本文考虑如下与时间无关的非线性Schrödinger-Poisson (SP)方程
其中空间维数$N\geq2$, 系数$a\in{\Bbb R^{+}}$, 参数$\lambda$表示拉格朗日乘子.另外指标$p$满足:当$N= 2$时, $p>0$; 当$N\geq 3$时, $0 < p < \frac{4}{N-2}$.方程(1.1)对应的约束变分问题为
这里能量泛函$E^{p}_{a}(u)$满足
位势$V(x)$满足
$(V_1)$ $0\leq V(x)\in L_{loc}^{\infty}({\Bbb R}^{N})$, $\lim\limits_{|x|\rightarrow\infty} V(x) = \infty$并且$\inf\limits_{x\in{\Bbb R}^{N}} V(x)=0$.
(1.2)式中${\cal H}$定义为
范数定义为
受郭玉劲及其合作者最近工作的启发[5-6, 8], 本文研究(1.2)约束极小元的存在性及非存在性.在文献[5-6, 8]中, 作者考虑了当$N=2$时如下不带Poisson项的$L^{2}$ -质量临界(即$ p=2$)情形下的约束变分问题
其中$E^{2}_{a}(u)$满足
问题(1.4)极小元的存在性及非存在性结果概述如下:
$\bullet$ 变分问题(1.4)存在极小元当且仅当$0 < a < a^{\ast}:=\|\phi\|^{2}_{2}$.
上述$\phi$ (在平移的意义下)是当$N=2$时下面方程唯一的径向对称正解[4, 9]
本文由于受到非局部Poisson项的影响, (1.2)式中${\rm e}^{p}(a)$的泛函结构发生了变化.特别是在$L^{2}$ -质量临界(即$ p=\frac{4}{N}$)情形下, 当$a=a^{\ast}:=\|\phi\|^{\frac{4}{N}}_{2}$时($N\geq2, \ \phi$满足(1.6)式) ${\rm e}^{p}(a)$的结构变化将会影响极小元的存在性.受文献[7]的启示, 运用Ekeland's变分原理[10, Theorem 5.1], 文章证明了当 $ p=\frac{4}{N}$且$a=a^{\ast}$时${\rm e}^{p}(a)$极小元的存在性.在给出主要结果之前, 下面引入一些必备的知识.特别说明, 文章中$\|u\|_{p}=\big(\int_{{\Bbb R}^{N}}|u(x)|^{p}{\rm d}x\big) ^{\frac{1}{p}}$, 字母$C$代表正常数.
$\bullet$ Gagliardo-Nirenberg不等式[11]:当$N\geq 2$且$0 < p < \frac{4}{N-2}$时下面不等式成立
尤其当$p=\frac{4}{N}$时
(1.8)式等号成立当且仅当$u(x)=\phi(x)$, 其中$\phi$满足(1.6)式.由(1.6)和(1.8)式得到
由文献[4, 命题4.1]知$\phi(x)$还满足:当$|x|\to \infty$时
另外, 当空间维数$N\geq2$时, 运用Hardy-Littewood-Sobolev不等式, 类似文献[3, 13]的方法可以推出
下面给出紧嵌入引理[1, Theorem 2.1]:
引理1.1 假设 $V(x)$满足条件$(V_1)$, 则对任意$r\in [2, 2^{\ast})$, $2^{\ast}=\frac{2N}{N-2}$, 下列空间
是紧的.
基于上述事实, 本文结果如下.
定理1.1 假设$N\geq2$, $V(x)$满足条件$(V_1)$, $\phi(x)$ (在平移的意义下)是方程(1.6)唯一的径向对称正解, 令$a^{\ast}:=\|\phi\|^{\frac{4}{N}}_{2}$, 则以下结论成立
(ⅰ) 对任意给定的系数$a>0$, 如果$0 < p < \frac{4}{N}$, 那么问题(1.2)至少存在一个极小元.
(ⅱ) 对任意给定的系数$a>0$, 如果$p>\frac{4}{N}$, 那么问题(1.2)不存在极小元.
(ⅲ) 当$p=\frac{4}{N}$时, 问题(1.2)存在极小元当且仅当$0 < a\leq a^{\ast}$.
