本文将研究如下$p$-Kirchhoff型方程组
其中$M_{1}(s)=a+bs$, $M_{2}(s)=c+ds$ ($a$, $c>0$, $b$, $d\geq 0$), $2\leq p<N$, $V\in C({\Bbb R}^{N}, {\Bbb R}), $ $F\in C^{1}({\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}, {\Bbb R})$且$F_{u}=\frac{\partial F}{\partial u}$, $F_{v}=\frac{\partial F}{\partial v}.$
近年来, Kirchhoff型问题引起了人们广泛的关注.这一问题与方程
的稳态形式密切相关, 其中$\rho$, $\rho_{0}$, $h$, $E$和$L$为常数.问题(1.2)作为由弹性弦的横向自由振动所产生的古典D'Alembert波方程的一种扩展形式, 由Kirchhoff在文献[1]中最早提出.由于此类问题包含$[0, L]$上的积分, 不再点点恒等, 故称为非局部问题.
随后, 出现了很多Kirchhoff方程模型, 参见文献[2, 7-9, 12-16]等.特别地, Zhou, Wu和Wu在文献[3]中研究了问题(1.1), 其中$p=2$, 且函数$V$和$F$满足如下条件:
$(v_{0})$ $V\in C({\Bbb R}^{N}, {\Bbb R})$满足$\inf\limits_{x\in {\Bbb R}^{N}} V(x)\geq a_{1}>0$, 且对任意$M>0$, 有$\mbox{meas}\{x\in {\Bbb R}^{N}: V(x)\leq M\}<+\infty$, 其中$a_{1}$是一常数, $\mbox{meas}$表示${\Bbb R}^{N}$中的Lebesgue测度;
$(f_{1})$ $F\in C^{1}({\Bbb R}^{N}\times{\Bbb R}^{2}, {\Bbb R})$, 且存在$2<p$, $q<2^{*}$, 有$|F_{u}(x, u, v)|\leq c(1+|(u, v)|^{p-1})$, $|F_{v}(x, u, v)|\leq c(1+|(u, v)|^{q-1})$, 其中$c$为一正常数, $|(u, v)|=(u^{2}+v^{2})^{\frac{1}{2}}$;
$(f_{2})$当$|(u, v)|\rightarrow 0$时, $F_{u}(x, u, v)=o(|(u, v)|)$且$F_{v}(x, u, v)=o(|(u, v)|)$对任意$x\in {\Bbb R}^{N}$一致成立;
$(f_{3})$当$|(u, v)|\rightarrow +\infty$时, $\frac{F(x, u, v)}{|(u, v)|^{4}}\rightarrow \infty$对任意$x\in {\Bbb R}^{N}$一致成立;
$(f_{4})$存在常数$r>0$使得对任意$x\in {\Bbb R}^{N}$且$|(u, v)|\geq r$, 有
$(f_{5})$对任意$(x, u, v)\in {\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}$, 有$F(x, -u, -v)=F(x, u, v)$.
于是, 文献[3]得到如下结果.
定理A 假设条件$(v_{0})$, $(f_{1})-(f_{5})$成立.则问题(1.1) ($p=2$)存在无穷多个高能量解, 即解序列$\{(u_{n}, v_{n})\}$满足$\lim\limits_{n\rightarrow\infty}I(u_{n}, v_{n})=+\infty$.
定理B 若将条件$(f_{1})$和$(f_{2})$用如下条件替换, 则定理A的结论依然成立.
$(f_{6})$ $F\in C^{1}({\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}, {\Bbb R})$, 且存在$2<p$, $q<2^{*}$使得$|F_{u}(x, u, v)|\leq C(|(u, v)|+|(u, v)|^{p-1})$, $|F_{v}(x, u, v)|\leq C(|(u, v)|+|(u, v)|^{q-1})$, 其中$C$为一正常数.
受以上结果的启发, 本文将进一步研究问题(1.1), 其中$p\geq2$.通过减弱文献[3]的条件, 我们推广并完善了其中的结果, 且得到与定理A和B类似的结论.
