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数学物理学报, 2023, 43(1): 69-81

渐近线性Dirac方程的相对Morse指标及其多解性

单远,

南京审计大学数学学院 南京 211815

Relative Morse Index and Multiple Solutions for Asymptotically Linear Dirac Equation

Shan Yuan,

School of Mathematics, Nanjing Audit University, Nanjing 211815

收稿日期: 2021-01-13   修回日期: 2022-09-22  

基金资助: 国家自然科学基金(11701285)
江苏省自然科学基金(BK20161053)

Received: 2021-01-13   Revised: 2022-09-22  

Fund supported: The NSFC(11701285)
National Science Foundation of Jiangsu Province(BK20161053)

作者简介 About authors

单远,E-mail:shannjnu@gmail.com

摘要

该文主要研究Dirac方程周期解的存在性和多重性. 通过引入相对Morse指标对相应的线性Dirac方程进行分类, 并给出解存在的扭转性条件.

关键词: 相对Morse指标; Dirac方程的周期解; 扭转性条件

Abstract

This paper is concerned with the existence and multiplicity of periodic solutions for Dirac equation. We will establish a relative Morse index theory to classify the associated linear Dirac equation. Under a general twist condition for the nonlinear part via the relative Morse index, existence of multiple solutions are obtained.

Keywords: Relative Morse index; Periodic solution of Dirac equation; Twist condition

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本文引用格式

单远. 渐近线性Dirac方程的相对Morse指标及其多解性[J]. 数学物理学报, 2023, 43(1): 69-81

Shan Yuan. Relative Morse Index and Multiple Solutions for Asymptotically Linear Dirac Equation[J]. Acta Mathematica Scientia, 2023, 43(1): 69-81

1 引言

本文主要研究Dirac方程周期解的存在性与周期性. 其中Dirac方程

iΣ3k=1αkkx+aβx+V(t)x=G(t,x),
(1.1)

这里 G(t,x)表示G关于x的梯度, t=(t1,t2,t3)R3, k=/tk, a>0 是常数, α1, α2, α3β4×4 Pauli 矩阵

β=(I00 I),  αk=(0 σkσk 0),  k=1,2,3,

其中,

σ1=(0 11 0),  σ2=(0 ii 0),  σ3=(1 00 1).

这一方程源于对非线性Dirac方程稳态解(也可称为驻波解)的研究(参见文献[32])

isψ=icΣ3k=1αkkψmc2βψM(t)ψ+Fψ(t,ψ).
(1.2)

这里稳态解是指形如ψ(s,t)=eiμtu(t)的解. 假设F(t,eiθψ)=F(t,ψ)对所有的θ[2π]成立, 在此条件下, 稳态解满足方程(1.2)当且仅当函数u(t)满足方程(1.1), 其中a=mc, V(t)=M(t)/c+μI/, 且G(s,t)=F(s,t)/c. 在方程(1.2)中, 令

α=(α1,α2,α3),  α=Σ3k=1αkk,

我们就得到了一般型稳态Dirac方程

iαx+aβx+V(t)x=G(t,x).
(1.3)

近几十年来, 针对不同类型的VG, 人们得到了许多Dirac方程稳态解的存在性和多重性的相关结果, 参见文献[7-14,16,18-19,28] 及其参考文献. 本文主要研究在周期外力场下, 方程(1.3)周期解的存在性和多重性. 其中周期解是指方程(1.3)的解u(t)满足: u(t+z)=u(t), zZ3. 方程(1.3)的周期解也可看作方程(1.2)的周期稳态解. 我们对V(t)G(t,x)作出如下假设

(V)VC(R3,R)V关于tk, k=1,2,3是1 -周期的.

(G)GC2(R3×C4,R), 且存在M>0使得|G.G(t,x)关于t_k, k=1,2,3是1-周期的.

Ding和Liu[10,12]建立了Dirac方程周期解的变分框架, 并利用文献[3] 中所建立的临界点定理得到非线性系统解的存在性和多重性. 其中, Ding 和Liu[10]研究了超二次和次临界系统(1.3)的周期解. 随后, 在文献[12]中研究了渐近线性情形, 他们主要做出了如下假设

(G_1) 存在 b_0\in C(Q, [0,\infty))b_0(t)1 -周期的, 使得

G'(t,x)-b_0(t)x=o(|x|), (|x|\rightarrow 0), \hbox{关于$t\in Q$一致},

(G_2) 存在b_\infty\in C(Q, [0,\infty))b_\infty(t)是1 -周期的, 使得

G'(t,x)-b_\infty(t)x=o(|x|) (|x|\rightarrow \infty), \hbox{关于$t\in Q$一致},

其中Q=[0,1]\times [0,1] \times [0,1]. 受上述工作的启发, 我们主要考虑更为一般的渐近线性条件. 首先给出记号: 记L_s(\Bbb R^4)4\times4实对称矩阵的集合. 对于L_s(\Bbb R^4)中的任意两个矩阵A_1A_2, 若A_2-A_1是半正定的, 则记A_1\leq A_2; 若A_2-A_1是正定的, 则记A_1<A_2. 对于L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))中的任意两个矩阵函数A_1(t), A_2(t), 若A_1(t)\leq A_2(t) 对于几乎所有的t\in Q成立, 则记A_1\leq A_2; 若A_1\leq A_2且在Q的非零测度子集上成立A_1(t)<A_2(t)则记A_1< A_2.

