数学物理学报, 2022, 42(1): 103-130 doi:

论文

一类带临界指数增长的椭圆型方程组两个正解的存在性

万优艳,, 谢俊,

江汉大学人工智能学院 武汉 430056

The Existence of Two Positive Solutions to an Elliptic System with Critical Sobolev Exponents

Wan Youyan,, Xie Jun,

School of Artificial Intelligence, Jianghan University, Wuhan 430056

通讯作者: 万优艳, E-mail: wanyouyan@jhun.edu.cn

收稿日期: 2020-07-29  

基金资助: 湖北省教育厅科学研究计划指导性项目.  B2019239

Received: 2020-07-29  

Fund supported: the Guidance Project of Science Research Program of Hubei Education Department.  B2019239

作者简介 About authors

谢俊,E-mail:xiejunqaq@163.com , E-mail:xiejunqaq@163.com

Abstract

In this paper, we consider the Existence of Solutions of an Elliptic System with Critical Sobolev ExponentsWhere $\Omega$ is a bounded smooth domain of $\mathbb{R} ^N$, $N=3, 4, a\geq 2, \beta\geq 2, $$\alpha +\beta=2^*=\frac{2N}{N-2}, $$ f(x)\geq 0, $$ g(x)\geq 0, $$ f(x), $$g(x)\in H^{-1}(\Omega), a(x)\geq 0, b(x)\geq0.$ We obtain that under some assumptions the problem $(*)$ has two positive solutions with energy larger than zero.

Keywords: Critical Sobolev exponent ; Palais-Smale condition ; Ljusternlik-Schnirelman category

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本文引用格式

万优艳, 谢俊. 一类带临界指数增长的椭圆型方程组两个正解的存在性. 数学物理学报[J], 2022, 42(1): 103-130 doi:

Wan Youyan, Xie Jun. The Existence of Two Positive Solutions to an Elliptic System with Critical Sobolev Exponents. Acta Mathematica Scientia[J], 2022, 42(1): 103-130 doi:

1 引言

本文中, 我们将对带临界指数增长的椭圆型方程组的解进行研究

其中$ \Omega $$ {{\Bbb R}} ^N $中一个光滑有界区域, $ N=3, 4, a\geq 2, \beta\geq 2, \alpha +\beta =2^*=\frac{2N}{N-2}, f(x)\geq 0, $$ g(x)\geq 0, $$ f(x), g(x)\in H^{-1}( \Omega )\times H^{-1}(\Omega), a(x)\geq 0, b(x)\geq0. $并且$ a(x), b(x) $满足条件

$ (A_1)\quad a(x), b(x)\in L^\infty( \Omega ). $

$ (A_2) $ 在$ \Omega $中存在一个区域$ \Omega_1 $, 使得任意的$ x\in \Omega_1, $$ a(x)=b(x)=0. $

Alves, Morais Filho和Souto在文献[1]中证明了一类不带扰动项$ f(x), g(x) $并且一次项系数为常数的方程组解的存在性和非存在性. Han在文献[2]中通过构造Pala-Smale序列和min-max原理研究得到在有界域上一类不带扰动项$ f(x), g(x) $并且一次项系数充分小时方程组高能量解的存在性. Wan和Yang在文献[3]中证明了非齐次半线性椭圆方程多个正解的存在性, 其中有一个解是零附近的局部极少值解且能量小于零, 有两个能量大于零的正解是通过Ljusternik-Schnirelman簇数的方法得到的, 还有一个是高能量的正解. 万优艳在文献[4]中得到了问题(1.1)–(1.4)在零附近的局部极小值点, 该极小值点是问题(1.1)–(1.4)的一个能量小于零的正解.

受以上文献的启发, 我们希望得到问题(1.1)–(1.4)除了文献[4]中能量小于零的局部极小值解以外, 还有多解的存在性. 我们通过Ljusternik-Schnirelman簇数的方法得到问题(1.1)–(1.4)的两个能量大于零的正解. 我们的主要结果如下.

定理1.1  假设$ N\geq 3, \alpha \geq 2, \beta\geq 2, \alpha +\beta =2^*=\frac{2N}{N-2}, f(x)\geq 0, $$ g(x)\geq 0, $$ f(x), g(x)\in L^p( \Omega ), p>\frac{N}{2}, a(x)\geq 0, b(x)\geq 0 $且满足条件$ (A_1) $$ (A_2), $那么对于充分小的$ \| (f, g)\|_{H^{-1}( \Omega )\times H^{-1} ( \Omega )}, $问题(1.1)–(1.4)存在两个解.

$ \| (u, v)\| _E=(\int _{ \Omega }|\nabla u |^2+|\nabla v| ^2{\rm d}x)^{\frac{1}{2}} $, 其中$ E=H^1_0( \Omega )\times H^1_0( \Omega ). $对给定的$ a(x), b(x), f(x) $$ g(x), $我们定义泛函$ I_{f, g} (u, v):E\rightarrow {{\Bbb R}} , $

其中$ \Sigma : =\{( u, v ) \in E ; \| (u, v)\| _E=1\}, \Sigma _+:=\{(u, v)\in \Sigma ;u_+\equiv 0, v_+\equiv 0\}. $

为了得到方程组的两个正解, 我们将借助Ljusternik-Schnirelman簇数的知识, 并应用以下两个引理的结论.

引理1.2[5, 6]  设$ M $是Hilbert流形, $ \Psi \in C^1(M, {{\Bbb R}} ), $假设对$ c_0\in {{\Bbb R}} $$ k\in \mathbb{N}, $

(1) 任给$ c \leq c_0, \Psi (x) $满足$ (PS) _c $条件,

(2) $ cat(\{x\in M; \Psi (x) \leq c_0\})\geq k. $

$ \Psi (x) $$ \{x\in M; \Psi (x)\leq c_0\} $中至少有$ k $个临界点.

引理1.3[7]  设$ N\geq 1, X $是拓扑空间. 假设存在两个连续映射

使得$ G\circ F $和恒等映射: $ S^{N-1} \rightarrow S^{N-1} ;x\mapsto x $同伦, 即存在连续映$ \zeta :[0, 1]\times S^{N-1} \rightarrow S^{N-1} $, 使得

首先, 我们得到一个全局紧的结论: 存在正偶数$ K\in \mathbb{N}, $当且仅当$ c=I_{f, g} (u_0(x), v_0(x))+\frac{k}{N}\frac{S_{\alpha, \beta } }{2})^{\frac{N}{2}}, k=2, 4.\cdots, K $时, $ I_{f, g }(u, v) $$ J_{f, g} (u, v) $$ (PS) _c $条件被破坏, 其中$ (u_0(x), v_0(x)) $$ I_{f, g }(u, v) $的一个临界点.于是, $ \forall \varepsilon >0, $对于充分小的$ \| (f, g)\| _{E^*}, $$ c<I_{f, g} (u_{\rm loc} (x), v_{\rm loc} (x)) $$ +\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}} $时, $ I_{f, g} (u, v) $$ J_{f, g }(u, v) $满足$ (PS) _c $条件, 其中$ (u_{\rm loc} (x), v_{\rm loc} (x)) $是问题(1.1)–(1.4)在零点附近的局部极小解[4]. 其中, 记$ [J_{f, g}\leq c]=\{(u, v)\in \Sigma _+;J_{f, g} (u, v) \leq c\}. $由引理1.3, 我们得到: 对于充分小的$ \varepsilon >0, [J_{f, g} \leq I_{f, g} (u_{\rm loc} (x), v_{\rm loc} (x)) +\frac{2}{N}\frac{S_{\alpha, \beta } }{2})^{ \frac{N}{2} }-\varepsilon ] $是非空的, 并且

$ \begin{align} cat\bigg(\bigg[J_{f, g} \leq I_{f, g} (u_{\rm loc} (x), v_{\rm loc} (x))+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta } }{2}) ^{ \frac{N}{2} }-\varepsilon\bigg ]\bigg)\geq 2, \end{align} $

其中$ cat $表示Ljusternik-Schnirelman簇数. 又由引理1.2, 我们得到了方程组的两个正解$ (u_i, v_i), i=1, 2 $的存在性, 并且有$ 0<I_{f, g} (u_i, v_i)<I_{f, g} (u_{\rm loc} (x), v_{\rm loc} (x))+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta } }{2})^{ \frac{N}{2}}, i=1, 2. $为了证明(1.5)式成立, 受到文献[1, 3]和[4]的启发, 我们构造映射

使得$ F\circ G $与恒等映射同伦. 当$ f(x)\equiv 0, g(x)\equiv 0 $时, $ u_{\rm loc} \equiv 0, v_{\rm loc} \equiv 0 $并且

所以(1.5)式不成立.