具体来说, 假设函数$V$和$F$满足如下新的条件
$(V_{0})$ $V\in C({\Bbb R}^{N}, {\Bbb R})$满足$\inf\limits_{x\in {\Bbb R}^{N}} V(x)>-\infty$, 且对任意$M>0$, 存在常数$\varrho >0$使得
$(F_{1})$ $F\in C^{1}({\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}, {\Bbb R})$, 且存在常数$c_{1}$, $c_{2}>0$和$\theta_{1}, $ $\theta_{2}\in (p.p^{*})$使得
其中$|(u, v)|=(u^{2}+v^{2})^{\frac{1}{2}}$;
($F_{2}$)当$|(u, v)|\rightarrow+\infty$时, $\frac{F(x, u, v)}{|(u, v)|^{2p}}\rightarrow \infty$对任意$x\in {\Bbb R}^{N}$一致成立, 且存在$r>0$使得对任意$(x, u, v)\in {\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}$且$|(u, v)|\geq r$, 有$F(x, u, v)\geq0$;
($F_{3}$)存在$\mu>0$使得对任意$(x, u, v)\in {\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}$, 都有
本文主要结论如下.
定理1.1 假设条件$(V_{0})$, $(F_{1})-(F_{3})$和($f_{5}$)成立.则问题(1.1)存在无穷多个非平凡解$\{(u_{n}, v_{n})\}$且当$n\rightarrow\infty$时, $\{(u_{n}, v_{n})\}$满足$I(u_{n}, v_{n})\rightarrow+\infty, $其中$I(u, v)$表示问题(1.1)相对应的能量泛函.
注1.1 显然, 条件($V_{0}$)比($v_{0}$)弱.并且, 若在条件$(F_{1})-(F_{3})$中选取$p=2$, 则易由条件$(f_{6})$和$(f_{4})$推出$(F_{3})$.又由于条件$(f_{6})$比$(f_{1})$和$(f_{2})$弱, 则由条件$(f_{1})$, $(f_{2})$和$(f_{4})$也可推出条件$(F_{3})$.
在建立问题(1.1)的变分环境之前, 我们注意到由条件$(V_{0})$知存在常数$V_{1}>0$使得对任意$x\in {\Bbb R}^{N}$, 都有${\tilde{V}}(x)=V(x)+V_{1}>0$成立.令${\tilde{F}}_{u}(x, u, v)=F_{u}(x, u, v)+V_{1}|u|^{p-2}u$, ${\tilde{F}}_{v}(x, u, v)=F_{v}(x, u, v)+V_{1}|v|^{p-2}v$, 且考虑如下新的方程组
则易得问题(1.1)和(2.1)等价.事实上, 若条件$(V_{0})$, $(F_{1})-(F_{3})$和$(f_{5})$对函数$V$, $F_{u}$和$F_{v}$成立, 则对函数${\tilde{V}}$, ${\tilde{F}}_{u}$和${\tilde{F}}_{v}$也成立.
下面, 我们只需研究等价问题(2.1).于是, 可作如下假设
$({\tilde{V}}_{0})$ $V\in C({\Bbb R}^{N}, {\Bbb R})$满足$\inf\limits_{x\in {\Bbb R}^{N}} V(x)>0$, 且对任意$M>0$, 存在常数$\varrho >0$使得
现在, 引入空间
且赋有范数
显然, $X=E\times E$是一自反的Banach空间, 且$X$中的范数定义为
显然, $X$可连续嵌入到$W^{1, p}({\Bbb R}^{N})\times W^{1, p}({\Bbb R}^{N})$, 且对任意$p\leq \sigma<p^{*}$, $X$可连续嵌入到$L^{\sigma}({\Bbb R}^{N})\times L^{\sigma}({\Bbb R}^{N})$, 即存在$\gamma_{\sigma}>0$使得对任意$(u, v)\in X$, 有
其中$\|(u, v)\|_{\sigma}=(\int_{{\Bbb R}^{N}}(|u|^{\sigma}+|v|^{\sigma}){\rm d}x)^{\frac{1}{\sigma}}$.
由文献[11]中的引理3.1, 我们可进一步得到如下结果.
引理2.1 假设条件$({\tilde{V}}_{0})$成立.则对任意$p\leq \sigma<p^{*}$, 嵌入$X\hookrightarrow L^{\sigma}({\Bbb R}^{N})\times L^{\sigma}({\Bbb R}^{N})$是紧的.
对任意$(u, v)\in X$, 考虑能量泛函
由条件$(F_{1})$知, 对任意$(x, u, v)\in {\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}$, 有
因此, 由假设$({\tilde{V}}_{0})$和$(F_{1})$可知泛函$I\in C^{1}(X, {\Bbb R})$且对任意$\forall (\varphi , \psi)\in X$, 有
并且, 泛函$I$在$X$中的临界点即为问题(2.1)的弱解.问题(2.1)的弱解是指存在$(u, v)\in X$满足对任意$(\varphi , \psi)\in X$, 有$\langle I'(u, v), (\varphi , \psi)\rangle=0$.
