本文主要研究如下广义Choquard-Pekar方程基态解的存在性
其中$N\geq 3, \mu=1, 0 < \lambda < \min (4, N), f(u)=|u|^{p-1}u, 3 < p < \frac{N+2}{N-2}$.
当$N=3, \mu=-1, \lambda=1, f(u)=0$时, (1.1)式是由Pekar[1]提出来的Choquard-Pekar方程, 它是用来描述量子理论中一个极化子在静止状态时的模型(也可参见文献[2]).对Choquard-Pekar方程早期的研究工作是由Lieb[3]和Lions[4]完成的, 他们证明了非平凡解的存在性.目前, 已有一系列关于Choquard-Pekar方程的研究结果[5-13].当$N\geq 3, 0 < \lambda < \min(4, N), 0 < 2h < \lambda, 0\leq h < 2, V(x)\geq V_0>0$, 且$\lim\limits_{|x|+|y|\rightarrow\infty} {\mu}(x, y)\leq 0$时, 曹道珉[14]利用集中紧致原理证明得到了下面这类广义Choquard-Pekar方程解的存在性
受文献[14]的启发, 本文主要研究含超线性项且非局部项前的系数$\mu$为大于零的常数(本文为简单起见考虑$\mu=1>0$)的广义Choquard-Pekar方程(1.1)基态解的存在性.
本文运用Nehari流形和集中紧致原理证明了如下结论.
定理1.1 当$3 < p < \frac{N+2}{N-2}$时, 方程(1.1)存在一个基态解.
本文结构安排如下:第二节, 给出文章的框架和估计中要用到的重要不等式, 并且讨论Nehari流形上临界值的性质; 第三节, 用集中紧致原理证明Nehari流形上极小值点是可达的, 从而证明定理1.1成立.
记$E:=H^1({\Bbb R}^N)$为赋以范数$\|u\|=(\int_{{\Bbb R}^N}(|\nabla u|^2+ |u|^2){\rm d}x)^{\frac{1}{2}}$的索伯列夫空间.方程(1.1)所对应的能量泛函为
注意到$I\in C^1(E, {\Bbb R})$, 且$\forall\eta\in C^\infty_0({\Bbb R}^N)$, 有
特别地, 我们有
在以下的证明中, 我们要用到下面的不等式.
引理2.1[15-16] (Hardy-Littlewood不等式)如果$u\in L^r({\Bbb R}^N), v\in L^s({\Bbb R}^N), $则
其中$\lambda, s, r, h, l$满足如下关系式
令$\Sigma =\{u\in E\backslash \{0\}:\langle I'(u), u\rangle =0\}.$我们有下面的结论.
引理2.2 当$p>3$时, $\Sigma$是光滑流形.
证 令$\varphi(u)=\langle I'(u), u\rangle, \forall u\in \Sigma$.则
因为$u\in \Sigma$且$p>3$, 所以
由隐函数存在定理可得命题成立.
定义
其中$\Gamma =\{\gamma\in C([0, 1], {\mathbb E}): \gamma(0)=0, I(\gamma(1)) < 0\}$.
引理2.3 当$p>3$时, $C=C^*=C^{**}$.
证 首先, 我们证明$C=C^{**}$.事实上, 我们只要能够证明$ \forall u\in E\backslash \{0\}$, 射线$R_t=\{tu, t\geq 0\}$与流形$\Sigma$仅相交于$I(tu), t\geq 0$取得唯一最大值的点$\theta u(\theta>0)$即可.假设
其中
我们可得
其中$t_1=\sqrt[^{^{p-3}}]{\frac{2B}{(p-1)(p-2)D}}.$此外, 存在$t_2=0, t_3=\sqrt[^{^{p-3}}]{\frac{2B}{(p-1)D}}.$使得$g'(t_i)=0, i=2, 3, $且$t\geq t_3$时$g(t)$严格单调递增, $t\leq t_3$时$ g(t)$严格单调递减.又因为$g(0)=-A < 0$, 所以射线$R_t$与$\Sigma$仅相交于$I(tu), t\geq 0$取得唯一最大值的点$\theta u (\theta>0).$于是$C=C^{**}$.