本文的第二部分我们将建立文章的基本框架、讨论能量泛函的性质、研究全局紧的结论、得到$ (PS) _c $条件; 第三部分将构建$ F\circ G $与恒等映射同伦; 第四部分将证明两个正解的存在性.

由于在讨论能量泛函的性质时, 我们需要用到能量泛函的二阶导数, 因此本文的结论只对$ N=3, 4 $成立.

2 预备知识和$ (PS) _c $条件

记E为Sobolev空间$ H^1_0( \Omega )\times H^1_0( \Omega ) $且这个空间的范数为

$ E^* $$ E $的对偶空间, 即$ E^*=H^{-1} ( \Omega )\times H^{-1} ( \Omega ). $

由文献[1, 定理5], 我们得到

根据文献[8, 引理1.42], 我们得到$ U(x)=\frac{[N(N-2)] ^{\frac{N-2}{4} }}{[1+| x|^2]^{ \frac{N-2}{2} } } $$ S_{\alpha +\beta} $$ {{\Bbb R}} ^N $中的达到函数. 定义

其中$ \Omega _\eta :=\{x\in \Omega, dist(x, \partial \Omega )>2\eta, \eta >0\}, \xi _l(x)=\xi (x-l), \xi (x)\in C^\infty_0({{\Bbb R}} ^N) $是一个非负函数, 同时$ \xi (x)\equiv 1, \forall A * P x\in B(0, \eta ) ; \xi (x)\equiv 0, A * P x\in B(0, 2\eta )^ c. $根据文献[8]中引理1.46, 我们得到

$ \begin{equation} \int _{ \Omega }| \nabla u_\varepsilon |^2{\rm d}x=\int _{{{\Bbb R}} ^N }| \nabla U_\varepsilon |^2{\rm d}x+O(\varepsilon ^{N-2} )=S^{\frac{N}{2}} +O(\varepsilon^ {N-2} ), \end{equation} $

$ \begin{equation} \int _{ \Omega }| u_\varepsilon |^2 {\rm d}x=\int _{{{\Bbb R}} ^N }| U_\varepsilon |^2 {\rm d}x+O(\varepsilon ^{N})=S^{\frac{N}{2}} +O(\varepsilon^{N}) . \end{equation} $

$ f(x)\geq 0, g(x)\geq 0, f(x), g(x)\in H^{-1}( \Omega ) $成立, 且$ a(x), b(x) \geq0, a(x), b(x)\in L^\infty( \Omega ) $也成立, 那么我们定义泛函$ I_{f, g} (u, v):E\rightarrow {{\Bbb R}} , $

$ \begin{eqnarray} I_{f, g} (u, v)&=&\frac{1}{2}\int _{ \Omega }(|\nabla u |^2+|\nabla v|^2+a(x)u^2+b(x)v^2){\rm d}x \\ && -\frac{2}{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u_+^ \alpha v_+^ \beta {\rm d}x -\int _{ \Omega }(fu+gv){\rm d}x . \end{eqnarray} $

$ I_{0, 0} (u, v):E\rightarrow {{\Bbb R}} , $

$ \Sigma : =\{( u, v ) \in E ; \| (u, v)\| _E=1\}, \Sigma _+:=\{(u, v)\in \Sigma ;u_+\not\equiv 0, v_+\not\equiv 0\}. $定义

引理2.1  假设$ a(x) $$ b(x) $是非负函数且满足条件$ (A_1), $那么$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v)=\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2}} $是不可达的.

  对于任意的$ (u, v)\in \Sigma _+, $

$ \frac{{\rm d}I_{0, 0} (tu, tv)}{{\rm d}t} =0, $我们就得到

由于

并且当$ t\rightarrow +\infty $时, 有$ I_{0, 0} (tu, tv)\rightarrow - \infty, $于是

$ \begin{equation} J_{0, 0} (u, v)=I_{0, 0} (t_0u, t_0v)=\frac{1}{N} \frac{[1+\int _{ \Omega }(a(x)u^2+b(x)v^2){\rm d}x]^{ \frac{N}{2} }} {(2\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x)^{ \frac{N-2}{2} } }. \end{equation} $

又由于$ a(x)\geq 0, b(x) \geq0, $并且根据Sobolev不等式, 我们得到

$ \begin{eqnarray} J_{0, 0} (u, v)&\geq &\frac{1}{N} \bigg(2\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x\bigg)^{ -\frac{N-2}{2} } \geq \frac{1}{N}\bigg(2\int _{ \Omega }| u|^ \alpha | v| ^ \beta {\rm d}x\bigg)^{ -\frac{N-2}{2}}\\ &\geq& \frac{1}{N}2^{-\frac{N-2}{2} }S^{\frac{N}{2}} _{\alpha, \beta } =\frac{2}{N}\bigg(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2}\bigg)^{ \frac{N}{2}}, \end{eqnarray} $

即有$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v) \geq\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2}}. $$ (u, v)=\frac{(Bu_{\varepsilon, l }, Du_{\varepsilon, l} )} {\| (Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l })\| _E} $, 其中$ B/D=\sqrt{\alpha /\beta }, l\in \Omega $并且$ B(l, 2\eta )\subset \Omega . $由(2.1), (2.2)和(2.4)式我们可以得到

$ \begin{eqnarray} J_{0, 0} (u, v)&=& \max\limits_{t>0 }I_{0, 0}\bigg (t\frac{(Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l} )} {\| (Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l} )\| _E}\bigg) \\ &=& \frac{1}{N}\frac{[1+\frac{1}{\| (Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l} )\|^2_E} \int _{ \Omega }(a(x)B^2u^2_{\varepsilon, l} +b(x)D^2u^2_{\varepsilon, l} ){\rm d}x]^{\frac{N}{2}}} {(\frac{2\int _{ \Omega }B^\alpha u^\alpha _{\varepsilon, l} D^\beta u^\beta _{\varepsilon, l} {\rm d}x}{\| (Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l} )\|^{ \alpha +\beta } _E})^{ \frac{N-2}{2} } } \\ &=&\frac{1}{N2^{\frac{N-2}{2}}} \bigg[1+\frac{1}{\| (Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l} )\|^2_E} \int _{ \Omega }(a(x)B^2u^2_{\varepsilon, l} +b(x)D^2u^2_{\varepsilon, l} ){\rm d}x\bigg]^{\frac{N}{2}} \\ &&\times \bigg[(\frac{\alpha }{\beta})^{\frac{\beta }{2^*}} +(\frac{\beta}{\alpha })^{\frac{\alpha }{2^*}}\bigg]^{\frac{N}{2} } (S^{\frac{N}{2}} _{\alpha +\beta} +O(\varepsilon^{ N-2} )) \\ &=&\frac{1}{N2^{\frac{N-2}{2} }} \bigg[1+\frac{1}{\| (Bu_{\varepsilon, l}, Du_{\varepsilon, l} )\|^2_E} \int _{ \Omega }(a(x)B^2u^2_{\varepsilon, l} +b(x)D^2u^2_{\varepsilon, l} ){\rm d}x\bigg]^{\frac{N}{2}}\\ &&\times ( S^{\frac{N}{2}} _{\alpha, \beta}+O(\varepsilon^{ N-2} )) . \end{eqnarray} $

由条件$ (A_1) $和文献[3, (2.11)式], 我们得到

$ \begin{eqnarray} \int _{ \Omega }a(x)u^2_{\varepsilon, l} {\rm d}x\leq O(\varepsilon ^{\frac{N}{p'}-N+2 }), \int _{ \Omega }b(x)u^2_{\varepsilon, l} {\rm d}x\leq O(\varepsilon^{ \frac{N}{p'}-N+2} ), \end{eqnarray} $

其中$ 0<\frac{N}{p'}-N+2<N-2. $根据(2.6)式, 我们得到

$ \begin{eqnarray} J_{0, 0} (u, v)&\leq &\bigg[\frac{1}{N2^{\frac{N-2}{2}}}S^{\frac{N}{2}} _{\alpha, \beta} +O(\varepsilon ^{N-2} )\bigg](1+O(\varepsilon^{ \frac{N}{p'}-N+2 }))\\ &=&\frac{1}{N2^{\frac{N-2}{2}} }S^{\frac{N}{2}} _{\alpha, \beta} +O(\varepsilon ^{\frac{N}{p'}-N+2 })\\ &=&\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta}}{2})^{\frac{N}{2} }+O(\varepsilon ^{\frac{N}{p'}-N+2} ), \end{eqnarray} $

往证$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v) $是不可达的, 用反证法证明. 假设$ (u, v)\in \Sigma _+ $$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v) $的可达点, 通过(2.4)式得到

又通过(2.5)式, $ a(x) $$ b(x) $非负, 我们得到

即有

因为$ S_{\alpha, \beta} $在有界域上不可达, 所以我们得到的结论与之矛盾, 故$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v)=\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2} } $是不可达的.