考虑如下假设

(G_0) 存在A_1(t), A_2(t)\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))B_{0}(t,x)\in L^\infty(Q\times \Bbb C^4, L_s(\Bbb R^4)), 满足

\begin{matrix}\label{g0} A_1(t)\leq B_{0}(t,x) \leq A_2(t), \ \ \forall x\in \Bbb C^4\ \hbox{和几乎所有的}\ t\in Q, \end{matrix}

使得

G'(t,x)=B_{0}(t,x)x+o(|x|), ( |x|\rightarrow 0)\ \hbox{关于$Q$一致}.

(G_\infty) 存在B_1(t), B_2(t)\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))B_{\infty}(t,x)\in L^\infty(Q\times \Bbb C^4, L_s(\Bbb R^4)), 满足

\begin{matrix}\label{g infty} B_1(t)\leq B_{\infty}(t,x) \leq B_2(t), \ \ \forall x\in \Bbb C^4\ \hbox{和几乎所有的}\ t\in Q, \end{matrix}

使得

G'(t,x)=B_{\infty}(t,x)x+o(|x|), (|x|\rightarrow \infty)\ \hbox{关于$Q$一致}.

条件(G_1)-(G_2)或(G_0)-(G_\infty)常被运用于哈密顿系统周期解的研究中, 并被称为系统非线性项的渐近线性条件. 指标理论是测量(G_1)-(G_2)或(G_0)-(G_\infty)中扭转的定量的工具. 在文献[17]中, Ekeland利用对偶变分以及凸分析针对凸哈密顿系统建立了指标理论. Conley, Zehnder和Long在文献[5,23-25]中针对辛道路建立了指标理论. Long和Zhu[26,34]利用线性算子的谱流定义了两个线性算子之间的相对Morse指标, 并重新定义了辛道路的Maslov指标. Abbondandolo[1]针对带有紧扰动的Fredholm算子建立了相对Morse指标. 对于带有紧预解集的自伴算子方程, Dong[6]利用对偶变分建立了指标理论. Liu[21]利用代数方法建立了辛道路的指标理论, 并在文献[22]中研究了几类指标理论之间的关系.

上述指标理论被广泛的应用于各类微分方程的研究中. 例如: 哈密顿系统, 椭圆微分方程, 时滞微分方程等. 在利用变分法研究的过程中, 上述系统满足

\begin{matrix}\label{333} Ax=F'(x), \ \ x\in D(A). \end{matrix}

其中A为自伴算子. 特别地, A满足如下的谱性质

\begin{matrix}\label{555} \sigma(A)=\sigma_d(A). \end{matrix}
(1.4)

这里\sigma(A)\sigma_d(A)分别代表A的谱和离散谱(有限重特征值). 将该谱性质与修改后的鞍点约化相结合, Dong和Shan[15]对相应的线性方程建立了指标理论. 随后, 我们在文献[30]中利用文献[15]的指标理论研究了非线性算子方程的扭转性条件. 作为应用, 我们得到了带有Sturm-Liouvillean边值条件的渐近线性一阶哈密顿系统和渐近线性时滞微分方程解的存在性条件.

在文献[29]中, 我们将指标理论推广至渐近线性薛定谔方程的研究中, 其中薛定谔算子含有本质谱. 这一谱性质与我们在本文中所研究的这一类Dirac算子的谱性质具有本质的不同. 此外, Chen 和Hu[4], Liu和Wang[33]也针对带有本质谱的自伴算子方程建立了指标理论.

根据文献[10,12]所建立的Dirac方程周期解的变分框架, 我们注意到相应的Dirac算子

A=-{\rm i}\alpha\cdot \nabla + a \beta +V(t)

满足谱性质(1.4). 因此, 我们很自然的考虑将文献[15]中的指标理论引入至方程(1.3)的研究中.

在第二节中, 对于任意B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4)), 我们将建立相对Morse指标I(B_1, B_2)用于衡量B_1B_2的区别. 且I(B_1, B_2)仅依赖于Dirac算子A, B_1B_2.

定义1.1 对于任意B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))B_1<B_2, 我们定义

I(B_1, B_2)=\sum_{\lambda\in [0,1)}\nu((1-\lambda)B_1+\lambda B_2),

其中\nu(B)=\dim \ker(A-B). 对于任意B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4)), 我们定义

I(B_1, B_2)=I(B_1, Kid)-I(B_2, Kid),

其中id为恒同映射, K为实数且满足Kid>B_1, Kid>B_2.I(B_1, B_2)B_1B_2的相对Morse指标.

定理1.1 设条件(V), (G), (G_0), (G_\infty)成立, 且I(A_1,A_2)=0, \nu(A_2)=0, I(B_1,B_2)=0, \nu(B_2)=0.G(t,x)关于x为偶函数, 则方程(1.3)含有至少|I(A_1, B_2)|对周期解.

注1.1 在文献[12]中, Ding和Liu假设(G_1)和(G_2)成立. 其中q_\infty>q_0^+, 且

q_\infty=\min_{t\in Q}b_{\infty}(t), \ \ q_0^+=\min[\sigma(A)\cap (q_0, \infty)] \hbox{ 和 }\ q_0=\max_{t\in Q}b_0(t).

G关于x是偶的, 则有方程(1.3)含有至少d(q_0^+, q_\infty)对周期解.

若将 B_0(t,x), B_\infty(t,x) 替换成b_0(t)b_\infty(t), 由定理1.1可得方程(1.3)具有至少I(b_0(t), b_\infty(t)) 对周期解. 根据第二节中指标函数的单调性,

I(b_0(t), b_\infty(t))\geq d(q_0^+, q_\infty).

