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数学物理学报, 2025, 45(2): 450-464

R4 中一类带陡峭位势的临界 Kirchhoff 型方程的基态解

陈征艳, 张家锋,*

贵州民族大学数据科学与信息工程学院 贵阳 550025

Ground State Solutions for a Class of Critical Kirchhoff Type Equation in R4 with Steep Potential Well

Chen Zhengyan, Zhang Jiafeng,*

School of Data Science and Information Engineering, Guizhou Minzu University, Guiyang 550025

通讯作者: * 张家锋, E-mail:jiafengzhang@163.com

收稿日期: 2024-04-9   修回日期: 2024-10-15  

基金资助: 国家自然科学基金(11861021)
贵州省教育厅自然科学研究项目(QJJ2023012)
贵州省教育厅自然科学研究项目(QJJ2023061)
贵州省教育厅自然科学研究项目(QJJ2023062)
贵州民族大学自然科学研究项目(GZMUZK[2022]YB06)

Received: 2024-04-9   Revised: 2024-10-15  

Fund supported: NSFC(11861021)
Natural Science Research Project of Department of Education of Guizhou Province(QJJ2023012)
Natural Science Research Project of Department of Education of Guizhou Province(QJJ2023061)
Natural Science Research Project of Department of Education of Guizhou Province(QJJ2023062)
Natural Science Research Project of Guizhou Minzu University(GZMUZK[2022]YB06)

摘要

该文致力于研究 R4 中一类带有陡峭位势的临界 Kirchhoff 型方程

{(a+bR4|u|2dx)Δu+λV(x)u=|u|2u+f(u),xR4,uH1(R4),

其中 a,b>0 是常数且参数 λ>0. 在 4 维空间中, |u|2u 的非线性增长在 2=4 时达到 Sobolev 临界指数. 假设非负连续位势 V 是底部为 V1(0) 的陡峭位势且 fC(R,R) 满足一定的条件. 利用变分方法, 获得了方程至少存在一个基态解. 此外, 还研究了当 |x| 时, 基态解的集中行为和当 b0, λ 时, 基态解的渐近行为.

关键词: Kirchhoff 型方程; 临界增长; 变分方法; 陡峭位势; 基态解

Abstract

In this paper, we focus on dealing with a class of critical Kirchhoff type equation

{(a+bR4|u|2dx)Δu+λV(x)u=|u|2u+f(u) in R4,uH1(R4),

where a,b>0 are constants and λ>0. The nonlinear growth of |u|2u reaches the Sobolev critical exponent since 2=4 in dimension 4. Assume that V is the nonnegative continuous potential, which represents a potential well with the bottom V1(0) and fC(R,R) satisfies suitable conditions. By the variational methods, the existence of at least a ground state solution is obtained. Moreover, we study the concentration behavior of the ground state solutions as λ and their asymptotic behavior as b0 and λ, respectively.

Keywords: Kirchhoff type equation; critical growth; variational methods; steep potential well; ground state solutions

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本文引用格式

陈征艳, 张家锋. R4 中一类带陡峭位势的临界 Kirchhoff 型方程的基态解[J]. 数学物理学报, 2025, 45(2): 450-464

Chen Zhengyan, Zhang Jiafeng. Ground State Solutions for a Class of Critical Kirchhoff Type Equation in R4 with Steep Potential Well[J]. Acta Mathematica Scientia, 2025, 45(2): 450-464

1 引言和主要结果

考虑下列带有陡峭位势的临界 Kirchhoff 型方程

{(a+bR4|u|2dx)Δu+λV(x)u=|u|2u+f(u),xR4,uH1(R4),
(1.1)

其中 a,b>0 是常数且 λ>0. 假设位势 V 满足

(V1) V(x)C(R4,R) 且对于所有 xR4, 有 V(x).

(V_{2}) 存在 V_{0} > 0 使得 \nu_{0}:=\{x \in\mathbb{R}^{4}: V (x) \leqslant V_{0}\} 是非空的且有有限测度.