引理2.2  假设$ (f(x), g(x))\in E^*, $并且$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1), $

(ⅰ) $ I_{f, g} (u, v)\in C^2(E, {{\Bbb R}} ) $, 对于任意的$ (\varphi, \psi )\in E, $

$ \begin{eqnarray} I'_{f, g} (u.v)(\varphi, \psi )&=&\int _{ \Omega }\nabla u \nabla \varphi {\rm d}x +\int _{ \Omega } \nabla v \nabla \psi {\rm d}x +\int _{ \Omega }a(x)u\varphi {\rm d}x+\int _{ \Omega }b(x)v\psi {\rm d}x \\ &&-\frac{2\alpha }{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u_+ ^{\alpha -1 }v_+ ^\beta \varphi {\rm d}x -\frac{2\beta }{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u_+^ \alpha v_+^{ \beta -1} \psi {\rm d}x -\int _{ \Omega }(f\varphi +g\psi ){\rm d}x, {\qquad} \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} I''_{f, g} (u, v)((\varphi, \psi ), (\varphi, \psi )) &=&\int _{ \Omega }| \nabla \varphi |^2{\rm d}x+\int _{ \Omega }| \nabla \psi |^2{\rm d}x +\int _{ \Omega }a(x)\varphi^ 2{\rm d}x+\int _{ \Omega }b(x)\psi^ 2{\rm d}x \\ &&-\frac{2\alpha (\alpha -1)}{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u_+ ^{\alpha -2 } v_+ ^\beta \varphi^ 2{\rm d}x-\frac{2\beta (\beta -1)}{\alpha +\beta } \int _{ \Omega }u_+^ \alpha v_+ ^{\beta -2 }\psi^ 2{\rm d}x . \qquad \end{eqnarray} $

(ⅱ) 若$ f(x), g(x), a(x), b(x) $都是非负的, $ (u, v)\in E $$ I_{f, g} (u, v) $的临界点, 则$ (u(x), v(x)) $是方程组(1.1)–(1.4)的非负解. 若$ u(x)\equiv 0, v(x)\equiv 0 $$ f(x)\equiv 0, g(x)\equiv 0, $$ (u(x), v(x)) $是方程组(1.1)–(1.4)的一个正解.

  (ⅰ) 证明方法见文献[8].

(ⅱ) 假设$ (u, v)\in E $满足$ I'_{f, g} (u, v)=0, $由(2.9)式可知: 对于任意$ (\varphi, \psi )\in E, $

所以$ (u, v) $

的一个弱解. 因为$ f(x)\geq 0 $$ g(x)\geq 0, $上述两个方程两边分别同时乘以$ u_- $$ v_- $, 然后再积分可以得到

由于$ a(x)\geq 0 $$ b(x)\geq 0 $, 可以得到

所以$ u \geq 0, v \geq 0 $. 如果$ u(x)\not\equiv 0 $$ v(x)\not\equiv 0 $或者$ f(x)\not\equiv 0 $$ g(x)\not\equiv 0, $我们通过条件$ (A_1) $和强极值原理得出$ (u(x), v(x)) $在空间$ \Omega $上是正的.

引理2.3  假设$ (f(x), g(x))\in E^*, a(x)\geq 0 $$ b(x)\geq 0 $且满足条件$ (A_1) $, 有

(ⅰ) $ \forall (u, v)\in \Sigma _+, \forall A * P \varepsilon \in (0, 1), $

$ \begin{eqnarray} (1-\varepsilon )^{ \frac{N}{2} }J_{0, 0} (u, v)-\frac{1}{2\varepsilon }\| (f, g)\|^2_{E^2} \leq J_{f, g} (u, v)\leq (1+\varepsilon )^{ \frac{N}{2} }J_{0, 0} (u, v)+\frac{1}{2\varepsilon }\| (f, g)\|^2_{E^2 } . \end{eqnarray} $

(ⅱ) 存在$ d_0>0, $$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_0 $时, 有

  (ⅰ) 因为$ \forall A * P (u, v)\in \Sigma _+ $$ \forall A * P \varepsilon \in (0, 1), $

于是

因为$ a(x)\geq 0 $$ b(x) \geq0, $所以$ \forall A * P (u, v)\in \Sigma _+, $

$ S_1=\frac{t}{(1-\varepsilon ) ^{\frac{1}{2^*-2}}}, S_2=\frac{t}{(1+\varepsilon )^{ \frac{1}{2^*-2} }}, $则有

所以(2.11)式成立.

(ⅱ)通过(2.11)式和引理2.1, 我们知道

所以, 存在$ d_0>0, $$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_0 $时, 有$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v)>0. $

引理2.4  假设$ (f(x), g(x))\in E^* $, 非负函数$ a(x), b(x) $满足条件$ (A_1), $

(ⅰ) 对于任意$ (u, v)\in \Sigma _+, $函数$ t\mapsto I_{f, g} (tu, tv) $$ [0, \infty) $上至多存在两个临界点.

(ⅱ) 如果$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_0 $$ ( d_0 $由引理2.3给出), 那么对于任意$ (u, v)\in \Sigma _+, $存在唯一的$ t_{f, g} (u, v)>0, $使得

并且

$ \begin{equation} t_{f, g} (u, v)>\bigg(\frac{1+\int _{ \Omega }(a(x)u^2+b(x)v^2){\rm d}x} {2(2^*-1)\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x}\bigg)^{ \frac{1}{2^*-2}} \geq [2(2^*-1)S^{-\frac{2^*}{2}} _{\alpha, \beta} ]^{ -\frac{1}{2^*-2}} >0, \end{equation} $

$ \begin{equation} I''_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v))((u, v), (u, v))<0 . \end{equation} $

(ⅲ) 如果$ t\mapsto I_{f, g} (tu, tv) $有一个异于$ t_{f, g} (u, v) $的临界点$ \bar{ t} $, 那么

  $ \forall (u, v)\in \Sigma _+, $

$ \begin{eqnarray} g(t)&=&I_{f, g} (tu, tv){}\\ &=&\frac{t^2}{2}+\frac{t^2}{2}\int _{ \Omega } [a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x-\frac{2t^{2^*} }{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x -t\int _{ \Omega }(fu+gv){\rm d}x. \end{eqnarray} $

(ⅰ) 注意到

$ \begin{equation} g'(t)=t+t\int _{ \Omega }[a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x-2t^{2^*-1} \int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x-\int _{ \Omega }(fu+gv){\rm d}x, \end{equation} $

$ \begin{equation} g''(t)=1+\int _{ \Omega }[a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x-2(2^*-1)t^{2^*-2} \int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x, \end{equation} $

所以

$ \begin{eqnarray} \left\{\begin{array}{ll} { } g''(t)>0, t<\bigg(\frac{1+\int _{ \Omega }[a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x}{2(2^*-1)\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x}\bigg) ^{\frac{1}{2^*-2}}, \\ { } g''(t)<0, t>\bigg(\frac{1+\int _{ \Omega }[a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x}{2(2^*-1)\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x}\bigg)^{\frac{1}{2^*-2}}. \end{array}\right. \end{eqnarray} $

$ t_0=(\frac{1+\int _{ \Omega }[a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x}{2(2^*-1)\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x})^{\frac{1}{2^*-2} } $, 那么$ g'(t) $至多有两个零点$ t_1 $$ t_2 $, 并且

$ \begin{eqnarray} 0\leq t_1 \leq t_0\leq t_2 . \end{eqnarray} $

(ⅱ) 已知$ g(0)=0 $$ t\rightarrow +\infty $$ g(t)\rightarrow -\infty $. 所以$ \sup\limits_{t>0 }g(t) $是有限的, 通过引理2.3, 我们知道存在$ d_0>0, $$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_0, $$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v)>0, $$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ } \sup\limits_{t>0 }I_{f, g} (tu, tv)>0. $从而$ \sup\limits_{t>0 }g(t)>0. $所以, 存在$ t_{f, g} (u, v)\geq t_0 $使得

其中$ t_{f, g} (u, v)\not= t_0, $否则就有$ g'(t_0)=0. $由(2.17)式可知, $ t_0 $$ g'(t) $的最大值点, 所以对于任意$ t>0, $$ g'(t)\leq 0, $又由于$ g(0)=0, $于是对于任意$ t>0, $$ g(t)\leq 0 $. 这与$ \sup\limits_{t>0 }g(t)>0 $相矛盾. 所以(2.12)式成立. 由(2.10)式可知

$ \begin{eqnarray} &&I''_{f, g} (tu, tv)((u, v), (u, v))\\ &=&\int _{ \Omega }|\nabla u|^2{\rm d}x+\int _{ \Omega }|\nabla v|^2{\rm d}x +\int _{ \Omega }a(x)u^2{\rm d}x+\int _{ \Omega }b(x)v^2{\rm d}x \\ &&-\frac{2\alpha (\alpha -1)t^{2^*-2 }}{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u_+ ^\alpha v_+ ^\beta {\rm d}x -\frac{2\beta (\beta -1)t^{2^*-2 }}{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u_+ ^\alpha v_+ ^\beta {\rm d}x \\ &=&1+\int _{ \Omega }[a(x)u^2+b(x)v^2]{\rm d}x-2(2^*-1)t^{2^*-2 }\int _{ \Omega }u_+ ^\alpha v_+^ \beta {\rm d}x . \end{eqnarray} $

由(2.16)和(2.19)式可知

$ \begin{eqnarray} g''(t)=I''_{f, g} (tu, tv)((u, v), (u, v)) . \end{eqnarray} $

根据(2.12), (2.17)和(2.20)式, 我们可以得出(2.13)式成立. 由(2.12)和(2.18)式可以得出$ t_{f, g} (u, v) $的唯一性.

