为简单起见, 记$s=|\bar{\xi}-y|^2, \, t=4 \xi_n y_n.$令$s\rightarrow \infty, $即$\frac t s \rightarrow 0, $则有
这里用到了平均值定理, 且$1-\frac{t}{s}\leq K(s, t)\leq 1.$
记$r=|\xi'-y'|$及$a=\xi_n+y_n.$若$u(\xi)=u(\xi_n)$和$v(\xi)=v(\xi_n)$是方程组(1.1) 的一组解, 则对取定的$\xi\in {\Bbb R}_+^{n}$及足够大的$R$, 由(4.10) 式推出
这表明当$i\rightarrow \infty$时, 存在序列$\{y_n^i\}\rightarrow\infty$使得
类似于(4.11) 式, 对任意的$\xi=(0, \xi_n)\in {\Bbb R}_+^{n}, $可以推出
令$\xi_n=2R$足够大.由(4.13) 式推出
当$\alpha\geq 2$时, (4.14) 及(4.15) 式与(4.12) 式矛盾.于是, 下面只需证明$\alpha\in (0, 2)$的情形.
联合(4.13), (4.14) 及(4.15) 式, 对足够大的$\xi_n=2R$, 有
其中$\tau=p_1+q_1=\frac{n+\alpha}{n-\alpha}.$继续迭代$m$次, 对$\xi_n=2R, $推出
从(4.16) 和(4.17) 式, 对足够大的$\xi_n$, 推出
其中$P(\tau)=:\big[\tau^m(\alpha-2)+\frac{\tau^m-1}{\tau-1}\big]\tau+\alpha>0.$事实上, 记
则有
其中, 当$n\geq 4, \, \alpha\in (0, 2)$时, 选取$m\geq \big[\frac{8-2\alpha-2\alpha^2}{\alpha^2} \big]+1 $, 且当$n= 4, \, \alpha\in (0, 1)\cup (1, 2)$时, $m\geq \big[\frac{6-2\alpha^2}{\alpha^2-\alpha} \big]+1 .$这里, $ \big[a \big] $表示$a$的整数.从而, $f(\tau)>f(1)=0, $即$P(\tau)>0.$
显然, (4.18) 与(4.12) 式矛盾.于是推出方程组(1.1) 没有正解.