注1.1 解决问题(1.2)极小元存在性的主要困难在于, 当$p=\frac{4}{N}$且$a=a^{\ast}$时, 极小化序列的有界性不再容易得到, 文献[5-6, 8]的方法也不再适用于这种情况.受文献[7]的启示, 本文运用Ekeland's变分原理[10, Theorem 5.1] 证明了极小化序列实际上是有界的, 并且在 ${\cal H}$中存在一个强收敛子序列.还需要提及的是, 在文献[5-6, 8]中作者还分析了位势阱$V(x)$在不同形状下, 当$p=\frac{4}{N}$且$a$从下方接近$a^{\ast}$时, 极小元的爆破行为.而在本文, 当$p=\frac{4}{N}$且$a=a^{\ast}$时, 定理1.1给出了极小元的存在性, 所以极小元不可能发生爆破, 这也是本文只研究极小元存在性的原因.
这一部分主要是对定理1.1进行证明.下面对指标$p$分类, 进而讨论问题(1.2)约束极小元的存在性和非存在性.
情形1 在定理1.1的假设下, 对任意给定的$a>0$, 如果$0 < p < \frac{4}{N}$, 那么问题(1.2)至少存在一个极小元.
证 假设$u\in {\cal H}$并且$\|u\|^{2}_{2}=1$.由(1.3)和(1.7)式计算得
因为$0 < p < \frac{4}{N}$, 由(2.1)式知$E^{p}_{a}(u)$是下方有界的.假设$\{u_{n}\}\subset {\cal H}$是${\rm e}^{p}(a)$的一个极小化序列且满足
由(2.1)式知对任意$a>0$, $\int_{{\Bbb R}^{N}}\big(|\nabla u_{n}(x)|^{2}+V(x)u_{n}^{2}(x)\big){\rm d}x$关于$n$一致有界.运用引理1.1, 选取合适的子列(仍用$\{u_{n}\}$表示), 则存在$u_{0}\in {\cal H}$使得
利用(1.11)和(2.3)式可得
由(2.4)式推出$E^{p}_{a}(u_{n})$是弱下半连续的, 且满足
从(2.5)式获知
因此$u_{0}$是问题(1.2)的极小元.
情形2 在定理1.1的假设下, 对任意给定的$a>0$, 如果$p>\frac{4}{N}$, 那么问题(1.2)不存在极小元.
证 受文献[5]启发, 只需证明${\rm e}^{p}(a)=-\infty$即可.选取试验函数
其中$\tau>0$, $x_0\in {\Bbb R}^{N}$满足$V(x_{0})=0$, $\phi(x)$满足(1.6)式; $0\leq \varphi \in C_0^\infty({\Bbb R}^{N})$满足:当$|x|\leq 1$时, $\varphi(x)=1$, 当$|x|\geq 2$时, $\varphi(x)=0$; $A_{\tau}>0$的选取决定$\int_{{\Bbb R}^{N}}u_{\tau}(x)^2 {\rm d}x =1$.利用(1.10)和(1.11)式, 当$\tau\rightarrow\infty$时计算得
与此同时, 由于$x\to V(x)\varphi^{2}\big(\frac{x-x_0}{R}\big)$是有界的并有紧支集, 可以得到
联合(2.7)-(2.11)式可知
故问题(1.2)不存在极小元.
情形3 在定理1.1的假设下, 当$p=\frac{4}{N}$时, 分以下三步证明问题(1.2)极小元存在性和非存在性.
步骤1 当$0 < a < a^{\ast}$时, 则问题(1.2)存在极小元.
证 假设$u\in {\cal H}$且$\|u\|^{2}_{2}=1$.利用(1.8)式, 类似(2.1)式的计算可得
当$a < a^{\ast}$时, 由(2.13)式可知$E^{p}_{a}(u)\geq0$.假设$\{u_{n}\}\subset {\cal H}$是${\rm e}^{p}(a)$的一个极小化序列, 由(2.13)式知$\int_{{\Bbb R}^{N}}|\nabla u_{n}(x)|^{2}+V(x)u_{n}^{2}(x){\rm d}x$关于$n$一致有界.接下来的证明与情形1完全相同, 不再详述.
步骤2 当$a>a^{\ast}$时, 则问题(1.2)不存在极小元.
证 类似情形2方法, 选取和(2.6)式相同的试验函数, 由(1.9)式以及(2.7)-(2.11)式推出
因此问题(1.2)不存在极小元.
步骤3 当$p=\frac{4}{N}$且$a=a^{\ast}$时, 则问题(1.2)存在极小元.
