考虑带有超线性项和次线性项的Klein-Gordon-Maxwell系统
这里$4<p<6$, $1<q<2$, $\omega > 0$, $\phi:{\Bbb R}^3\rightarrow {\Bbb R}$, $\lambda>0$是一个参数, $a(x)$、$b(x)$是非负连续函数.该类问题起源于数学物理领域中的某些应用问题. 2001年Benci和Fortunato在文献[1]中为了描述三维空间中非线性Klein-Gordon场与静电场之间相互作用产生的孤立波问题, 提出了半线性Klein-Gordon-Maxwell方程组模型
其中$4<p<6$, $m, \omega$均为实数, $m$和$e$分别代表粒子的质量和电量, $\omega$为相位.更多物理方面的详述参见文献[2-6].如下形式的系统
贺小明在文献[7]中第一次证明了问题(1.2) 无穷多解的存在性.通过对$V$和$f$加不同的条件, 便可得到众多的解的存在性和多解性的结果.李林等在文献[8]中研究了系统(1.2) 无穷多驻波解的存在性, 其中$f$在无穷远处是超线性的.文献[9]中, 唐春雷等考虑了带有超线性项或次线性项的Schrödinger-Poisson系统解的存在性和多重性.近期, 在文献[10]中, 孙明正、苏加宝和赵雷嘎研究了带有混合项的Schrödinger-Poisson系统解的存在性和多重性.
受文献[7-10]启发, 本文利用对称山路定理研究带有超线性项和次线性项的Klein-Gordon-Maxwell系统无穷多解的存在性.
我们列出以下关于$a(x)$和$b(x)$的假设:
(Ha1) $a(x)\in L^{\frac{6}{6-p}}({\Bbb R}^3)\cap L^{\infty}({\Bbb R}^3)$;
(Ha2) 对任意的$x\in {\Bbb R}^3$, $a(x)> 0$;
(Hb1) $b(x)\in L^{\frac{2}{2-q}}({\Bbb R}^3)\cap L^{\infty}({\Bbb R}^3)$;
(Hb2) 对任意的$x\in {\Bbb R}^3$, $b(x)>0$.
本文的主要结果如下:
定理1.1 假设条件(Ha1)-(Ha2) 以及(Hb1)-(Hb2) 成立, 则存在$\lambda_0>0$, 当$\lambda<\lambda_0$时, 系统(1.1) 有一序列解$\{(u_n, \phi_n)\}\subset H^1({\Bbb R}^3)\times D^{1, 2}({\Bbb R}^3)$, 且对应的能量值趋于无穷大.
设$E=H^1({\Bbb R}^3)$是通常的Sobolev空间, 其上的范数为$\|u\|^2=\int_{{\Bbb R}^3}|\nabla u|^2+u^2{\rm d}x$. $D^{1, 2}({\Bbb R}^3)$是空间$C_0^{\infty}({\Bbb R}^3)$关于范数$\|u\|^2_{D^{1, 2}}=\int_{{\Bbb R}^3}|\nabla u|^2{\rm d}x$的完备化得到的Hilbert空间.设$1\leq p<\infty$, $L^{p}({\Bbb R}^3)$表示通常的Lebesgue空间, 其上的范数为$\|u\|_p=(\int_{{\Bbb R}^3}|u|^p{\rm d}x)^{1/p}$.显然, 空间嵌入$E\hookrightarrow L^p({\Bbb R}^3)$ $(2\leq p\leq 6)$是连续的. $C$, $C_i$表示不同的正常数.
令$L^p({\Bbb R}^3, a)(2\leq p< 6)$表示加权的Lebesgue空间$\{u:{\Bbb R}^3\rightarrow {\Bbb R}$是可测函数, 且$\int_{{\Bbb R}^3}a(x)|u|^p{\rm d}x<+\infty\}$, 其上的范数定义为
同样, $L^q({\Bbb R}^3, b)(1<q<2)$表示加权的Lebesgue空间$\{u:{\Bbb R}^3\rightarrow {\Bbb R}$是可测函数, 且$\int_{{\Bbb R}^3}b(x)|u|^q{\rm d}x<+\infty\}$, 其上的范数定义为
显然$L^p({\Bbb R}^3, a)$, $L^q({\Bbb R}^3, b)$是完备的.
下面证明一个重要的引理.
引理2.1 在(Ha1)-(Ha2) 条件下, 空间嵌入$E\hookrightarrow L^p({\Bbb R}^3, a)\quad (4<p<6)$是紧的.