(ⅲ) 假设$ g(t) $有一个不同于$ t_{f, g} (u, v) $的临界点$ \bar{ t} $, 由(2.12)和(2.18)式可得, $ t_{f, g} (u, v)>t_0\geq\bar{t} $, 即

$ \begin{eqnarray} \bar{t} \leq \bigg(\frac{1+\int _{ \Omega }a(x)u^2+b(x)v^2{\rm d}x}{2(2^*-1)\int _{ \Omega }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x}\bigg)^{ \frac{1}{2^*-2} }. \end{eqnarray} $

因为$ g'(\bar{t})=0, $所以

引理2.4证毕.

引理2.5  假设$ (f(x), g(x))\in E^* $, 并且非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1), $则存在$ r_1>0 $$ d_1\in (0, d_0], $使得

(ⅰ) $ I_{f, g} (u, v) $$ B(r_1)=\{(u, v)=E;\| (u, v)\| _E<r_1\} $上是严格凸的.

(ⅱ) 如果$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_1, $那么$ \inf\limits_{\| (u, v)\| _E=r_1 }I_{f, g} (u, v)>0. $此外, $ I_{f, g} (u, v) $$ B(r_1) $上有唯一临界点$ u_{\rm loc} (f, g;x) $且满足

证明见文献[4, 引理2].

注2.6  $ (u_{{\rm loc}} (f, g;x), v_{{\rm loc}} (f, g;x)) $$ I_{f, g} (u, v) $$ B(r_1) $上的唯一临界点, 则

引理2.7  当$ \| (f, g)\| _{E^*} \rightarrow 0 $时, 有$ \| u_{{\rm loc}} (f, g;x)\| _E\rightarrow 0. $

证明见文献[4, 引理3].

引理2.8  令$ d_2= \min \{d_1, (1-\frac{1}{2^*-1})r_1\}>0, $如果$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_2, $非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $, 那么

(ⅰ) $ J_{f, g} (u, v)\in C^1( \Sigma _+, {{\Bbb R}} ), $对于任意$ h\in T_{(u, v) } \Sigma _+=\{(\varphi, \psi )\in E;\langle (u, v), (\varphi, \psi )\rangle_E=0\}, $

$ \begin{eqnarray} J'_{f, g} (u, v)h=t_{f, g} (u, v)I'_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v))h . \end{eqnarray} $

(ⅱ) $ (u, v)\in \Sigma _+ $$ J_{f, g} (u, v) $的临界点的充分必要条件是$ t_{f, g} (u, v)(u, v)\in E $$ I_{f, g} (u, v) $的临界点.

(ⅲ) $ I_{f, g} (u, v) $的临界点集是

$ \begin{eqnarray} \{t_{f, g} (u, v)(u, v);(u, v)\in \Sigma _+, J'_{f, g} (u, v)=0\}\cup \{(u_{{\rm loc}} (f, g;x), v_{{\rm loc}} (f, g;x))\} . \end{eqnarray} $

  (ⅰ) 由(2.9)式, 我们知道: 对任意$ (u, v)\in \Sigma _+, $

假设$ Q\in \Sigma _+\times (0, +\infty) $是开子集, $ ((u, v), t_{f, g} (u, v))\in Q, $根据引理2.2可知$ I'_{f, g} (tu, tv)(u, v):Q\rightarrow {{\Bbb R}} $是连续的, 同时有

(1) 根据引理2.4的(ⅱ)可知: 存在唯一的$ t_{f, g} (u, v)>0, $使得

(2) 由引理2.2, (2.14)和(2.20)式可知: 对于任意$ ((u, v), t)\in Q, $

是连续的. 通过(2.13)式可知

根据隐函数定理可知: 存在$ (u, v) $的邻域$ U $$ t_{f, g} (u, v) $的邻域$ W $和唯一的连续映射$ z :U\rightarrow W $满足

同时$ z (u, v)=t_{f, g} (u, v)\in C^1( \Sigma _+, (0, +\infty)). $从而

由于

$ \begin{equation} I'_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v))(u, v)=0, \end{equation} $

于是对于任意$ h\in T_{(u, v)} \Sigma _+=\{(\varphi, \psi )\in E, \langle (\varphi, \psi ), (u, v)\rangle_E=0\}, $

(ⅱ) 根据(2.12)式可知$ t_{f, g} (u, v)>0, $又通过(2.22)式可知$ J'_{f, g} (u, v)=0 $成立的充分必要条件是对于任意$ (\varphi, \psi )\in T_{(u, v) } \Sigma _+, $$ I'_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v))(\varphi, \psi )=0. $再结合(2.24)式可知上式等价于$ I'_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v))=0. $

(ⅲ) 如果$ (\tilde{u}, \tilde{v})\in E $$ I_{f, g} (u, v) $的临界点. 令$ (\tilde{u}, \tilde{v})=(tu, tv), $其中$ (u, v)\in \Sigma _+, t>0. $由引理2.4的(ⅲ)可知

那么$ (\tilde{u}, \tilde{v})\in E $$ J_{f, g} (u, v) $的临界点或$ \| (u, v)\| _E (1-\frac{1}{2^*-1})^{-1} d_2 \leq r_1. $由引理2.5可知$ (u_{{\rm loc}} (f, g;x), v_{{\rm loc}} (f, g;x)) $$ I_{f, g} (u, v) $$ B(r_1) $上的唯一临界点.

引理2.9  假设$ (f(x), g(x))\in E^*, a(x)\geq 0 $$ b(x) \geq 0 $满足条件$ (A_1), $$ (u_m, v_m)\in E $$ I_{f, g} $$ (PS) _c $序列, 则存在实数$ k\in N $, 实数序列$ \{\varepsilon^ j_m\}\subset R, $点列$ \{x^j_m\}\subset \Omega, $其中$ \varepsilon^ j_m\rightarrow 0 (m\rightarrow \infty), dist(x^j_m, \partial \Omega )/\varepsilon ^j_m\rightarrow \infty, 1\leq j\leq k $, 存在方程组(1.1), (1.2)和(1.4)的一个非负解$ (u^0, v^0)\in E $和方程组

的非平凡解$ (u^j, v^j)\in D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)\times D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N), 1\leq j\leq k, $使$ (u_m, v_m) $的子序列(仍记为$ (u_m, v_m) ) $满足: 当$ m\rightarrow \infty $时, 有

其中$ (u^j_m, v^j_m)=(\varepsilon^ j_m)^{ -\frac{N-2}{2}} (u^j(\frac{x-x^j_m}{\varepsilon^ j_m}), v^j(\frac{x-x^j_m}{\varepsilon^ j_m})), 1 \leq j \leq k, m\in N. $此外

其中$ I^\infty(u, v)=\frac{1}{2}\int _{{{\Bbb R}} ^N }(|\nabla u|^2+|\nabla v|^2){\rm d}x-\frac{2}{\alpha +\beta }\int _{{{\Bbb R}} ^N }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x, u, v\in D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) $.

  证明方法见文献[9, 引理3.1]和[2, 引理2.2].