因此, 我们将文献[12]的定理1.5推广到了更为一般的情形. 此外, 由于系统对应的泛函的强不定性, 与文献[12]不同的是我们添加了条件|G''(t,x)|\leq M, 这是为了在第二节中运用文献[15]中的鞍点约化的过程.

该论文的其余的部分安排如下: 在第二节中, 我们将给出一些预备知识, 包括临界点定理、鞍点约化的过程、相对Morse指标及其对线性Dirac方程的分类. 在第三节中我们将证明定理1.1.

2 变分结构和分类理论

在本节中, 我们将首先介绍方程(1.3)的变分结构, 其次给出用于证明定理1.1的对称情形的山路引理, 最后介绍线性系统的相对Morse指标.

2.1 变分结构

L^q -范数记为\|\cdot\|_q, L^2 -内积记为(\cdot, \cdot)_2.Q=[0,1]\times [0,1] \times [0,1]

\begin{matrix} L^q(Q):=\{u\in L^q (\Bbb R^3,\Bbb C^4):u(x+\hat{e}_i)=u(x)\ \hbox{对几乎所有的$x$都成立},i=1, 2, 3 \}, \end{matrix}
(2.1)

这里\hat{e}_1=(1,0,0), \hat{e}_2=(0,1,0), \hat{e}_3=(0,0,1). 则有

A=-{\rm i}\alpha\cdot \nabla +a \beta + V

L^2(Q)上的自伴算子. 记A的谱、离散谱和本质谱分别为\sigma(A), \ \ \sigma_d(A), \sigma_e(A). 由文献[12], 可得

引理2.1 设条件(V)和(G)成立, 则有\sigma_{ess}(A)=\emptyset, 即

\sigma(A)= \sigma_d(A).

对于 B_0\in L^{\infty}(Q, L_s(\Bbb R^4)), 设(B_0x)(t)=B_0(t)x(t), \forallt\in \Bbb R^3, x\in L^2(Q).A_{B_0}=A-B_0, 即 A_{B_0}=-{\rm i}\alpha\cdot \nabla +a \beta + V-B_0. 由引理 2.1, 可得如下引理.

\begin{matrix}\label{spectral property of AB} \sigma(A_{B_0})= \sigma_d(A_{B_0}). \end{matrix}
(2.2)

此外, 方程(1.3)可改写为

\begin{matrix}\label{B_0equation} -{\rm i}\alpha\cdot \nabla x +a \beta x + V x +B_0x=G'(t,x)+B_0x. \end{matrix}
(2.3)

注2.1 通过引入B_0, 在第三节中我们研究了更为一般的系统(2.3). 我们将替换B_0 为与条件(G_0)(G_\infty)相关的自伴算子.

选取B_0使得0\notin \sigma(A_{B_0}), 并将A_{B_0}的谱族记为\{F_\lambda\}_{\lambda\in \Bbb R}. 定义投影算子

\begin{matrix}\label{projection 1} P_{\beta,B_0}^+=\int_0^{+\infty}{\rm d}F_{\lambda},\ \ P_{\beta,B_0}^0=\int_{-\beta}^{0}{\rm d}F_{\lambda}, \ \ P_{\beta,B_0}^-=\int_{-\infty}^{-\beta}{\rm d}F_{\lambda}. \end{matrix}
(2.4)

其中\beta>0充分大且\pm \beta \notin \sigma(A_{B_0}) . L^2(Q)具有相应的正交分解

\begin{matrix}\label{L2decomposiition} &&L^2(Q)=L_{\beta,B_0}^+\oplus L_{\beta,B_0}^0 \oplus L_{\beta,B_0}^-, \\ &&L_{\beta,B_0}^0=P_{\beta,B_0}^0L^2(Q), L_{\beta,B_0}^{\pm}=P_{\beta,B_0}^{\pm}L^2(Q). \end{matrix}
(2.5)

|A_{B_0}|A_{B_0}的绝对值. 取E_{B_0}=D(|A_{B_0}|^{\frac{1}{2}})并在E_{B_0}上引入内积

(z,w)_{B_0}=(|A_{B_0}|^{\frac{1}{2}}z,|A_{B_0}|^{\frac{1}{2}}w)_2

及其导出的范数\|z\|_{B_0}=(z,w)_{B_0}^{\frac{1}{2}}. E_{B_0}有关于(\cdot, \cdot)_2(\cdot, \cdot)_{B_0}的正交分解

\begin{matrix} &&E_{B_0}=E_{\beta,B_0}^+\oplus E_{\beta,B_0}^0 \oplus E_{\beta,B_0}^-,\\ &&E_{\beta, B_0}^{\pm}=E_{B_0}\cap L_{\beta,B_0}^{\pm}\ \hbox{和}\ E_{\beta, B_0}^{0}=E_{B_0}\cap L_{\beta,B_0}^{0}.\nonumber \end{matrix}

由文献[12,引理2.1], 可得如下引理.

引理2.2E_{B_0}可以连续地嵌入H^{\frac{1}{2}}(Q, \Bbb C^4), 紧嵌入L^p(Q), \forall p\in [1,3).

E_{B_0}上定义泛函

\begin{matrix}\label{original functional} I_{\beta,B_0}(x)=\frac{1}{2}\|x^+\|_{B_0}^2-\frac{1}{2}\|x^0\|_{B_0}^2-\frac{1}{2}\|x^-\|_{B_0}^2 -\Phi_{B_0}(x), \ \ x\in E_{B_0}, \end{matrix}
(2.6)

其中

\Phi_{B_0}(x)=\Phi(x)-\frac{1}{2}(B_0x,x)_2\hbox{ 和 }\ \Phi(x)=\int_Q G(t,x).