(V_3) \Omega:=\mathrm{int}V ^{-1}(0) 是具有局部 Lipschitz 边界的非空开集且 \overline{\Omega}= V^{-1}(0) .

Bartsch 和 Wang[1] 最早提出了关于陡峭位势 (V_1)-(V_3) 的假设, 并且由 Bartsch-Pankov-Wang 在文献 [2] 中考虑非线性 Schrödinger 问题得到了进一步的发展, 同时陡峭位势的假设引起了国内外许多学者的广泛关注, 关于陡峭位势的应用, 参见文献 [2],[3],[4],[5] 及其参考文献. 此外, 假设 (V_1)-(V_3) 表明 \lambda V 是一个底部为 V ^{-1}(0) 的位势, 其陡峭程度由参数 \lambda 控制.

方程 (1.1) 是新的, 可以看作是下列方程的一种具体形式

\left\{\begin{array}{ll}\displaystyle-\left(a+b\int_{\Omega} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)\Delta u =f(x,u), &x \in\Omega,\\u=0, &x \in \partial\Omega.\end{array}\right.
(1.2)

近年来, 大多数作者对方程 (1.2) 的平稳问题进行了广泛的研究, 参见文献 [6],[7],[8] 等. 方程 (1.2) 与下列问题的平稳模型有关

u_{tt}-\left(a+b\int_{\Omega} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)\Delta u=f(x,u),

其中 f(x, u) 表示外力, a 与弦的固有特性有关, b 表示初始张力且 u 是位移. 下列方程是 Kirchhoff 型方程的一般形式

\rho\frac{\partial^{2}u}{\partial t^{2}}-\left(\frac{P_{0}}{h}+\frac{E}{2L}\int_{0 }^{L}\left|\frac{\partial u}{\partial x}\right|^{2}\mathrm{d}x\right)\frac{\partial^{2}u}{\partial x^{2}}=0,

其中 \rho 是质量密度, P_{0 } 表示初始张力, h 代表横截面积, E 是材料的杨氏模量, L 表示弦长. Kirchhoff[9] 首次提出弦长, 用于表示拉伸弦的横向振动, 特别是考虑振动引起的弦长变化. 更多关于 Kirchhoff 型方程的物理背景, 可见文献 [9],[10] 及其参考文献. 此外, Bernstein[11] 和 Pohožaev[12] 也发现了关于 Kirchhoff 问题一些早期经典的研究. 在 Lions[13] 之后, 许多研究人员十分关注方程 (1.2), 并且提出了一种抽象的分析框架来解决问题. 同时发现了一些有趣的结果, 例如, He 和 Zou[14] 处理临界 Kirchhoff 型方程时, 应用变分法将解的数量与集合的拓扑结构联系起来, 得到了正解的存在性和集中行为. Wang 等[15]考虑了半线性 Kirchhoff 型方程正解的多重性和集中性, 结合极大极小定理和 Ljusternik-Schnirelmann 理论, 获得了涉及临界 Sobolev 指数的 Kirchhoff 型方程正解的多重性和集中性. 文献 [16],[17],[18] 利用变分方法和拓扑方法引入了有界域上 Kirchhoff 型方程非平凡解的存在性和多重性.

2021 年, Luo 和 Tang[19] 研究了下列非线性 Kirchhoff 型方程

\left\{\begin{array}{ll}\displaystyle-\left(a+b\int_{\mathbb{R}^3} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)\Delta u+\lambda V(x)u =|u|^{4}u +f(u), &x\in \mathbb{R}^3,\\u\in H^{1} (\mathbb{R}^3),\end{array}\right.

其中 a,b > 0 是常数且 \lambda > 0 . 假设非负连续位势 V 是底部为 V^{-1}(0) 的陡峭位势且 f \in C(\mathbb{R},\mathbb{R}) 满足一定的条件. 利用变分方法, 获得了至少存在一个基态解. 此外, 还研究了当 |x|\rightarrow\infty 时, 基态解的集中行为.