引理2.10  如果$ (f(x), g(x))\in E^*, \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_2 $$ (d_2>0 $由引理2.8给出), 非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1), $那么

(ⅰ) 当$ dist_E((u, v), \partial \Sigma _+)\equiv \inf \{\| (\varphi, \psi )-(u, v)\| _E; (\varphi, \psi )\in \partial \Sigma _+\}\rightarrow 0 $时, 有$ J_{f, g} (u, v)\rightarrow \infty. $

(ⅱ) 假设$ (u_m, v_m)^\infty _{m=1}\subset\Sigma _+ $满足: 当$ m\rightarrow \infty $时, 有$ J_{f, g} (u_m, v_m)\rightarrow c, $其中$ c\in {{\Bbb R}} , c>0; $

那么存在$ k\in \mathbb{N}, $实数序列$ \{\varepsilon^ j_m\}\subset {{\Bbb R}} , $点列$ \{x^j_m\}\subset \Omega, $其中$ \varepsilon^ j_m\rightarrow 0 \ (m\rightarrow \infty), $$ dist(x^j_m, \partial \Omega )/\varepsilon^ j_m $$ \rightarrow \infty, $$ 1\leq j\leq k, $存在方程组(1.1), (1.2)和(1.4)的一个非负解$ (u^0, v^0)\in E $$ I^\infty $的非平凡临界点$ (u^j, v^j), 1\leq j\leq k, $使$ (u_m, v_m) $的子序列(仍记为$ (u_m, v_m) $)满足: 当$ m\rightarrow \infty $时, 有

其中$ (u^j_m(x), v^j_m(x))=(\varepsilon^ j_m) ^{-\frac{N-2}{2}} (u^j(\frac{x-x^j_m}{\varepsilon^ j_m}), v^j(\frac{x-x^j_m}{\varepsilon^ j_m})), 1\leq j\leq k, m\in \mathbb{N}. $此外

  (ⅰ) 由引理2.3的(ⅰ)和(2.4)式, 我们有

因为$ dist((u, v), \partial \Sigma _+)\rightarrow 0, $所以$ \| (u_+, v_+)\| _E\rightarrow 0, $于是

综上所述可知$ J_{f, g} (u, v)\rightarrow \infty. $

(ⅱ) 根据(2.12)和(2.22)式可知: 当$ m\rightarrow \infty $时, 有

并且有

所以, $ t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m) $$ I_{f, g} $$ E $上的$ (PS) _c $序列. 根据引理2.9我们知道: 存在实数$ k\in \mathbb{N}, $实数序列$ \{\varepsilon ^j_m\}\subset {{\Bbb R}} , $点列$ \{x^j_m\}\subset \Omega, $其中$ \varepsilon ^j_m\rightarrow 0\ (m\rightarrow \infty ), $$ dist(x^j_m, \partial \Omega )/\varepsilon^ j_m\rightarrow \infty, 1\leq j\leq k, $有方程组(1.1), (1.2)和(1.4)的一个非负解$ (u^0, v^0)\in E $$ I^\infty $的非平凡临界点$ (u^j, v^j), 1\leq j\leq k, $使$ \{t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)\} $的子序列(仍记为$ \{t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)\} ) $满足: 当$ m\rightarrow \infty $时, 有

$ \begin{eqnarray} \begin{array}{ll} { } \Big\| t_{f, g} (u_m, v_m)u_m-u^0-\sum\limits^k_{j=1}u^j_m\Big\| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) }\rightarrow 0, \\ { } \Big \| t_{f, g} (u_m, v_m)v_m-v^0-\sum\limits^k_{j=1}v^j_m\Big\| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)} \rightarrow 0 . \end{array} \end{eqnarray} $

并且有

$ \begin{equation} I_{f, g} (t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m))\rightarrow I_{f, g} (u^0, v^0)+\sum\limits^k_{j=1}I^\infty(u^j) . \end{equation} $

我们断定$ \| t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)\|_{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)} $是有界的. 事实上, 因为$ (t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)) $$ I_{f, g} $的一个$ (PS) _c $序列. 令

我们有

于是

从而

$ \begin{equation} (\frac{1}{2}-\frac{1}{\alpha +\beta })A-[(1-\frac{1}{\alpha +\beta })\| (f, g)\| _{E^*} +O_m(1)] \| t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)\| _E\leq C+O_m(1) . \end{equation} $

又因为$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_2 $和(2.27)式, 所以$ \| t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)\| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)} $有界, 根据

我们可以得到$ \{t_{f, g} (u_m, v_m)\} $也是有界的. 由(2.25)式和$ \| t_{f, g} (u_m, v_m)(u_m, v_m)\| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)} $有界, 我们得到

于是

因为$ \{t_{f, g} (u_m, v_m)\} $有界, 所以有

$ \begin{eqnarray} \left | t_{f, g} (u_m, v_m)-\sqrt{\| u^0+\sum\limits^k_{j=1}u^j_m\|^2_{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) } +\| v^0+\sum\limits^k_{j=1}v^j_m\|^2_{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) }}\right| \rightarrow 0 . \end{eqnarray} $

由(2.25)和(2.28)式, 我们得到

于是,

所以

运用同样的方法可以得到

引理2.10得证.

引理2.11  假设非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1), $那么对于任意的$ \varepsilon >0, $存在$ \delta (\varepsilon )\in (0, d_2), $$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq \delta (\varepsilon ) $成立时, 有

(ⅰ) $ \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2} }-\varepsilon\leq \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v) \leq\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2}} +\varepsilon . $

(ⅱ) 当$ c\in (-\infty, I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}}) $时, $ J_{f, g} (u, v) $满足$ (PS) _c $条件.

  (ⅰ) 根据引理2.1, 我们得到$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v)=\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2}} $, 又由引理2.3的(ⅰ)可知: 对于任意的$ \sigma \in (0, 1), $

由引理2.3可知, 当$ \| (f, g)\|^2_{E^*}\leq 1 $时, 有

即如果$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq 1 $成立, 则$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v) $有界. 取$ \sigma _1>0 $是充分小的, 当$ 0<\sigma <\sigma _1 $$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq 1 $时, 有$ [(1-\sigma )^{ -\frac{N}{2} }-1]\inf\limits _{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v)<\frac{\varepsilon }{2}. $对于任意固定的$ \sigma (0<\sigma <\sigma _1), $存在$ \bar{d}(\varepsilon )\in (0, \min \{1, d_2\}], $$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq\bar{d}(\varepsilon ) $时, 有$ (1-\sigma )^{ -\frac{N}{2}} \frac{1}{2\sigma }\| (f, g)\|^2_{E^*} <\frac{\varepsilon }{2}. $于是, 当$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq \bar{d}(\varepsilon ) $时, 有

$ \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2} }-\varepsilon \leq\inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v). $

另一方面, 由引理2.3可知: 对于任意$ \sigma \in (0, 1), $

因为当$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq 1 $时, $ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v) $是有界的, 所以可令$ \sigma _2>0 $充分小, 使得

对于任意固定的$ \sigma (0<\sigma <\sigma _2), $存在$ \hat{d}(\varepsilon )\in (0, \min \{d_2, 1\}], $使得当$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq\hat{d}(\varepsilon ) $时, 有$ (1+\sigma )^{ -\frac{N}{2} }\frac{1}{2\sigma }\| (f, g)\|^2_{E^*} <\frac{\varepsilon }{2}, $所以$ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{f, g} (u, v)\leq \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2}) ^{\frac{N}{2}} +\varepsilon. $因此, 对于任意的$ \varepsilon >0, $存在$ d(\varepsilon )= \min \{\bar{d}(\varepsilon ), \hat{d}(\varepsilon )\}, $使得当$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq d(\varepsilon ) $时, 有

(ⅱ) 注意到对于任意的$ u, v\in D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) $且满足

事实上, 将(2.29)和(2.30)式两边分别同时乘以$ u_- $$ v_-, $再积分可以得到

于是$ u \geq 0 $$ v\geq 0. $再将(2.29)和(2.30)两边分别同时乘以$ u_+ $$ v_+, $在积分可以得到

因为$ \int _{{{\Bbb R}} ^N }(| \nabla u _+|^2+| \nabla v_+|^2){\rm d}x\geq S_{\alpha, \beta} (\int _{{{\Bbb R}} ^N }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x)^{ \frac{2}{\alpha +\beta } }, $所以有$ \int _{{{\Bbb R}} ^N }u^\alpha _+v^\beta _+{\rm d}x \geq (\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2} }. $从而有

由引理2.10, 我们知道: 当$ m\rightarrow \infty $时, 有$ c+o(1)=J_{f, g} (u_m, v_m)\rightarrow I_{f, g} (u^0, v^0) +\sum\limits^k_{j=1}I^\infty(u^j, v^j). $由于$ c<I_{f, g} (u_{{\rm loc}} (f, g;x), v_{{\rm loc}} (f, g;x))+\frac{2}{N} (\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}}, $又由引理2.3的(ⅱ), 引理2.8的(ⅲ)和$ I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} ) \leq 0 $可以得到

所以, 由引理2.10可以得到: 在$ E $中, 当$ m\rightarrow \infty $时, 有

引理2.11得证.