下面, 给出文献[10]中的对称山路引理的具体内容, 这是本章定理证明的主要依据.
命题2.1 [10, 定理9.12] 令$E$是一无限维的实Banach空间, 且$E=Y\oplus Z$, 其中$Y$有限维.若对任意$c>0$, $I\in C^{1}(E, {\Bbb R})$满足$(PS)_{c}$条件, 且有
$(I_{1})$ $I(0)=0$, 且对任意$u\in E$, 有$I(-u)=I(u)$;
$(I_{2})$存在常数$\rho$, $\alpha >0$使得$I|_{\partial B_{\rho}\cap Z}\geq \alpha $;
$(I_{3})$对任意有限维子空间${\tilde{E}}\subset E$, 存在$R=R({\tilde{E}})>0$使得对任意$u\in{\tilde{E}}\setminus B_{R}$, 有$I(u)\leq 0$.
则泛函$I$存在一个无界的临界值序列.
引理2.2 假设条件$({\tilde{V}}_{0})$, $(F_{1})-(F_{3})$成立.则对任意$c>0$, 泛函$I$满足$(PS)_{c}$条件.
证 令$\{(u_{n}, v_{n})\}\subset X$为泛函$I$的任一$(PS)_{c}$序列.则有
首先, 证明$\{(u_{n}, v_{n})\}$在$X$中有界.反证.假设当$n\rightarrow\infty$时, $\|(u_{n}, v_{n})\|\rightarrow\infty$, 令$(w_{n}, z_{n})=(\frac{u_{n}}{\|(u_{n}, v_{n})\|}, \frac{v_{n}}{\|(u_{n}, v_{n})\|})$.显然, $\|(w_{n}, z_{n})\|=1$在$X$中有界.由引理2.1知存在子序列(仍记为$\{(w_{n}, z_{n})\}$)和$(w, z)\in X$使得
若$(w, z)=(0, 0)$, 由(2.4)式, 条件$(F_{3})$和Minkowski不等式, 易得
即得到$0\geq \frac{1}{2p}\min\{a, c, 1\}$, 矛盾.
若$(w, z)\neq (0, 0)$, 对任意$0\leq\alpha _{1}<\alpha _{2}$, 我们考虑
和
则有$\mbox{meas}(A)>0$且对$x\in A$, 有$\lim\limits_{n\rightarrow\infty}|(u_{n}, v_{n})|=+\infty$几乎处处成立.于是, 当$n$充分大时, $A\subset \Lambda_{n}(r, +\infty)$, 其中$r$由条件$(F_{2})$给出.因此, 利用(2.3)和(2.4)式, 条件$(F_{2})$和Fatou引理, 可得
矛盾.故得$\{(u_{n}, v_{n})\}$在$X$中有界.于是, 存在子序列(仍记为$\{(u_{n}, v_{n})\}$)和$(u, v)\in X$使得
利用基本不等式
有
由于$\{u_{n}\}$在$E$中有界且根据弱收敛的定义, 当$n\rightarrow\infty$时, 易得
由条件$(F_{1})$和Hölder不等式知当$n\rightarrow\infty$时, 有
其中$|(u, v)|_{\sigma}=(\int_{{\Bbb R}^{N}}|(u, v)|^{\sigma}{\rm d}x)^{\frac{1}{\sigma}}$.故由$I'(u_{n}, v_{n})\rightarrow 0$且$u_{n}\rightharpoonup u$于$E$, 可得$u_{n}\rightarrow u$于$E$.类似地, 可证$v_{n}\rightarrow v$于$E$.证毕.
令$E^{*}$表示$E$的对偶子空间且$\langle\cdot\rangle$表示$E^{*}$与$E$之间的对偶积.由于$E$是一自反且可分的Banach空间, 故存在$e_{j}\in E$和$e_{j}^{*}\in E^{*} $ $(j=1, 2, \cdots )$满足:
(ⅰ) $\langle e_{i}, e_{j}^{*}\rangle=\delta _{i, j}$, 其中$\delta _{i, j}=1$, $i=j$, $\delta _{i, j}=0$, $i\neq j$;
(ⅱ) $E=\overline{\mbox{span}\{e_{1}, e_{2}, \cdots \}}$, $E^{*}=\overline{\mbox{span}\{e_{1}^{*}, e_{2}^{*}, \cdots \}}.$
令$E_{i}=\mbox{span}\{e_{i}\}$, $Y_{k} = %\underset{i=1}{\overset{k} \bigoplus\limits^k_{i=1} E_{i}$, $Z_{k}= \overline{\bigoplus\limits^\infty_{i=k+1} E_{i}}$.则有$E=Y_{k}\bigoplus Z_{k}$且$X=(Y_{k}\times Y_{k})\bigoplus (Z_{k}\times Z_{k}).$定义
则有如下引理.