证 只需证明$\{u_n\}\subset E$, 且在$E$中$u_n\rightharpoonup 0(n\rightarrow \infty)$, 在$L^{p}({\Bbb R}^3, a)$中$u_n\rightarrow 0(n\rightarrow \infty)$.
因为
其中$B_R=\{x\in {\Bbb R}^3: |x|\leq R\}$.
首先, 由局部紧嵌入定理可知$E\hookrightarrow L_{loc}^p({\Bbb R}^3)(p\in [2, 6))$是紧的.因此, 当$n$充分大时, 有
另一方面, 由条件(Ha1), $a(x)\in L^{\frac{6}{6-p}}({\Bbb R}^3)$可得:当$R$充分大时, 有
结合(2.1)–(2.2) 式可得, 存在$R>0$, 当$n$充分大时, 有
即$u_n\rightarrow 0, (n\rightarrow \infty)$在$L^p({\Bbb R}^3, a)$中强收敛.
命题2.1[7] 对于任何固定的$u\in H^1({\Bbb R}^3)$, 存在唯一的函数$\phi=\phi_u\in D^{1, 2}({\Bbb R}^3)$, 满足方程
再者泛函$\Phi:u\in H^1({\Bbb R}^3)\rightarrow \Phi[u]:=\phi_u\in D^{1, 2}({\Bbb R}^3)$连续可微且
(ⅰ) 在集合$\{x| u(x)\neq 0\}$上, $-\omega \leq \phi_u\leq 0$.
(ⅱ) $\|\phi_u\|_{D^{1, 2}}\leq C_1\|u\|^2$, 且$\int_{R^3}|\phi_u|u^2{\rm d}x\leq C_1\|u\|_{12/5}^4\leq C_1\|u\|^4$.
将(2.3) 式乘以$\phi_u$并且利用分部积分可得
因此, 问题(1.1) 所对应的能量泛函$J:E\rightarrow {\Bbb R}$为
由引理2.1和命题2.1可知泛函$J$是有意义的.更进一步, $J$是一个$C^1$泛函, 并且对任意$ u, v\in E$, 有
命题2.2[1] 下面的是两个等价的命题
(ⅰ) $(u, \phi_u)\in H^1({\Bbb R}^3)\times D^{1, 2}({\Bbb R}^3)$是系统(1.1) 的解;
(ⅱ) $u\in H^1({\Bbb R}^3)$是泛函$J$的一个临界点, 并且$\phi=\phi_u$.
命题2.3[11] 令$E$是无限维的Banach空间且$I\in C^1(E, {\Bbb R})$为偶泛函, 满足(PS)条件且$I(0)=0$.如果$E=Y\oplus Z$, 其中子空间$Y$是有限维的, 并且$I$满足
(ⅰ) 存在常数$\rho, \alpha>0$满足$I_{{\partial B_\rho}\cap Z}\geq \alpha$;
(ⅱ) 对任意的有限维子空间$\widetilde{E}\subset E$, 存在常数$R=R(\widetilde{E})>0$满足:当$u\in \widetilde{E}\backslash {B_R}$时, $I(u)\leq 0$.则泛函$I$有一列无界的临界值.
为证明定理1.1, 我们需要以下引理.
令$\{e_i\}$为空间$E$的一组正交基. $X_i={\Bbb R}e_i$, $Y_k=\bigoplus_{i=1}^{k}X_i$, $Z_k=\bigoplus_{i=k+1}^{\infty}X_i$, $k\in N$.
引理3.1 假设条件(Ha1)-(Ha2) 以及(Hb1)-(Hb2) 成立.则任何序列$\{u_n\}\subset E$使得
有界, 且$\{u_n\}$有一个收敛的子序列.
证 令$\{u_n\}\subset E$且$J(u_n)\rightarrow c>0, \quad \langle J'(u_n), u_n\rangle \rightarrow 0$.我们断言$\{u_n\}$有界.若不然, 则存在一子序列(仍记为$\{u_n\}$)满足$\|u_n\|\rightarrow \infty \ (n\rightarrow \infty)$.
由条件(Hb1) 可得
因此, 当$n$充分大时, 有
这是矛盾的.故序列$\{u_n\}$有界.
由于序列$\{u_n\}$有界, 对任何固定的$R>0$, 令$\xi_R\in C^{\infty}({\Bbb R}^3, {\Bbb R})$满足
且$|\nabla \xi_R(x)|\leq \frac{C}{R}$.则对任何$u\in E$, $R\geq 1$, 存在常数$C>0$, 使得$\|\xi_Ru\|\leq C\|u\|$.