则有I_{\beta,B_0}\in C^1(E_{B_0},\Bbb R), 且如果xI_{\beta,B_0}的临界点, 它就是方程(1.3)的解.

由于泛函(2.6)的强不定性, 我们介绍文献[15]中约化过程. 根据A_{B_0}\Phi_{B_0}的定义, 方程(2.3)等价于

\begin{equation}\label{abstract original functional} Ax=\Phi_{B_0}'(t,x). \end{equation}
(2.7)

x\in E_{B_0}为方程(2.7)的解, 并令 u=|A_{B_0}|^{\frac{1}{2}}x, 则有u\in L^2(Q)u满足

\begin{matrix}\label{abstract linear DDE 1} u^+-u^0-u^-|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}\Phi'_{B_0}(|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}u)=0, \end{matrix}
(2.8)

其中u=u^+ + u^0 + u^-\in L_{\beta, B_0}^+\oplus L_{\beta,B_0}^0 \oplus L_{\beta,B_0}^-. 由(2.8)式, 可推导出

u^+-u^0-(P^+_{\beta, B_0}+P^0_{\beta, B_0})|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}\Phi'_{B_0}(|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}u)=0,

\begin{equation}\label{negative system L2} -u^- -P^-_{\beta, B_0}|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}\Phi'_{B_0}(|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}u)=0. \end{equation}
(2.9)

此外, 根据投影算子P^-_{\beta, B_0}的定义, 可得

\|P^-_{\beta, B_0}|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}\|\leq\frac{1}{\sqrt{\beta}}.

根据压缩映像原理, \forallu^{\ast}\in L_{\beta, B_0}^{\ast}=L_{\beta, B_0}^{+} \oplus L_{\beta, B_0}^{0}, 方程(2.9)具有唯一解. 因此, 存在自伴算子

\begin{equation}\label{operator L} T_{\beta, \Phi}: L_{\beta, B_0}^{\ast}\rightarrow L_{\beta, B_0}^{-}, \end{equation}
(2.10)

使得T_{\beta, \Phi}满足

-T_{\beta, \Phi}u^{\ast} -P^-_{\beta, B_0}|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}\Phi'_{B_0}(|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}(u^{\ast}+T_{\beta, \Phi}u^{\ast}))=0.

定义\tilde{T}_{\beta, \Phi}=|A_{B_0}|^{-\frac{1}{2}}T_{\beta, \Phi}|A_{B_0}|^{\frac{1}{2}}:E_{\beta, B_0}^{\ast}\rightarrow E_{\beta, B_0}^{-}E^{\ast}_{\beta, B_0}上的泛函\tilde{I}_{\beta, B_0}

\begin{equation}\label{reduced functional} \tilde{I}_{\beta, B_0}(x^{\ast})=I_{\beta, B_0}(x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, \Phi}x^{\ast}),\ \ x^{\ast}\in E^{\ast}_{\beta, B_0}. \end{equation}
(2.11)

易得

\begin{equation} \tilde{I}'_{\beta, B_0}(x^{\ast})=x^+-x^- - (P^+_{\beta, \Phi}+ P^0_{\beta, \Phi} )\Phi'_{B_0}(x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, \Phi}x^{\ast}). \end{equation}
(2.12)

引理2.3x^{\ast}\tilde{I}_{\beta, B_0}的临界点, 当且仅当x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, \Phi}x^{\ast}为方程(1.3)的解.

下面我们介绍对称情形的山路引理(参见文献[2,31])和Clark's 定理(参见文献[20,27]). 我们称\{u_n \}\in X是函数I的(PS) -序列, 是指I(u_n)\rightarrow cI'(u_n)\rightarrow 0. 如果任何的(PS) -序列都有收敛子列, 称I满足(PS) -条件.

定理2.1I \in C^{1}(X,\textbf{R}^{1})X上的偶泛函, I(0)=0I满足(PS) - 条件. 若 (I_1) 存在E_1\subset X, 其中dimE_1=l_1, 和R>0使得

\sup_{u\in E_{1}, \ \ \|u\|\geq R} I(u)\leq 0,

(I_2) 存在E_2\subset X, 满足codimE_2=l_2<l_1, 和\rho>0使得

\sup_{u\in E_{2}\cap S_{\rho}} I(u)> 0,

I至少含有l_1-l_2对临界点(正临界值). 若

(I_3) 存在E_3\subset X, 其中dimE_3=k_1, 和\rho>0使得

\sup_{u\in E_{3}\cap S_{\rho}} I(u)<0,

(I_4) 存在E_4\subset X, 满足codimE_4=k_2<k_1, 使得

\inf_{u\in E_{4}} I(u)>-\infty,

I至少含有k_1-k_2对临界点(负临界值).