证 令$a=a^{\ast}$, 由问题(2.13)可知
尽管上式得到$E^{\frac{4}{N}}_{a^{\ast}}(u)$下方有界, 但仅通过(2.15)式不足以说明所选取的极小化序列在${\cal H}$中是一致有界的.受文献[7]的启发, 下面将运用Ekeland's变分原理来证明极小化序列的一致有界性.假设极小化序列$\{u_k\}\subset {\cal H} $满足
若能获知$\int_{{\Bbb R}^{N}}|\nabla u_k(x)|^2{\rm d}x $关于$k$一致有界, 类似于情形1可完成证明.下证
利用反证法, 假设$\int_{{\Bbb R}^{N}}|\nabla u_k(x)|^2{\rm d}x \stackrel{k}\rightarrow \infty$, 获得矛盾即可.
首先, 定义度量空间
度量定义成$d(u, v):=\|u-v\|_{{\cal K}}$, 其中$u, v\in {\cal H}$.容易验证$({\cal K}, d)$是一个完备的度量空间.通过Ekeland's变分原理[10, Theorem 5.1], 如果 ${\rm e}^{\frac{4}{N}}(a^{\ast})$下方有界, 那么存在一个极小化序列$\{u_{k}\}\subset {\cal K}$满足
假设$\int_{{\Bbb R}^{N}}|\nabla u_k(x)|^2{\rm d}x \stackrel{k}\rightarrow \infty$,
定义函数
由(1.11), (2.18)和(2.19)式推出
再由(2.15)及(2.16)式得到
观察(1.2)式, 代入(2.19)式得
联合(2.15)-(2.16)式以及(2.20)-(2.22)式分别得到
接着需证明存在序列$\{y_k\}\subset{\Bbb R}^{N}$和正常数$R$, $\eta$满足
假设(2.24)式不成立, 则对任意$R>0$, 存在子序列$\{ w_k\}$ (仍用$\{ w_k\}$表示)使得
通过消失引理[12, Lemma 1.21]可知$w_{k} \stackrel{n}\rightarrow 0$在$L^r({\Bbb R}^{N})$中成立, $r \in(2, 2^*)$.显然与(2.23)式矛盾, 故(2.24)式成立.
另外, 还需要引入下面引理.
引理2.1 假设$w_k$形如(2.19)式, 则在子序列意义下$w_k \stackrel{k} \rightharpoonup w_0$在$ {\cal K}$中成立, 且$w_0$满足
证 对任意的$\varphi(x)\in C^\infty_0({\Bbb R}^{N})\cap{\cal H}$, 定义
和
因此$f(\tau, \sigma)$满足
运用隐函数定理, 存在常数$\delta_k>0$和函数$\tau(\sigma)\in C^1((-\delta_k, \delta_k), {\Bbb R})$满足
因此推出
其中$\sigma\in(-\delta_k, \delta_k).$
由(2.17)式得
取极限$\sigma\to0^{+}$, $\sigma\to0^{-}$得
通过计算得
由(2.16)式及(2.20)-(2.24)式推出
以及
在(2.28)式中, 用$w_k(x)$代替$u_k(x)$, 再由(2.29)及(2.30)式计算得, 当$ k\rightarrow\infty$时
由(2.31)式可知$w_0$满足(2.26)式.
通过上述事实, 接下来完成步骤3的证明.首先需证
通过Pohozaev's恒等式[2, Lemma 8.1.2], 对(2.26)式的任意解$w_0$满足
再利用Gagliardo-Nirenberg不等式(1.8)可知
故
联合事实
说明(2.32)式成立.由(2.24)式知$w_0\not\equiv0$, 另外(2.33)式实际取等号, 因此可以知道$w_0$是Gagliardo-Nirenberg不等式(1.8)最佳达到元.通过保范性, 可以知道$w_{n} \stackrel{n}\rightarrow w_{0}$在$L^{2}({\Bbb R}^{2})$中成立.利用$\{w_{n}\}$在$H^{1}({\Bbb R}^{2})$的一致有界性可知$w_{n} \stackrel{n}\rightarrow w_{0}$在$L^{q}({\Bbb R}^{2})$中成立, 其中$2\leq q < 2^{\ast}$.利用(1.11)式和上述事实可知
再由(2.15)及(2.19)式推出
显然(2.35)式与${\rm e}^{\frac{4}{N}}(a^{\ast})$有界性矛盾.而上述矛盾的根源就是, $\|\nabla u_k\|_2^2$关于$k$实际上是一致有界的.接下来的过程和情形1类似, 故完成了定理1.1的证明.
致谢 作者非常感谢导师郭玉劲在论文创作中给予的指导和宝贵意见, 并且感谢李帅在论文定稿时给出的修改意见.