其次, 我们证明$C^*=C^{**}$.显然有$C^{**}\geq C^*$.我们只需证明$C^{**}\leq C^*$. $\forall u\in E\backslash \{0\}$, 令$\bar{t}$为唯一的正实数使得$\bar{t}u\in \Sigma$.于是
其中$K=\{u=\bar{t}u:u\in E, u\neq 0, \bar{t} < \infty\}$.令$\gamma\in \Gamma$是一条道路.如果$\forall \gamma\in \Gamma, \gamma\cap K\neq \phi$, 那么结论成立.如果存在$\gamma\in\Gamma$使得$\gamma(t)\not\in K, \forall t\in [0, 1]$, 那么我们有
于是,由$p>3$, 可得
这与$I(\gamma(1)) < 0$矛盾.因此$C^*=C^{**}$.综上所述, 结论成立.
本节中, 我们将运用集中紧致原理[17-18]来证明在Nehari流形上极小值点是可达的, 从而基态解存在.定义
选取$\{u_n\}\subset \Sigma$使得$\lim\limits_{n\rightarrow\infty}I(u_n)=C.$因为$u_n\in \Sigma, $所以$\lim\limits_{n\rightarrow\infty}\Phi (u_n)=C.$又由引理2.1, 可得
其中$r=\frac{2N}{2N-\lambda}$.再由Sobolev嵌入不等式,$\{u_n\}$在$H^1({\Bbb R}^N)$中有界.
定义如下测度
由Lions[17]的集中紧致原理, 有下面三种可能性.
(ⅰ) 消失:$\forall R>0, \lim\limits_{n\rightarrow\infty}\sup\limits_{\xi\in {\Bbb R}^N} \int_{B_R(\xi)}{\rm d}\rho_n=0;$
(ⅱ)二分:存在$\bar{C}\in (0, C)$, 两个序列$\{\xi_n\}$和$\{R_n\}$, 其中$R_n\rightarrow+\infty, n\rightarrow\infty$, 存在两个非负测度$\rho^1_n$和$\rho^2_n$, 使得
(ⅲ)紧性:存在$\{\xi_n\}\subset {\Bbb R}^N$满足下面的性质:$\forall \delta>0, $存在${\cal R}=R(\delta)$, 使得
引理3.1 对于测度$\rho_n$, 消失和二分不可能成立.
证 (ⅰ) 首先, 我们证明消失不可能成立.
假设$\rho_n$是消失的.由文献[18]中的引理1.1, 我们有在$L^s({\Bbb R}^N)\ (2 < S < 2^*)$中$u_n\rightarrow 0, n\rightarrow\infty$.由于$\{u_n\}\subset E$, 我们有
由引理2.1, 我们可得
其中$r=\frac{2N}{2N-\lambda}$.
又因为$ \int_{{\Bbb R}^N} |u_n|^{p+1}{\rm d}x \rightarrow0, ~n\rightarrow\infty, $由(3.1)和(3.2)式, 可得
这与$ I(u_n)\rightarrow C>0, ~n\rightarrow\infty$矛盾.所以$\rho_n$不可能消失.
(ⅱ)其次, 我们证明二分不可能成立.
我们选择一个截断函数$\psi_n\in C^1({\Bbb R}^N)$满足
且$|\nabla \psi_n|\leq \frac{2}{R_n}$.令$v_n:=\psi_nu_n, w_n:=(1-\psi_n)u_n$.我们有
令$\Omega_n:=B_{2R_n}(\xi_n)\backslash B_{R_n}(\xi_n)$.我们可得
也就是
于是
从而
根据(3.4)式, 我们有
由(3.5)-(3.7)式, 我们得
因此
因为$u_n\in \Sigma, $又由(3.5)-(3.7)式, 我们可得
由引理2.3, $\forall n\geq 1$, 存在$\theta_n>0$使得$\theta_nv_n\in \Sigma$, 于是
下面分三种情形讨论.
情形1 存在$\{v_n\}$的子列, 仍记作$\{v_n\}$, 使得$\varphi(v_n)\leq 0$.
