含Hardy型势的临界Grushin算子方程解的存在性和渐近估计
Existence and Asymptotic Behavior of Solution for a Degenerate Elliptic Equation Involving Grushin-Type Operator and Critical Sobolev-Hardy Exponents
Received: 2020-05-13
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In this paper, we study the existence and asymptotic behavior of solutions for a class of degenerate elliptic equation involving Grushin-type operator and Hardy potentials
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张金国, 杨登允.
Zhang Jinguo, Yang Dengyun.
1 引言
本文研究含Hardy型势和临界指数的退化椭圆型方程
非平凡解的存在性和渐近性问题, 其中
设
则
因此, Grushin算子表示如下
对任意的
设
设
则
则称
为了运用变分方法处理方程(1.1), 我们需要如下形式的Hardy不等式[1]
其中
其中
当
由(1.2)式可知
其中
从而, 从上述不等式出发可以定义如下的最佳常数
显然该常数的可达性与方程(1.1)解的存在性是密切相关的.
奇异非线性问题因为与大量的数学物理问题有着密切的联系而一直受到人们的广泛关注, 近年来有许多数学学者对此类问题进行了研究, 主要讨论这类问题解的存在性和多解性, 如文献[5-11]研究了Laplacian和
定理 1.1 若
此外, 在研究含Hardy型势的Laplace算子临界指数增长问题时, 讨论其相应的极限方程基态解的存在性和渐近性质是研究这类问题的基础. 确切的说, 在运用Brezis-Nirenberg分析技巧解决此类问题时, 我们常需要用极限方程的基态解作为试验函数来估算临界指数方程相应的能量泛函的水平上界, 此时极限方程解的表达式显得尤为重要. 但有些非线性算子的极限方程基态解并没有具体的表达式, 此时就需要估算该解在奇性点和无穷远点的渐近性质. 本文利用Grushin向量场算子的Moser迭代和Kelvin变换技巧, 运用与经典Laplace方程相类似的研究技巧, 得到了方程(1.1)的解在原点和无穷远点的渐近性质, 从而将Laplace算子方程相类似的性质推广到Grushin型退化算子方程中, 为研究Grushin算子相关的奇异问题奠定了基础. 具体结论表述如下.
定理 1.2 设
当
本文结构如下: 在第2节中先给出Grushin向量场Sobolev-Hardy不等式的证明, 然后完成定理1.1的证明. 在第3节中用Moser迭代技巧和Kelvin变换方法给出定理1.2的证明.
2 定理1.1的证明
本节首先给出(3)式的证明.
引理 2.1 假设
进一步, 若
证 当
从而(2.1)式得证.
从
从而, 当
定理1.1的证明 对任意的
极小值的存在性问题.
下面分两种情形来考虑.
情形1
以及在
定义函数
则由(2.4)式和(2.5)式可得
定义集中函数
其中
令
因此
以及
从而, 结合上述两式与(2.3)–(2.4)式可得
同理, 运用上述计算过程可得
由(1.4)和(2.7)式可知
下证
取截断函数
利用(2.11)式, 有
结合上式与(2.8), (2.9)和(2.12)式, 可得
由于
因此, 结合上式及Hölder不等式, 计算可得
所以
因此, 将(2.14)式带入(2.13)式, 得
另一方面, 由最佳常数
从而, 由
与(2.9)式矛盾.故
下证
令
以及
由(2.6), (2.16)和(2.17)式和常数
其中
结合
从而
所以, 对任意的
情形2
设
所以序列
以及
从而, 利用(2.20)及(2.21)–(2.23)式可得
即
又因为对任意的
3 定理1.2的证明
其中
为了研究引理3.1, 引入Banach空间
引理 3.1 假设
的非负非平凡弱解, 则有
证 对任意的
则由
此外, 在(3.2)式两边乘上
由假设条件
令
又因为
对任意的
从而结合(3.7)和(3.8)式可得
因为
从而由(3.9)和(3.10)式可得
令
在(3.12)式中取
取序列
显然: 当
在(3.15)式中令
从而
对任意的
则由(3.16)可得
从而
又因为序列
由此可得
由于级数
所以, 对任意的
根据序列
定理1.2的证明 设
其中
的解. 计算可得
其中
从而将
将
结合(3.23)和(3.24)式可推出
在上式的两边分别乘以
即
其中
下面证明(1.6)式, 即寻求解在无穷远点处的渐近性质.
定义Grushin几何下的球面反演变换
其中
利用文献[22, 定理2.5]中的计算方法可以证明: 若
即
即对任意的
令
所以, 当
即(1.6)式得证. 定理1.2证明完毕.
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