引理3.1 假设条件$({\tilde{V}}_{0})$成立.则对任意$p\leq\sigma<p^{*}$, 当$k\rightarrow\infty$时, 有$\beta_{k}(\sigma)\rightarrow0$.
证 由于$0\leq \beta_{k+1}\leq \beta_{k}$, 当$k\rightarrow\infty$时, 有$\beta_{k}\rightarrow\beta_{0}\geq 0$.若$\beta_{0}>0$, 由$\beta_{k}$的定义, 存在$(u_{k}, v_{k})\in Z_{k}\times Z_{k}$且$\|(u_{k}, v_{k})\|=1$满足对所有的$k\geq1$, 都有$-\frac{1}{k}\leq \beta_{0}-|(u_{k}, v_{k})|_{\sigma}\leq\frac{1}{k}$.于是, 存在子序列(仍记为$\{(u_{k}, v_{k})\}$)使得$u_{k}\rightharpoonup u$, $v_{k}\rightharpoonup v$于$E$, 且对所有的$j\geq1$, 有$\langle u, e_{j}^{*}\rangle=\lim\limits_{k\rightarrow\infty}\langle u_{k}, e_{j}^{*}\rangle=0$.故可得$u=0$, 即有$u_{k}\rightharpoonup 0$于$E$.从而, 对任意$\sigma\in [p, p^{*})$, 有$u_{k}\rightarrow 0$于$L^{\sigma}({\Bbb R}^{N})$.
同理可证对任意$\sigma\in [p, p^{*})$, $v_{k}\rightarrow 0$于$L^{\sigma}({\Bbb R}^{N})$.矛盾.因此, $\beta_{0}=0.$证毕.
利用引理3.1, 选取正整数$m\geq1$满足对任意$(u, v)\in Z_{m}\times Z_{m}$, 有
引理3.2 假设条件$({\tilde{V}}_{0})$, $(F_{1})$成立.则存在常数$\rho, $ $\alpha >0$使得$I|_{\partial B_{\rho}\cap (Z_{m}\times Z_{m})}\geq\alpha .$
证 对任意$(u, v)\in Z_{m}\times Z_{m}$, 利用(2.3)和(3.1)式, 有
由于$\beta_{k}^{p}(p)\rightarrow 0$, 故可选取常数$k_{0}>0$使得$C\beta_{k_{0}}^{p}(p)<\frac{1}{2p}\min\{a, c, 1\}.$因此, 若$(u, v)\in Z_{m}\times Z_{m}$且$\|(u, v)\|=\rho$充分小, 可得$I(u, v)\geq\alpha >0.$证毕.
引理3.3 假设条件$({\tilde{V}}_{0})$, $(F_{1})$和$(F_{2})$成立.则对任意有限维子空间${\tilde{X}}\subset X$, 存在$R=R({\tilde{X}})>0$使得对任意$(u, v)\in{\tilde{X}}\backslash B_{R}, $有$I(u, v)\leq0$.
证 对任意有限维子空间${\tilde{X}}\subset X$, 存在一有限维子空间${\tilde{E}}\subset E$使得${\tilde{X}}\subset {\tilde{E}}\times {\tilde{E}}$.并且, 由于${\tilde{E}}$中的范数等价, 存在$\tau>0$满足
由条件$(F_{1})$和$(F_{2})$知对任意$M>\frac{\max\{b, d\}}{2p\tau^{2p}}$, 存在$C_{M}>0$, 使得对任意$(x, u, v)\in {\Bbb R}^{N}\times {\Bbb R}^{2}$, 有
于是, 利用(2.3), (3.2), (3.3)式和Minkowski不等式, 有
故存在充分大的$R=R({\tilde{X}})>0$使得对任意$(u, v)\in{\tilde{X}}\backslash B_{R}$, 有$I(u, v)\leq0$.
定理1.1的证明 显然, $I(0, 0)=0$, 且由条件$(f_{5})$知$I$是偶泛函.结合引理2.2, 3.2和3.3知命题2.1的条件都满足.故问题(2.1)存在无穷多个非平凡的解$\{(u_{n}, v_{n})\}$且当$n\rightarrow\infty$时, $I(u_{n}, v_{n})\rightarrow \infty$, 即问题(1.1)存在无穷多个高能量解.