2.2 分类理论

考虑线性系统

\begin{equation} A_{B_0}x-(B-B_0)x=0. \end{equation}
(2.13)

对于任意的z,w\in E_{B_0}, 定义

\begin{matrix} q_{\beta, B_0,B}(z,w)=\frac{1}{2}(z^+, w^+)_{B_0}-\frac{1}{2}(z^0, w^0)_{B_0}-\frac{1}{2}(z^-, w^-)_{B_0} -\frac{1}{2}((B-B_0)z,w)_2. \end{matrix}

类似于(2.10)式, 定义自伴算子

\begin{equation}\label{operator E} \tilde{T}_{\beta, B_0, B}:E^{\ast}_{B_0}\rightarrow E^{-}_{B_0} \end{equation}
(2.14)

使得, \forall z^{\ast}\in E^{\ast}_{\beta, B_0}, w\in E^{-}_{\beta, B_0},

\begin{matrix}\label{key inequality} q_{\beta, B_0, B}(z^{\ast}+w,z^{\ast}+w)\leq q_{\beta, B_0, B}(z^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, B_0, B }z^{\ast},z^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, B_0, B }z^{\ast}). \end{matrix}
(2.15)

定义E^{\ast}_{\beta, B_0}上的双线性形式

\begin{matrix}\label{22} \tilde{q}_{\beta, B_0, B}(x^{\ast},y^{\ast})&=&q_{\beta, B_0, B}(x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, B_0, B }x^{\ast},y^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, B_0, B }y^{\ast}) \\ &=&\frac{1}{2}(x^+, y^+)_2-\frac{1}{2}(x^0, y^0)_2-\frac{1}{2}( (B-B_0)x^{\ast}, y^{\ast} )_2 \\ &&-\frac{1}{2}( (B-B_0)\tilde{T}_{\beta, B_0, B }x^{\ast}, y^{\ast} )_2. \end{matrix}
(2.16)

引理2.4 (文献[15,定义4.1,命题4.2]) (1) E^{\ast}_{\beta,B_0}存在正交分解

E^{\ast}_{\beta,B_0}=E^{+}_{\beta,B_0}(B) \oplus E^{0}_{\beta,B_0}(B) \oplus E^{-}_{\beta,B_0}(B),

使得\tilde{q}_{\beta, B_0, B}E^{+}_{\beta,B_0}(B), E^{0}_{\beta,B_0}(B)E^{-}_{\beta,B_0}(B)上分别正定、 值为零、负定. 此外, E^{0}_{\beta,B_0}(B)E^{-}_{\beta,B_0}(B)是有限维空间. 定义

i_{\beta,B_0}(B)=\hbox{dim } E^{-}_{\beta,B_0}(B),\nu_{\beta,B_0}(B)=\hbox{dim } E^{0}_{\beta,B_0}(B),

i_{\beta,B_0}(B)B的指标, \nu_{\beta,B_0}(B)B的零维数.

(2) i_{\beta,B_0}(B)\tilde{q}_{\beta, B_0, B}的Morse指标; \nu_{\beta,B_0}(B)是方程(1.3)解空间的维数, 即\nu_{\beta,B_0}(B)=\dim \ker (A-B).

(3) 存在\epsilon_0>0使得\forall \epsilon\in (0, \epsilon_0],

\begin{matrix} &&\nu_{\beta, B_0}(B+\epsilon)=0=\nu_{\beta, B_0}(B-\epsilon), \\ &&i_{\beta, B_0}(B-\epsilon)=i_{\beta, B_0}(B), \\ &&i_{\beta, B_0}(B+\epsilon)=i_{\beta, B_0}(B)+\nu_{\beta, B_0}(B). \end{matrix}

(4) 对于任意的B\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))\nu_{\beta, B_0}(B)=0\beta>0充分大, 则有

( \tilde{q}_{\beta, B_0,B}(x^{\ast},x^{\ast}))^{1\over 2}\ \mbox{和}\ (- \tilde{q}_{\beta, B_0,B}(x^{\ast},x^{\ast}))^{1\over 2}

分别为E^+_{\beta, B_0}(B)E^-_{\beta, B_0}(B)上的等价范数.

(5) 对于任意的B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))满足 B_1\leq B_2,

i_{\beta,B_0}(B_2)-i_{\beta,B_0}(B_1)=\Sigma_{\lambda\in [0,1)}\nu_{\beta,B_0}(B_1+\lambda(B_2-B_1)).

注2.2 根据该引理, \nu_{\beta, B_0}(B)\betaB_0无关, 从而可将其简写为\nu(B). 此外, 尽管指标函数i_{\beta,B_0}(B)\betaB_0有关, i_{\beta,B_0}(B_1)i_{\beta,B_0}(B_2)的差与\betaB_0无关.

定义2.1 \forall B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))B_1<B_2, 定义

I(B_1, B_2)=\sum_{\lambda\in [0,1)}\nu((1-\lambda)B_1+\lambda B_2),

其中\nu(B)=\dim \ker(A-B). \forall B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4)), 定义

I(B_1, B_2)=I(B_1, Kid)-I(B_2, Kid),

其中id是恒同映射, 实数K满足Kid>B_1, Kid>B_2.I(B_1, B_2)B_1B_2之间的相对Morse指标.

引理2.5 对于任意的B_1, B_2\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4)), 有

i_{\beta,B_0}(B_2)-i_{\beta,B_0}(B_1)=I(B_1, B_2).

假设K\geq B_1, K\geq B_2, 有

i_{\beta,B_0}(Kid)= i_{\beta,B_0}(B_1)+I(Kid, B_1) = i_{\beta,B_0}(B_2)+I(Kid, B_2).

因此,

i_{\beta,B_0}(B_2)- i_{\beta,B_0}(B_1)= I(Kid, B_1)-I(Kid, B_2)=I(B_1, B_2).

证毕.

注2.3 (1) 容易看出I(B_1, B_2)K无关. 因此, 我们定义的相对Morse指标是合理的.

(2) 在条件(G_0)(G_\infty)中, 我们假设

I(A_1,A_2)=0, \ \ \nu(A_2)=0; \ \ I(B_1,B_2)=0, \ \ \nu(B_2)=0.