3 构建$ F\circ G $与恒等映射同伦

$ [J_{f, g}\leq c]=\{(u, v)\in \Sigma _+;J_{f, g} (u, v)\leq c\}. $我们将构造下面这两个映射

使$ F\circ G $和恒等映射同伦.

我们先构造映射$ F $.$ \Omega ^ \eta _1:=\{x\in \Omega _1;dist(x, \partial \Omega _1)>2\eta \}. $

引理3.1  假设$ f(x) \geq 0, g(x)\geq 0, f(x)\not\equiv 0, g(x)\not\equiv 0, \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_2 $$ ( d_2 $由引理2.8给出), $ f(x), g(x)\in L^p( \Omega ), p>\frac{N}{2}, $非负函数$ a(x), b(x) $满足条件$ (A_1) $$ (A_2), $那么存在$ \varepsilon _0>0, $使得对于任意$ 0<\varepsilon <\varepsilon _0, t\geq 0, B/D=\sqrt{\alpha /\beta } $$ a.e\ e\in \Omega^ \eta _1 $

$ \begin{eqnarray} I_{f, g} (u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )<I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} ) +\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2} } . \end{eqnarray} $

$ \begin{eqnarray} && I_{f, g} (u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )\\ &=& \frac{1}{2}\int _{ \Omega }|\nabla (u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e} )|^2{\rm d}x+\frac{1}{2}\int _{ \Omega }|\nabla (v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )|^2{\rm d}x \\ &&+ \frac{1}{2}\int _{ \Omega }a(x)(u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e} )^2{\rm d}x+\frac{1}{2}\int _{ \Omega }b(x) (v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )^2{\rm d}x \\ &&-\frac{2}{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }(u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e} )^\alpha (v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )^\beta {\rm d}x \\ &&-\int _{ \Omega }f(x)(u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e} ){\rm d}x-\int _{ \Omega }g(x)(v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} ){\rm d}x . \end{eqnarray} $

因为$ I'_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )=0, $所以

$ \begin{eqnarray} &&\langle I'_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} ), (tBu_{\varepsilon, e}, tDu_{\varepsilon, e} )\rangle\\ &=&tB\int _{ \Omega } \nabla u _{{\rm loc}} \nabla u _{\varepsilon, e} {\rm d}x +tD\int _{ \Omega }\nabla v_{{\rm loc}} \nabla u _{\varepsilon, e} {\rm d}x+tB\int _{ \Omega }a(x)u_{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} {\rm d}x \\ && +tD\int _{ \Omega }b(x)v_{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} {\rm d}x+\frac{2\alpha tB}{\alpha +\beta } \int _{ \Omega }u^{\alpha -1 }_{{\rm loc}} v^\beta _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} {\rm d}x +\frac{2\beta tD}{\alpha +\beta }\int _{ \Omega }u^\alpha _{{\rm loc}} v^{\beta -1} _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} {\rm d}x\\ && -\int _{ \Omega }tBf(x)u_{\varepsilon, e} {\rm d}x-\int _{ \Omega }tDg(x)u_{\varepsilon, e} {\rm d}x=0 . \end{eqnarray} $

将(3.3)式代入(3.2)式中, 就有

根据(2.1)式, (2.2)式和类似于(2.4)式的证明, 我们可以得到

$ a(x)\geq 0, b(x) \geq 0 $和条件$ (A_2) $, 我们得到: 对于任意$ e\in \Omega ^ \eta _1, $

于是, 对于任意$ e\in \Omega ^ \eta _1, $

因此

$ \begin{eqnarray} && I_{f, g} (u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )\\ &\leq& I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta}}{2})^{\frac{N}{2}} -\frac{2}{\alpha +\beta }\bigg[\int _{ \Omega }(u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e} ) ^ \alpha ( v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )^\beta {\rm d}x \\ &&-\int _{ \Omega }u^\alpha _{{\rm loc}} v^\beta _{{\rm loc}} {\rm d}x -t^{\alpha +\beta } B^\alpha D^\beta \int _{ \Omega }u^{\alpha +\beta }_{\varepsilon, e} {\rm d}x -\alpha tB\int _{ \Omega }u^{\alpha -1} _{{\rm loc}} v^\beta _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} {\rm d}x\\ && -\beta tD\int _{ \Omega }u^\alpha _{{\rm loc}} v^{\beta -1 }_{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} {\rm d}x\bigg] + O(\varepsilon^ {N-2 }) . \end{eqnarray} $

因为$ t\rightarrow 0 $时, 有

$ t\rightarrow +\infty $时, 有

所以存在$ 0<m<M, $使对于任意的$ t\in [0, m]\cup [M, \infty), $

于是, 当$ t\in [0, m]\cup [M, \infty) $时, 有(3.1)式成立. 下面, 我们研究$ t\in [m, M] $的情形. 因为对于任意的$ p\geq 2, a \geq 0, b\geq 0, $$ (a+b)^p\geq a^p+b^p+pa^{p-1} b, $那么就有

$ \begin{eqnarray} &&(u_{{\rm loc}} +tBu_{\varepsilon, e} )^\alpha (v_{{\rm loc}} +tDu_{\varepsilon, e} )^\beta\\ &\geq &(u^\alpha _{{\rm loc}} +t^\alpha B^\alpha u^\alpha _{\varepsilon, e} +\alpha tBu^{\alpha -1} _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} )(v^\beta _{{\rm loc}} +t^\beta D^\beta u^\beta _{\varepsilon, e} +\beta tDv^{\beta -1} _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} )\\ &=&u^\alpha _{{\rm loc}} v^\beta _{{\rm loc}} +t^\beta D^\beta u^\alpha _{{\rm loc}} u^\beta _{\varepsilon, e} +\beta tDu^\alpha _{{\rm loc}} v^{\beta -1} _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} +t^\alpha B^\alpha u^\alpha _{\varepsilon, e} v^\beta _{{\rm loc}} \\ && +t^{\alpha +\beta }B^\alpha D^\beta u^{\alpha +\beta } _{\varepsilon, e} +t^{\alpha +1 }B^\alpha \beta Dv^{\beta -1} _{{\rm loc}} u^{\alpha +1} _{\varepsilon, e} +\alpha tBu^{\alpha -1} _{{\rm loc}} v^\beta _{{\rm loc}} u_{\varepsilon, e} \\ && +t^{\beta +1} \alpha BD^\beta u^{\alpha -1} _{{\rm loc}} u^{\beta +1} _{\varepsilon, e} +t^\alpha \alpha B\beta Du^{\alpha -1} _{{\rm loc}} v^{\beta -1} _{{\rm loc}} u^2_{\varepsilon, e} . \end{eqnarray} $

因为$ f(x), g(x)\in L^p( \Omega ), p>\frac{N}{2}, $由引理2.2的(ⅱ)可知$ u_{{\rm loc}} \in C^0(\bar{\Omega}). $于是, 我们得到$ \min\limits_{x\in B(e, 2\eta ) }u_{{\rm loc}} >0, $$ \min\limits_{x\in B(e, 2\eta ) }v_{{\rm loc}} >0. $从而

$ \begin{eqnarray} t^\beta D^\beta \int _{ \Omega }u^\alpha _{{\rm loc}} u^\beta _{\varepsilon, e} {\rm d}x& \geq& c\int _{ \Omega }u^\alpha _{{\rm loc}} \xi^ \beta (x-e) \bigg[\frac{(N(N-2))^{\frac{N-2}{4}}\varepsilon^{-\frac{N-2}{2}}} {(1+|\frac{x-e}{\varepsilon}|^2)^{\frac{N-2}{2}}}\bigg]^\beta {\rm d}x \\ &\geq& c\varepsilon ^{\frac{2N-(N-2)\beta }{2} }\min\limits_{x\in B(e, 2\eta ) }u_{{\rm loc}} \int _{B(e, \eta ) }\frac{1}{(1+| \frac{x-e}{\varepsilon }|^2) ^{\frac{N-2}{2}\beta} \varepsilon^ N}{\rm d}x \\ &=& c\varepsilon^{ \frac{2N-(N-2)\beta }{2}}\min\limits_{x\in B(e, 2\eta ) }u_{{\rm loc}} \int _{B(0, \eta /\varepsilon ) } \frac{1}{(1+| z|^2)^{\frac{N-2}{2}\beta }}{\rm d}z \\ &=& c\varepsilon^{\frac{2N-(N-2)\beta }{2}}\min\limits_{x\in B(e, 2\eta ) }u_{{\rm loc}} \int _{B(0, \eta ) } \frac{1}{(1+| z|^2)^{ \frac{N-2}{2}\beta} }{\rm d}z \\ &=& O(\varepsilon^{ \frac{2N-(N-2)\beta }{2} }) . \end{eqnarray} $