2022 年, Zeng 和 Huang[20] 考虑了 Kirchhoff 型方程

-\left(a+b\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)\Delta u=g(u), x\in \mathbb{R}^4,

其中 a, b 为正常数且 g \in C(\mathbb{R},\mathbb{R}). 在函数 g 的临界增长假设下, 通过研究与新约束的极小化有关问题, 获得了最小能量解的存在性. 此外, 在不考虑 \frac{g(s)}{s} 单调性假设的情况下, 研究了最小能量解的山路特征.

受上述文献的启发, 本文研究 \mathbb{R}^{4} 中一类带有陡峭位势的临界Kirchhoff 型方程 (1.1). 更确切地说, 当方程 (1.1) 满足适当的假设时, 将证明基态解的存在性. 此外, 还探讨了当 |x| \rightarrow\infty 时, 基态解的集中行为以及当 \mu \rightarrow 0 , \lambda \rightarrow\infty 时, 基态解的渐近行为. 目前为止, 还没有关于 \mathbb{R}^{4} 中带有陡峭位势的临界 Kirchhoff 型方程基态解的存在性的结果. 本文的结果在某种意义上可以看作是文献 [19] 结果的推广. 本文首次考虑了 \mathbb{R}^{4} 中一类带有陡峭位势的临界 Kirchhoff 型方程 (1.1) 基态解的存在性. 假设函数 f 满足

(f_{1}) f \in C(\mathbb{R},\mathbb{R}) \lim_{t\rightarrow0} \frac{f(t)}{t}= 0 ;

(f_{2}) \lim_{|t|\rightarrow\infty} \frac{f(t)}{|t|^{2}t}= 0;

(f_{3}) \lim_{t\rightarrow+\infty} \frac{F(t)}{|t|^{3}}=+\infty;

(f_{4}) 对于所有 t \in \mathbb{R}, f(t)t \geqslant 3F(t) \geqslant 0.

本文的主要结论如下

定理1.1 假设 (f_{1})-(f_{4}) , (V_1)-(V_3) 成立, 则存在 \lambda_{0} > 0 使得对于任意 \lambda>\lambda_{0}, 方程 (1.1) 至少存在一个基态解.

注1.1 关于带有陡峭位势的次临界和临界 Kirchhoff 型方程存在正解和多重解的结果很多. 然而, 关于 \mathbb{R}^4 中带有陡峭位势的临界 Kirchhoff 方程解的存在性和收敛性的研究结果相对较少. 因为本文的非线性项是针对低幂次的纯幂非线性项, 所以与文献 [19] 的结果相比, 本文的条件与其不同. 本文的主要困难在于涉及临界 Sobolev 指数的非线性项引起的紧性的缺失. 为了获得本文的结果, 利用 Lions 引理[21]得到 (\mathrm{PS})_{c} 条件.

定理1.2 假设 u_{\lambda_n} 是定理 1.1 的解, \Omega 在 (V_{3}) 中定义了, 则当 \lambda_n\rightarrow\infty 时, 在 H^{1}(\mathbb{R}^4) u_{\lambda_n}\rightarrow\bar{u}, 其中 \bar{u} \in H_{0}^{1}(\Omega) 是下列方程的非平凡解

\left\{\begin{array}{ll}\displaystyle-\left(a+b\int_{\Omega} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)\Delta u= f(u)+|u|^2u, &x\in \Omega,\\u=0,&x\in \partial\Omega.\end{array}\right.