则对于任意的B_0\in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4))满足\nu(B_0)=0, 有

\begin{matrix} &&i_{\beta,B_0}(A_1)=i_{\beta,B_0}(A_2), \ \ \nu(A_1)=\nu(A_2)=0, \\ &&i_{\beta,B_0}(B_1)=i_{\beta,B_0}(B_2), \ \ \nu(B_1)=\nu(B_2)=0. \end{matrix}

从而

I(A_i, B_j)=I(A_k, B_l), \ \ \forall \ \ i,j,k,l=1,2.

在本文中条件(G_0)(G_\infty)是在原点处和无穷远处的非共振条件, 我们指出可以通过添加Landesman-Lazer 条件来研究共振条件情形.

3 定理1.1的证明

假设R_1'(t,x)=G'(t,x)-B_{0}(t,x)x. 根据条件(G_0)(G_\infty), 给定3>p>2, 对于任意\epsilon>0, 存在C_\epsilon 使得

|R_1'(t,x)|\leq \epsilon |x|+C_\epsilon |x|^{p-1},

|R_1(t,x)|\leq \frac{1}{2}\epsilon |x|^2+\frac{C_\epsilon}{p}|x|^{p},

其中R_1(t,x)=\int_0^1(R_1'(t,\theta x),x)d\theta. 我们有

\begin{matrix}\label{inequality at 0} &&\int_{Q}R_1(t,x){\rm d}t\geq\frac{1}{2}(A_2(t)x,x)_2-\frac{1}{2}\epsilon \|x\|_2^2-\frac{C_\epsilon}{p}\|x\|_p^{p}, \\ &&\int_{Q}R_1(t,x){\rm d}t\leq \frac{1}{2}(A_2(t)x,x)_2+\frac{1}{2}\epsilon \|x\|_2^2+\frac{C_\epsilon}{p}\|x\|_p^{p}. \end{matrix}
(3.1)

由(G_0), 当\epsilon充分小时, 有\nu(A_2+\epsilon)=\nu(A_2)=0. 假设B_0=A_2+\epsilon. 定义E_{A_2+\epsilon}=D(|A_{A_2+\epsilon}|^{-\frac{1}{2}})以及相应的内积(\cdot, \cdot)_{A_2+\epsilon}和范数\|\cdot\|_{A_2+\epsilon}.为了方便起见, 将(\cdot, \cdot)_{A_2+\epsilon}\|\cdot\|_{A_2+\epsilon}简记为(\cdot, \cdot)\|\cdot\|.

引理3.1 假设(G_0)(G_\infty)成立. 记E_2=E_{A_2+\epsilon}^+, 则存在r,\rho>0使得

\inf \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(E_2\cap\partial B_r)\geq \rho.

由(3.1)式, 对于任意的x\in E_{A_2+\epsilon}成立

\begin{eqnarray*} I_{\beta, A_2+\epsilon}(x)&=&\frac{1}{2}\|x^+\|^2-\frac{1}{2}\|x^0\|^2-\frac{1}{2}\|x^-\|^2-\int_{Q}G(t,x){\rm d}t +\frac{1}{2}((A_2+\epsilon)x,x)_2\\ &\geq &\frac{1}{2}\|x^+\|^2-\frac{1}{2}\|x^0\|^2-\frac{1}{2}\|x^-\|^2- \frac{C_\epsilon}{p}\|x\|_p^p, \end{eqnarray*}

其中x=x^++x^0+x^-\in E_{\beta, A_2+\epsilon}^+\oplus E_{\beta, A_2+\epsilon}^0 \oplus E_{\beta, A_2+\epsilon}^-x^{\ast}=x^++x^0. 由于E_{A_2+\epsilon}紧嵌入L^p(Q), 存在常数C>0使得 \frac{C_\epsilon}{p}\|x\|_p^p\leq C\|x\|^p. 因此,

\begin{matrix} \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x^{\ast})&=&I_{\beta, A_2+\epsilon}(x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta, \Phi}x^{\ast}) \\ &\geq& \frac{1}{2}\|x^+\|^2-\frac{1}{2}\|x^0\|^2 -\frac{1}{2}\|\tilde{L}_{\beta, \Phi}x^{\ast}\|^2 -C\|x^{\ast}+\tilde{L}_{\beta, \Phi}x^{\ast}\|^p. \end{matrix}

E_2= E^+_{A_2+\epsilon}, 可得x^{\ast}=x^+对于任意的x^{\ast}\in E_2都成立. 又易得\|\tilde{T}_{\beta, \Phi}\|\leq \frac{M}{\beta+M}, 其中M在条件(G_0)中给出. 则有

\tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x^{\ast})\geq \frac{1}{2}\|x^{\ast}\|^2 - \frac{1}{2}(\frac{M}{\beta+M})^2\|x^{\ast}\|^2-C(1+(\frac{M}{\beta+M})^2) \|x^{\ast}\|^p.

从而当\|x^{\ast}\|非常小时, \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x^{\ast})\geq \rho >0. 证毕.

假设R_2'(t,x)=G'(t,x)-B_{\infty}(t,x)x, 则有R_2'(t,x)=o(|x|), |x|\rightarrow\infty. 从而对于给定的\epsilon, 存在C_1使得

\begin{matrix}\label{inequation at infinity} R(t,x)\geq \frac{1}{2}((B_1(t)-2\epsilon)x,x)-C_1. \end{matrix}
(3.2)

引理3.2 假设E_1=E^-_{A_2+\epsilon}(B_1-2\epsilon), 则有

\hbox{当}\ \|x^{\ast}\|\rightarrow \infty\ \hbox{时}, \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x^{\ast})\rightarrow -\infty.