由(3.10)式, 我们有
由于$p>3, \theta_n\leq 1$.于是, $\forall n\geq 1$, 因为$\theta_nv_n\in \Sigma$, 所以我们有
矛盾.
情形2 存在$\{w_n\}$的子列, 仍记作$\{w_n\}$, 使得$\varphi(w_n)\leq 0$.与情形1类似的讨论, 我们也可得出矛盾.
情形3 存在$\{v_n\}$和$\{w_n\}$的子列, 仍分别记作$\{v_n\}$和$\{w_n\}$, 使得$\varphi(v_n)> 0$且$\varphi(w_n)> 0$.由(3.9)式, 我们有$\varphi(v_n)=o_n(1) $且$\varphi(w_n)=o_n(1) $.如果$\theta_n\leq 1+o_n(1) $, 我们分下面三种情况讨论
(a) 当$\limsup\limits_{n\rightarrow \infty} \theta_n>1$时, 由(3.11)式可得当$n$较大时$\|v_n\|=0$.这与(3.8)式和$\bar{C}>0$矛盾;
(b) 当$\limsup\limits_{n\rightarrow \infty} \theta_n < 1$时, 与情形1类似, 我们可以得到矛盾;
(c) 当$\limsup\limits_{n\rightarrow \infty} \theta_n=1$时, 如果存在子列使得每个元素都严格大于$1$, 则类似于(a).如果存在子列使得每个元素都严格小于$1$, 则类似于(b).如果$\theta_n\equiv 1$, 则$v_n\in \Sigma$.所以$I(v_n)= \Phi(v_n)\rightarrow\bar{C} < C$.这与$C$的定义矛盾.
于是$ \lim\limits_{n\rightarrow\infty}\theta_n=\theta_0>1$.从而
因此, 在$H^1({\Bbb R}^N)$中$v_n\rightarrow 0, n\rightarrow\infty$.这与(3.8)式矛盾.
综上所述, 二分不可能发生.
定理1.1的证明 由引理3.1可得紧性成立.也就是, 存在$\{\xi_n\}\subset {\Bbb R}^N$满足下面的性质:$\forall \delta >0, $存在$R=R(\delta)$, 使得
定义$\bar{u}_n(\cdot):=u_n(\cdot -\xi_n)\in H^1({\Bbb R}^N)$.由于$u_n\in \Sigma$, 由积分对平移的不变性, 我们有$\bar{u}_n\in \Sigma$且$\lim\limits_{n\rightarrow \infty}I(\bar u_n)=C$.根据(3.12)式, 我们可得:$\forall \delta>0$, 存在$R(\delta)>0$, 使得对$\forall n\geq 1$, 有
因为$\{u_n\}$在$H^1({\Bbb R}^N)$中有界, 所以$\{\bar{u}_n\}$在$H^1({\Bbb R}^N)$中也有界.于是存在$u\in H^1({\Bbb R}^N)$, 使得当$n\rightarrow\infty$时, 有
根据(3.13)-(3.15)式, 取$S\in [2, \frac{2N}{N-2}), \forall\delta>0$, 存在$R>0$使得对充分大的$n$, 由Sobolev嵌入定理, 有
因此, 当$s\in [2, \frac{2N}{N-2})$时, 在$L^s({\Bbb R}^N)$中, 有
于是, 我们有
由(3.14)式, 得$\liminf\limits_{n\rightarrow \infty} \|\bar{u}_n\|\geq \|u\|$.如果$\liminf\limits_{n\rightarrow \infty} \|\bar{u}_n\| > \|u\|$, 则存在$\theta\in (0, 1)$使得$\theta u\in \Sigma$.于是
矛盾.故$\liminf\limits_{n\rightarrow \infty} \|\bar{u}_n\| = \|u\|$.从而存在子列(仍记作$\bar{u}_n$)使得
因此在$H^1({\Bbb R}^N)$中$\bar{u}_n$强收敛于$u$.又由积分的平移不变性和(3.17)-(3.19)式, 有$u\in \Sigma$且$I(u)=C$.从而$u$是方程(1.1)的基态解.