类似地, 我们有

$ \begin{equation} \int _{ \Omega }t^\alpha B^\alpha u^\alpha _{\varepsilon, e} v^\beta _{{\rm loc}} {\rm d}x\geq O(\varepsilon^{ \frac{2N-(N-2)\alpha }{2}} ), \end{equation} $

$ \begin{equation} \int _{ \Omega }t^{\alpha +1 }B^\alpha \beta Dv^{\beta -1} _{{\rm loc}} u^{\alpha +1} _{\varepsilon, e} {\rm d}x \geq O(\varepsilon^{ \frac{2N-(N-2)(\alpha +1)}{2}} ), \end{equation} $

$ \begin{equation} \int _{ \Omega }t^{\beta +1} \alpha BD^\beta u^{\alpha -1 }_{{\rm loc}} u^{\beta +1} _{\varepsilon, e} {\rm d}x\geq O(\varepsilon^{ \frac{2N-(N-2)(\beta +1)}{2}} ), \end{equation} $

$ \begin{equation} \int _{ \Omega }t^2\alpha B\beta Du^{\alpha -1} _{{\rm loc}} v^{\beta -1} _{{\rm loc}} u^2_{\varepsilon, e} {\rm d}x \geq O(\varepsilon^ 2), \end{equation} $

其中$ \frac{2N-(N-2)(\alpha +1)}{2}>\frac{2N-(N-2)(\alpha +\beta )}{2}=0 $$ \frac{2N-(N-2)(\beta +1)}{2}>\frac{2N-(N-2)(\alpha +\beta )}{2}=0. $将(3.5)–(3.10)式代入(3.4)式中, 得到

如果$ N\not= 3, \alpha \not= 3, \beta \not= 3, $$ N-2> \min \{\frac{2N-(N-2)(\alpha +1)}{2}, \frac{2N-(N-2)(\beta +1)}{2}\}. $

如果$ N=3, \alpha =3, \beta =3, $因为$ (a+b) ^3=a^3+3a^2b+3ab^2+b^3, $所以

于是, 存在$ \varepsilon _0>0, $使对于任意的$ 0<\varepsilon <\varepsilon _0, $$ t\geq 0 $$ e\in \Omega ^ \eta _1, $

引理3.1得证.

注3.2  当$ f(x)\equiv 0, g(x)\equiv 0 $时, (3.1)式不成立. 事实上, 当$ f(x)\equiv 0, g(x)\equiv 0 $时, $ u_{{\rm loc}} \equiv 0, v_{{\rm loc}} \equiv 0 $

引理3.3  假设$ (f(x), g(x))\in E^*, \| (f(x), g(x))\| _{E^*} \leq d_2, $非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $$ (A_2), $那么存在$ d_3\in (0, d_2] $$ \varepsilon _1<\varepsilon _0 $$ ( \varepsilon _0 $由引理3.1给出), 使得对于任意$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_3, 0<\varepsilon \leq \varepsilon _1 $$ a.e\ e\in \Omega ^ \eta _1, $$ (\frac{B^2+D^2}{2B^\alpha D^\beta })^{\frac{N-2}{4}} $的一个邻域里存在唯一的$ s=s(f, g, \varepsilon, e)>0 $满足

$ \begin{eqnarray} \| (u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )\| _E =t_{f, g}\bigg (\frac{(u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )} {\| (u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )\| _E}\bigg). \end{eqnarray} $

此外, 映射

是连续的.

  这里我们要运用到隐函数定理. 令

于是(3.11)式成立的充分必要条件是$ \Phi( s, f, g, \varepsilon, e)=0. $事实上, 我们令

我们有

$ \begin{eqnarray} && \frac{\rm d}{{\rm d}t}\bigg(I_{f, g}\bigg (t\frac{(u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )} {\| (u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )\| _E}\bigg)\bigg)\\ &=&th^{-2} \int _{ \Omega }| \nabla (u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e} )|^2{\rm d}x +th^{-2} \int _{ \Omega }|\nabla (v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )|^2{\rm d}x\\ &&+th^{-2} \int _{ \Omega }[a(x)(u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e} )^2+b(x)(v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )^2]{\rm d}x\\ &&-2t^{2^*-1 }h^{-2^*} \int _{ \Omega }(u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e} )^ \alpha (v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} ) ^\beta {\rm d}x\\ && -h^{-1} \int _{ \Omega }(u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e} )f{\rm d}x-h^{-1 } \int _{ \Omega }(v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} )g{\rm d}x . \end{eqnarray} $

一方面, 假设(3.11)式是成立的, 就有

$ \frac{\rm d}{{\rm d}t}(I_{f, g} (u_{{\rm loc}} +sBu_{\varepsilon, e}, v_{{\rm loc}} +sDu_{\varepsilon, e} ))=0. $由(3.12)式得到: $ h=t. $于是

$ \Phi(s, f, g, \varepsilon, e)=0. $

另一方面, 假设$ \Phi(s, f, g, \varepsilon, e)=0 $是成立的. 于是

由(3.12)式和引理2.4的(ⅱ)可知:如果有$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_0, $对于任意的$ (u, v)\in \Sigma _+, $存在唯一的$ t_{f, g} (u, v)>0, $使$ I_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v))=J_{f, g} (u, v) $成立. 因此(3.11)式成立.

由(2.1), (2.2)和(2.7)式, 我们得到: 当$ \varepsilon \rightarrow 0+ $时, 有

根据隐函数定理可知: 在$ (\frac{B^2+D^2}{2B^\alpha D^\beta })^{\frac{N-2}{4} } $的一个邻域里存在唯一的映射$ s=s(f, g, \varepsilon, e) $, 使$ \Phi (s, f, g, \varepsilon, e)=0 $并且$ \varepsilon \mapsto s(f, g, \varepsilon, e) $是连续的.

定义映射$ F_\rho (y):S^{N-1} =\{y\in {{\Bbb R}} ^N;| y| =1\}\rightarrow \Sigma _+ $

其中$ e=\rho y\in \Omega^ \eta _1\backslash \{0\}=\{x\in \Omega _1;dist(x, \partial \Omega _1)>2\eta \} \backslash\{0\} $由引理3.1给出.

引理3.4  假设$ f(x)\geq 0, g(x)\geq 0, f(x), g(x)\in L^p( \Omega ), p>\frac{N}{2}, $$ 0<\| (f(x), g(x))\| _{E^*} \leq d_3 $$ (d_3 $由引理3.3给出), 非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $$ (A_2) $. 那么对于任意的$ 0<\varepsilon <\varepsilon _1 $$ ( \varepsilon _1 $由引理3.3给出), 有

  由$ J_{f, g} (u, v)=I_{f, g} (t_{f, g} (u, v)(u, v)) $和引理3.3可知

根据引理3.1, 有

引理3.4得证.

引理3.5  假设$ f(x)\geq 0, g(x)\geq 0, f(x), g(x)\in L^p( \Omega ), p>\frac{N}{2}, $$ 0<\| (f(x), g(x))\| _{E^*}\leq d_3, $非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $$ (A_2). $那么对于任意的$ 0<\varepsilon <\varepsilon _1, $存在$ \delta _1(x)>0, $使得

  因为$ S^{N-1} $是紧的, $ F_\rho (y) $是连续的, 所以$ F_\rho (S^{N-1} ) $也是紧的. 由引理3.4, 对于任意的$ (u, v)\in F_\rho (S^{N-1} ), $

于是, 存在$ \delta (u, v)>0, $使得

$ \begin{eqnarray} J_{f, g} (u, v) \leq I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2}} -\delta (u, v) . \end{eqnarray} $

$ \delta (u, v)=\frac{1}{2}(I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{ \frac{N}{2}} -J_{f, g} (u, v)) $. 根据引理2.8的(ⅰ)可得$ \delta (u, v)\in C^1( \Sigma _+, {{\Bbb R}} ). $因为$ F_\rho (S^{N-1} ) $是紧的, 所以存在$ (u_0, v_0)\in F_\rho (S^{N-1} ), $使得

由(3.13)式可知

$ \delta _1(\varepsilon )=\frac{1}{2}(I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2}) ^{ \frac{N}{2}} -J_{f, g} (u_0, v_0)). $那么, 对于$ 0<\| (f(x), g(x))\| _{E^*}\leq d_3, $非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $$ (A_2), $$ 0<\varepsilon <\varepsilon _1, $存在$ \delta _1(\varepsilon )>0, $使得

引理3.5得证.

其次, 我们构造映射$ G $.