定理1.3 假设 u_{\lambda_n} 是定理 1.1 的解, 则当 b \rightarrow0 时, 在 E_{\lambda} u_{\lambda_n} \rightarrow u_{\lambda} , 其中 u_{\lambda}\in E_{\lambda} 是下列方程的非平凡解

\left\{\begin{array}{ll}\displaystyle-a\Delta u+\lambda V(x)u= f(u)+|u|^2u, &x\in \mathbb{R}^4,\\u\in H^{1} (\mathbb{R}^4).\end{array}\right.
(1.3)

定理1.4 假设 u_{\lambda_n} 是定理 1.1 的解, \Omega 在 (V_{3}) 中定义了, 则当 b \rightarrow0 , \lambda \rightarrow \infty 时, 在 H^{1} (\mathbb{R}^4) u_{\lambda_n} \rightarrow u_{0} , 其中 u_{0} \in H_{0}^{1}(\Omega) 是下列方程的非平凡解

\left\{\begin{array}{ll}\displaystyle-a\Delta u= f(u)+|u|^2u, &x\in \Omega,\\u=0,&x\in \partial\Omega.\end{array}\right.

本文的剩余部分组织如下. 第 2 节将给出一些符号并证明一些重要的引理. 第 3 节给出定理 1.1、1.2、1.3 和 1.4 的证明.

2 预备知识

在本文中, 将使用下列符号

H^1(\mathbb{R}^4) =\{u\in L^2(\mathbb{R}^4):\nabla u\in L^2(\mathbb{R}^4)\} 上赋予范数

\|u\|_{H^1(\mathbb{R}^4)}=\left(\int_{\mathbb{R}^4}( |\nabla u|^2+u^2 )\mathrm{d}x\right)^{\frac{1}{2}}.

L^s(\mathbb{R}^4) 是一般的 Lebesgue 空间, 其范数定义为

|u|_{s}=\left(\int_{\mathbb{R}^4} |u|^s\mathrm{d}x\right)^{\frac{1}{s}}, s\in[1,+\infty).

\mathcal{D}^{1,2}(\mathbb{R}^4):=\{u\in L^4(\mathbb{R}^4):\nabla u\in L^2(\mathbb{R}^4)\} 表示 C_{0}^{\infty}(\mathbb{R}^4) 的完备化空间, 其范数定义为

\|u\|_{\mathcal{D}^{1,2}(\mathbb{R}^4)}=\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)^{\frac{1}{2}}.

S 表示 D^{1,2}(\mathbb{R}^4) \hookrightarrow L^{4}(\mathbb{R}^4) 最佳 Sobolev 常数, 即

S:=\inf_{u\in\mathcal{D}^{1,2}(\mathbb{R}^4)\backslash\{0\}}\frac{\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u|^2\mathrm{d}x}{(\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x)^{\frac{1}{2}}},

D^{1,2}(\mathbb{R}^4)\hookrightarrow L^{4}(\mathbb{R}^4) 是连续的 (参见文献 [21]).

接下来介绍本文主要的工作空间

E:=\left\lbrace u\in H^1(\mathbb{R}^4):\int_{\mathbb{R}^4}V(x)u^2 \mathrm{d}x<\infty\right\rbrace,

赋予内积和范数如下

\left\langle u,v\right\rangle= \int_{\mathbb{R}^4}(a\nabla u\nabla v +V(x)uv) \mathrm{d}x, \|u\|= \left\langle u,u\right\rangle^\frac{1}{2}.

对于任意 \lambda > 0 , 有

\left\langle u,v\right\rangle_{\lambda}= \int_{\mathbb{R}^4}(a\nabla u\nabla v +\lambda V(x)uv) \mathrm{d}x, \|u\|_{\lambda}= \left\langle u,u\right\rangle_{\lambda}^\frac{1}{2}.