因此$\langle J'(u_n), \xi_Ru_n\rangle=o(1)$, 即
根据Hölder不等式, 有
且
结合(3.1)–(3.3) 式可得
这意味着, 对任意给定的$\epsilon>0$, 存在常数$R>0$, 使得当$n$充分大时, 有
因为$\{u_n\}$有界, 则存在一子序列(仍记为$\{u_n\}$)满足在$E$中$u_n\rightharpoonup u\ (n\rightarrow \infty)$.根据(3.4) 式和空间局部紧嵌入$H^1({\Bbb R}^3)\hookrightarrow L_{loc}^p({\Bbb R}^3)\quad (p\in [2, 6))$, 有
要证明在$E$中$u_n\rightarrow u, (n\rightarrow \infty)$, 只需验证$\|u_n\|\rightarrow \|u\|$.因为$\langle J'(u_n), u\rangle=o(1)$, $\langle J'(u_n), u_n\rangle=o(1)$, 我们可以得到
并且我们有
事实上, 由Hölder不等式, 命题2.1和Sobolev不等式, 有
根据(3.5) 式, $u_n\rightarrow u$在$L^p({\Bbb R}^3)$对所有的$2\leq p<6$, 我们有
和
根据条件(Ha1)-(Ha2), (Hb1)-(Hb2) 可得
因为$u_n\rightharpoonup u(E)$, 根据引理2.1, $E\hookrightarrow L^p ({\Bbb R}^2, a)$是紧嵌入的, 所以
又根据(3.5) 式和Hölder不等式, 有
结合(3.6)–(3.10) 式可推出$\|u_n\|\rightarrow \|u\|$.因此, $u_n\rightarrow u$在$E$中强收敛.
引理3.2 假设条件(Ha1)-(Ha2) 和(Hb1)-(Hb2) 成立, 则对任意有限维子空间$\widetilde{E}\subset E$, 存在$R=R(\widetilde{E})>0$使得
证 因为有限维空间$\widetilde{E}\subset E$上所有的范数等价, 所以存在常数$C_p>0$, $C_q>0$使得$\|u\|_{p, {\Bbb R}^3, a}\geq C_p\|u\|_E$, $\|u\|_{q, {\Bbb R}^3, b}\geq C_q\|u\|_E$.
因此我们有
证毕.
引理3.3 在条件(Ha1)-(Ha2), (Hb1)-(Hb2) 下, 存在常数$\rho, \alpha>0$使得$J|_{\partial B_{\rho}\cap Z_k}\geq \alpha$.
证 根据引理2.1和命题2.1, 有
令
因为$1<q<2<p$, 所以函数$g(t)$在$t_0\in (0, +\infty)$取到最大值.而且当$\lambda<\lambda_0:=\frac{\frac{1}{2}-C_2|a|_{6/6-p}t_0^{p-2}}{C_3|b|_{2/2-q}t_0^{q-2}}$时, 最大值
令$\rho=t_0$, $\alpha=g(\rho)\rho^2$可得$J(u)\geq \alpha, \quad \forall u\in Z_k, \quad \|u\|=\rho$.
定理1.1的证明 根据引理2.1和命题2.1可知泛函$J\in C^1(E, {\Bbb R})$为偶泛函.其次, 引理3.1说明$J$满足(PS)条件.最后, 由引理3.2和3.3可知泛函$J$满足命题2.3的几何条件, 即在$E$的有限维子空间$\widetilde{E}$上, 当$\|u\|_E$足够大时, $J(u)\leq 0$; 令$\lambda_0:=\frac{\frac{1}{2}-C_2|a|_{6/6-p}t_0^{p-2}}{C_3|b|_{2/2-q}t_0^{q-2}}$, $t_0\in (0, +\infty)$, 当$\lambda<\lambda_0$时, 存在常数$\rho=t_0$, $\alpha=g(\rho)\rho^2$, 使得当$u\in Z_k$且$\|u\|=\rho$时, $J(u)\geq \alpha$.
至此, 泛函$J$满足命题2.3的所有假设, 所以问题(1.1) 有穷多解$\{(u_n, \phi_n)\}\subset H^1({\Bbb R}^3)\times D^{1, 2}({\Bbb R}^3)$, 且对应的能量值趋于无穷大.