引理3.6  假设非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1), $那么存在$ \delta _0>0, $$ J_{0, 0} (u, v)\leq \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}}+\delta _0 $时, 有

  由引理2.1可知: $ \inf\limits_{(u, v)\in \Sigma _+ }J_{0, 0} (u, v)=\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2}) ^{ \frac{N}{2}} $是不可达的. 由引理2.10的(ⅱ)可知: 对于任意的$ R\ge 0 $, 存在$ \sigma =\sigma (R)>0, $$ (u, v)\in \Sigma _+ $满足

那么, 存在$ y\in \Omega $ (不妨设$ y\not= 0 ), $$ 0<\varepsilon <\frac{1}{R} $满足$ \frac{\varepsilon }{dist(y, \partial \Omega )}<\frac{1}{R}, $使得

$ \begin{equation} \left\| u-\frac{B}{\sqrt{B^2+D^2}}\frac{U_{\varepsilon, y} }{\| U_{\varepsilon, y} \| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) }}\right\| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N) }\leq \frac{1}{R}, \end{equation} $

$ \begin{equation} \left \| v-\frac{D}{\sqrt{B^2+D^2}}\frac{U_{\varepsilon, y} }{\| U_{\varepsilon, y} \| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)} }\right\| _{D^{1, 2} ({{\Bbb R}} ^N)}\leq \frac{1}{R} . \end{equation} $

假设$ (u, v)\in \Sigma _+ $且有$ J_{0, 0} (u, v)\leq \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2} }+\delta _0. $由Ekeland变分原理, 存在$ (\tilde{u}, \tilde{v})\in \Sigma _+, $使得$ \| (\tilde{u}, \tilde{v})-(u, v)\| _E\leq \sqrt{\delta _0}, \| J'_{0, 0} (\tilde{u}, \tilde{v})\| _{T^*_{(u, v)} \Sigma _+ }\leq \sqrt{\delta _0}, J_{0, 0} (\tilde{u}, \tilde{v}) \leq \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}} +\delta _0. $$ \delta _0\leq \{\sigma (2R^2), \sigma (2R), \frac{1}{4R^2}\}. $根据(3.14)和(3.15)式有: 存在$ y\in \Omega $ (不妨设$ y\not= 0 ), $$ 0<\varepsilon <\frac{1}{R}, $使得

类似地, 我们有

于是

因此

由文献[3, 引理3.2.6], 我们得到

其中$ \frac{N+2}{N+3}<w<1. $从而

其中$ \frac{N+2}{N+3}<w<1. $故结论成立.

引理3.7  假设$ (f(x), g(x))\in E^*, \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_3 $$ ( d_3 $由引理3.3给出), 非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1). $那么存在$ d_4\in (0, d_3], $$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_4 $时, 有

其中$ \delta _0 $由引理3.6给出.

  由引理2.3的(ⅰ)可知: 对于任意的$ \varepsilon \in (0, 1) $$ (u, v)\in \Sigma _+, $

注意到$ I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )\leq 0 $, 则有

$ \begin{eqnarray} J_{0, 0} (u, v)&<&(1-\varepsilon )^{-\frac{N}{2} }\bigg(I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+ \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}} +\frac{1}{2\varepsilon }\| (f, g)\| _{E^*} \bigg){}\\ &= &\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2} }+(1-\varepsilon )^{-\frac{N}{2}} \frac{1}{2\varepsilon }\| (f, g)\| _{E^*} +[(1-\varepsilon )^{-\frac{N}{2}} -1]\frac{2}{N} (\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2} }\\ &&+ (1-\varepsilon )^{-\frac{N}{2}} I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )\\ &\leq& \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}} +(1-\varepsilon )^{-\frac{N}{2}} \frac{1}{2\varepsilon }\| (f, g)\| _{E^*} +[(1-\varepsilon )^{-\frac{N}{2}} -1] \frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2} } . \end{eqnarray} $

存在$ \varepsilon _3>0, $$ 0<\varepsilon <\varepsilon _3 $时, 有

$ \begin{eqnarray} [(1-\varepsilon )^{ -\frac{N}{2}} -1]\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2}} <\frac{\delta _0}{2} . \end{eqnarray} $

于是, 对任意$ \varepsilon >0 $满足$ 0<\varepsilon <\varepsilon _3, $$ d_4\in (0, d_3], $使得当$ \| (f, g)\| _{E^*}\leq d_4 $时, 有

$ \begin{eqnarray} (1-\varepsilon )^{ -\frac{N}{2}} \frac{1}{2\varepsilon }\| (f, g)\|^2_{E^*} <\frac{\delta _0}{2} . \end{eqnarray} $

由(3.16)–(3.18)式可得结论是成立的.

定义映射

由引理3.6和3.7可知: 当$ \| (f, g)\| _{E^*} \leq d_4 $时, 对于任意的$ (u, v)\in [J_{f, g} <I_{f, g} (u_{{\rm loc}}, v_{{\rm loc}} )+\frac{2}{N}(\frac{S_{\alpha, \beta} }{2})^{\frac{N}{2} }], $

所以$ G(u, v) $是有意义的.

引理3.8  假设$ f(x) \geq 0, g(x) \geq0, $$ f(x), g(x)\in L^p( \Omega ), p>\frac{N}{2}, $$ (f(x), g(x))\not\equiv 0, $非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $$ (A_2) $. 那么, 对于充分小的$ \varepsilon >0, $充分小的$ \| (f, g)\| _{E^*} $$ a.e\ \rho y\in \Omega ^ \eta _1\backslash \{0\}=\{x\in \Omega _1;dist(x, \partial \Omega _1)>2\eta \}\backslash \{0\}, $

与恒等映射同伦.

  假设$ \gamma (\theta ), \theta \in [\theta _1, \theta _2] $$ S^{N-1} $$ G(\frac{(Bu_{\varepsilon, \rho y }, Du_{\varepsilon, \rho y} )} {\| (Bu_{\varepsilon, \rho y }, Du_{\varepsilon, \rho y} )\| _E}) $$ G(F_\rho (y)) $之间的正规测地线, 其中$ \gamma (\theta _1)=G(\frac{(Bu_{\varepsilon, \rho y}, Du_{\varepsilon, \rho y })} {\| (Bu_{\varepsilon, \rho y}, Du_{\varepsilon, \rho y })\| _E}), $$ \gamma (\theta _2)=G(F_\rho (y)). $

定义

首先, $ \zeta (\theta, y) $是有意义的. 事实上, 由于非负函数$ a(x) $$ b(x) $满足条件$ (A_1) $, 由(2.8)式, 我们得到: 对于任意的$ e\in \Omega^ \eta _1, $$ \varepsilon \rightarrow 0+ $时, 有

于是, 对于充分小的$ \varepsilon >0 $和任意的$ e\in \Omega ^\eta _1, $

其中$ \delta_0 $由引理3.6给出, 所以$ \zeta (\theta, y) $是有意义的.

其次, 我们将证明$ \zeta (\theta, y)\in C([0, 1]\times S^{N-1}, S^{N-1} ), $事实上

我们断言

$ \begin{eqnarray} \lim _{\theta \rightarrow 1 }G \bigg(\frac{(Bu_{2(1-\theta )\varepsilon, \rho y} (x), Du_{2(1-\theta )\varepsilon, \rho y} (x))} {\| (Bu_{2(1-\theta )\varepsilon, \rho y }(x), Du_{2(1-\theta )\varepsilon, \rho y} (x))\| _E}\bigg)=y . \end{eqnarray} $

由文献[3]中的引理3.2.8可知: 对于任意的$ e\in \Omega ^\eta _1\setminus \{0\}, $$ \varepsilon \rightarrow 0+ $时, 有

于是, 对于任意的$ e\in \Omega ^ \eta _1\backslash \{0\}, $$ \varepsilon \rightarrow 0+ $时, 有

因此, 对于任意$ \rho y\in \Omega ^\eta _1\backslash\{0\}, | y| =1, $

所以(3.19)式成立. 根据$ \zeta (\theta, y) $的定义可得: 对于任意的$ y\in S^{N-1}, $$ 0<\varepsilon <\varepsilon _2 $时, 有

所以$ G\circ F_\rho $与恒等映射同伦.

4 方程组两个正解的存在性的证明

定理1.1的证明  由引理2.11的(ⅱ), 引理3.8, 引理1.2和引理1.3可知$ J_{f, g} (u, v) $

中至少有两个临界点$ (\bar{u}_1, \bar{v}_1), (\bar{u}_2, \bar{v}_2). $

根据引理2.3的(ⅱ), 我们可得

通过引理2.2的(ⅱ)和引理2.8的(ⅱ)我们得到$ (u_1, v_1), (u_2, v_2) $是问题(1.1)–(1.4)的两个能量大于零的正解.

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