由(3.2)式和\tilde{q}_{\beta,A_2+\epsilon,B_1-2\epsilon }的定义, 可得

\begin{matrix} \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x^{\ast})&\leq& \frac{1}{2}\|x^+\|^2-\frac{1}{2}\|x^0\|^2-\frac{1}{2}\|\tilde{T}_{\beta, \Phi}x^{\ast}\|^2 \\ &&-\frac{1}{2}((B_1-2\epsilon)x^{\ast}+\tilde{L}_{\beta, \Phi}x^{\ast},x^{\ast}+\tilde{L}_{\beta, \Phi}x^{\ast})_2 \\ &&+\frac{1}{2}((A_2+\epsilon)x^{\ast}+\tilde{L}_{\beta, \Phi}x^{\ast},x^{\ast}+\tilde{L}_{\beta, \Phi}x^{\ast})_2+C_1 \\ &=&q_{\beta,A_2+\epsilon,B_1-2\epsilon }(x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta,\Phi}x^{\ast},x^{\ast}+\tilde{T}_{\beta,\Phi}x^{\ast})+C_1 \\ &\leq &\tilde{q}_{\beta,A_2+\epsilon,B_1-2\epsilon }(x^{\ast}, x^{\ast})+C_1. \end{matrix}

根据引理2.4, 取充分小的\epsilon使得\nu(B_1-2\epsilon)=\nu(B_1)=0\sqrt{-\tilde{q}_{\beta,A_2+\epsilon,B_1-2\epsilon }}E^-_{A_2+\epsilon}(B_1-2\epsilon)上的等价范数. 从而存在C_2>0使得

\tilde{q}_{\beta,A_2+\epsilon,B_1-2\epsilon }(x^{\ast}, x^{\ast})\leq -C_2\|x^{\ast}\|^2, \ \ \forall \ \ x^{\ast}\in E^-_{A_2+\epsilon}(B_1-2\epsilon),

\tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x^\ast)\leq -C_2\|x^{\ast}\|^2+C_1.

因此, 该引理成立.证毕.

引理3.3 假设(G_0)和(G_\infty)成立, 则\tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}的(PS) -序列是有界的.

假设序列\{x_j^{\ast}\}\subset E_{\beta, A_2+\epsilon}^{\ast}满足\tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}(x_j^{\ast})\rightarrow c\tilde{I}'_{\beta, A_2+\epsilon}(x_j^{\ast})\rightarrow 0. 对于任意的y^{\ast}\in E_{\beta, A_2+\epsilon}^{\ast},

\begin{matrix}\label{11} o(1)&&=( \tilde{I}'_{\beta, A_2+\epsilon}(x_j^{\ast}), y^{\ast} ) \\ &&=(x_j^+-x_j^0, y^{\ast} ) -((P_{\beta, A_2+\epsilon}^++P_{\beta, A_2+\epsilon}^0)\Phi'_{A_2+\epsilon}(x_j), y^{\ast} ). \end{matrix}
(3.3)

定义x_j^-=\tilde{T}_{\beta, \Phi}x_j^{\ast}x_j=x_j^{\ast}+x_j^-. 根据\tilde{T}_{\beta, \Phi}的定义, 有

\begin{matrix}\label{12} -x_j^-= P_{\beta, A_2+\epsilon}^- \Phi'_{A_2+\epsilon}(x_j). \end{matrix}
(3.4)

由(3.3)式和(3.4)式, 可得

\begin{matrix}\label{13} o(1)=(x_j^+-x_j^0-x_j^-, y ) -(\Phi'_{A_2+\epsilon}(x_j), y), \ \ \forall y\in E_{A_0+\epsilon}. \end{matrix}
(3.5)

下证\{x_j^{\ast}\}有界. 反证并假设, 在子列的意义下, \|x_j^{\ast}\|\rightarrow\infty. 从而 \|x_j\|\geq \|x_j^{\ast}\|\rightarrow\infty .v_j=\frac{x_j}{\|x_j\|}, 则有\|v_j\|=1. 假设

\hbox{在$E_{A_2+\epsilon}$中}, v_j\rightharpoonup v,\ \hbox{且在$L^2(Q) $中}\ v_j\rightarrow v.

由(3.5)式, \forall y\in E_{A_1+\epsilon},

\begin{matrix} o(1)&&=\frac{\tilde{I}'_{\beta, A_0+\epsilon}(x_j^{\ast})}{\|x_j \|}y \\ &&=(v_j^+-v_j^0-v_j^-, y) -\int_Q \frac{G'(t,x_j)y}{\|x_j \|}+((A_0+\epsilon)v_j, y )_2. \end{matrix}

从而在子列的意义下, 在Qv_j(t)\rightarrow v(t)且当v(t)\neq 0x_j(t)\rightarrow \infty. 因此, 存在A_\infty \in L^\infty(Q, L_s(\Bbb R^4)) 满足B_1\leq A_\infty\leq B_2 使得

\int_Q \frac{G'(t,x_j)\varphi}{\|x_j \|} \rightarrow \int_Q A_{\infty}(t)v\varphi, \ \ \forall \varphi \in L^2(Q).

可推导出

A_{A_2+\epsilon}v-A_\infty v +(A_2+\epsilon)v=0,

(-{\rm i}\alpha\cdot \nabla +a \beta + V)v -A_\infty v =0.

此外, 根据指标函数的单调性, 有

\nu(A_\infty)=0.

因此, v=0. 则在E_{A_0-\epsilon}v_j\rightharpoonup 0且在L^2(Q)v_j\rightarrow 0. 由于A_2有界且\sup\limits_{t\neq 0} \frac{|G'(t,x)|}{|x|}< \infty, 存在C>0使得

\begin{matrix} o(1)&&=(\frac{I_{\beta,A_2+\epsilon}'(x_j)}{\|x_j\|}, v_j^+-v_j^0) \\ &&=o(1)+1-\int_{Q}\frac{G'(t,x_j)}{|x_j|}|v_j|(v_j^+-v_j^0-v_j^-)+ ((A_2+\epsilon)v_j,v_j^+-v_j^0-v_j^- )_2 \\ && \geq o(1)+ 1-C\|v_j\|_2^2=1+o(1). \end{matrix}

从而得出矛盾.证毕.

引理3.4\tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}的(PS) -序列具有收敛子列.

由引理3.3, \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}的(PS) -序列有界. 假设\{ x_j^{\ast} \}为(PS) -序列. 记x_j^-=\tilde{T}_{\beta, \Phi}x_j^{\ast}x_j=x_j^{\ast} + x_j^{-} , 则有\{ x_j\}E_{A_1+\epsilon}中有界. 设x_j\rightharpoonup x并设w_j=x_j-x, 则有在L^2(Q)w_j\rightharpoonup 0w_j\rightarrow 0. 注意到要证明强收敛, 只需证明\|w_j\|\rightarrow 0. 由于

-x_j^-=P_{\beta, A_2+\epsilon}^{-}\tilde{I}'_{\beta, A_2+\epsilon}(x_j),

则有

\begin{matrix} o(1)&=&(\tilde{I}_{\beta,A_2+\epsilon}'(x_j^{\ast}), w_j^+-w_j^0) \\ &=&o(1)+\|w_j\|^2-\int_{Q}G'(t,x_j)(w_j^+-w_j^0-w_j^-) \\ && + ((A_2+\epsilon)x_j,w_j^+-w_j^0-w_j^- )_2 \\ &=& o(1)+\|w_j\|^2-\int_{Q}\frac{G'(t,x_j)}{|x_j|}|x_j|(w_j^+-w_j^0-w_j^-) \\ && + ((A_2+\epsilon)w_j,w_j^+-w_j^0-w_j^- )_2 \\ &=&o(1)+\|w_j\|^2, \end{matrix}

可得\|w_j\|\rightarrow 0 . 从而在E^{\ast}_{A_2+\epsilon}x_j^{\ast}\rightarrow x^{\ast}, 该引理得证.

(定理1.1) 若I(A_1, B_1)>0, 我们首先验证定理2.1中的条件(I_1)和(I_2). 假设X=E_{A_2+\epsilon}^{\ast}. 由引理2.4, 当\epsilon充分小时, 有

\dim E_1=\dim E_{A_2+\epsilon}^-(B_1-2\epsilon) =i_{\beta,A_2+\epsilon}(B_1-2\epsilon) =i_{\beta,A_2+\epsilon}(B_1).

X=E_{A_2+\epsilon}^{\ast}=E_{A_2+\epsilon}^{+}\oplus E_{A_2+\epsilon}^{0} , 可得

\hbox{codim} E_2=\hbox{codim} E_{A_2+\epsilon}^{+}=\dim E_{A_2+\epsilon}^{0}.

又对于任意的x^{\ast}\in E_{A_2+\epsilon}^{\ast},

\tilde{q}_{\beta, A_2+\epsilon,A_2+\epsilon}(x^{\ast}, x^{\ast})=\frac{1}{2}\|x^+\|^2-\frac{1}{2}\|x^0\|^2.

因此,

E_{A_2+\epsilon}^{+}(A_2+\epsilon)=E_{A_2+\epsilon}^{+}, \ \ E_{A_2+\epsilon}^{-}(A_2+\epsilon)=E_{A_2+\epsilon}^{0},

\hbox{codim} E_2= \dim E_{A_2+\epsilon}^{-}(A_2+\epsilon)=i_{\beta, A_2+\epsilon}(A_2+\epsilon)= i_{\beta, A_2+\epsilon}(A_2).

从而, 由引理3.2, 定理2.1的条件(I_1)成立并满足\dim E_1=i_{\beta,A_2+\epsilon}(B_1). 由引理3.1, 定理2.1的条件(I_2)成立并满足\hbox{codim} E_2=i_{\beta,A_2+\epsilon}(A_2). 此外, 通过引理3.4可得\tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}满足(PS) -条件. 因此, 根据定理2.1, \tilde{I}_{\beta, A_2+\epsilon}具有至少 i_{\beta,A_2+\epsilon}(B_1)-i_{\beta,A_2+\epsilon}(A_2)对非平凡的临界点. 最后, 由引理2.5和注2.3, 有

i_{\beta,A_2+\epsilon}(B_1)-i_{\beta,A_2+\epsilon}(A_2)=I(A_2, B_1)=I(A_1, B_2).

I(A_1,B_1)<0, 考虑泛函\tilde{I}_{\beta, A_1-\epsilon}并取E_3=E^-_{\beta, A_1-\epsilon}( A_1-\epsilon)E_4=E^+_{\beta, A_1-\epsilon}( A_1-\epsilon). 则条件(I_3), (I_4)和(PS)条件的验证类似于引理3.1-3.4. 综上所述, 方程(1.3)具有至少|I(A_1, B_2)|对周期解.证毕.

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