E_{\lambda}=(E,\|\cdot\|)_{\lambda}. 根据 (V_{1}) 和 (V_{2}) , 得到

\begin{aligned}\int_{\mathbb{R}^4}( |\nabla u|^2+|u|^2 )\mathrm{d}x=&\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x+\int_{\nu_{0}} |u|^2\mathrm{d}x+\int_{\mathbb{R}^4\backslash\nu_{0}} |u|^2\mathrm{d}x\\\leqslant&\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x+|\nu_{0}|^{\frac{1}{2}}\left(\int_{\nu_{0}}|u|^4\mathrm{d}x\right)^{\frac{1}{2}}+V^{-1}_{0}\int_{\mathbb{R}^4\backslash\nu_{0}}V(x) u^2\mathrm{d}x\\\leqslant&\max\{a^{-1}+a^{-1}|\nu_{0}|^{\frac{1}{2}}S^{-1},V^{-1}_{0}\}\int_{\mathbb{R}^4}\left(a|\nabla u|^2+V(x)u^{2}\right)\mathrm{d}x.\end{aligned}
(2.1)

通过 (2.1) 式, Hölder 不等式和 Sobolev 不等式, 存在常数 C_{S} (与 \lambda 无关) 使得

\int_{\mathbb{R}^4} |u|^s\mathrm{d}x\leqslant C_{S}S^{2-s}\|u\|^{s}_{ H^1(\mathbb{R}^4)}\leqslant C_{S}S^{2-s}\|u\|^{s}_{\lambda},
(2.2)

其中 \lambda \geqslant1 , s\in [2,4] . 这意味着 E_{\lambda}\hookrightarrow H^{1}(\mathbb{R}^4) 是连续的.

方程 (1.1) 对应的能量泛函为

\begin{aligned}I_{\lambda}(u)&=\frac{1}{2}\int_{\mathbb{R}^4}\left(a|\nabla u|^2+\lambda V(x)u^{2}\right)\mathrm{d}x+\frac{b}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)^{2}-\frac{1}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}F(u)\mathrm{d}x\\&=\frac{1}{2}\| u\|_{\lambda}^2+\frac{b}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)^{2}-\frac{1}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}F(u)\mathrm{d}x,\end{aligned}

容易验证 I_{\lambda}(u)\in C^1, 因此, 对于任意的 u, v\in E_{\lambda}

\begin{aligned}\left\langle I^{'}_{\lambda}(u),v\right\rangle=& \int_{\mathbb{R}^4}(a\nabla u \nabla v + \lambda V(x)uv)\mathrm{d}x+b\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\int_{\mathbb{R}^4}\nabla u \nabla v\mathrm{d}x\\&-\int_{\mathbb{R}^4}|u|^{2}uv \mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}f(u)v\mathrm{d}x,\end{aligned}

易知, 泛函 I_{\lambda} 的非平凡临界点是方程 (1.1) 的非平凡解.

现在, 考虑方程 (1.1) 的山路几何结构.

引理2.1 假设 (f_{1}), (f_{2}), (f_{4}) 和 (V_{1}), (V_{2}) 成立, 泛函 I_{\lambda} 满足下列性质

(i) 存在 \alpha > 0 , \rho > 0 使得对于 \|u\|_{\lambda} = \rho, I_{\lambda}(u) \geqslant \alpha ;

(ii) 存在 e_{0} \in E_{\lambda}\backslash\{0\} 使得 I_{\lambda}(e_{0}) < 0.

(i) 利用 (f_{1}) (f_{2}) , 对于任意的 \varepsilon > 0 , 存在常数 C_{\varepsilon} > 0 使得

|f(t)| \leqslant \varepsilon|t| + C_{\varepsilon}|t|^{3}, t \in \mathbb{R},
(2.3)

选择 \varepsilon = \frac{1}{2C_{S}} , 结合 (2.2) 和 (2.3) 式, 当 s \in [2,4] 时, 可推出

\begin{aligned}I_{\lambda}(u)=&\frac{1}{2}\int_{\mathbb{R}^4}\left(a|\nabla u|^2+\lambda V(x)u^{2}\right)\mathrm{d}x+\frac{b}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)^{2}\\&-\frac{1}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}F(u)\mathrm{d}x\\\geqslant&\frac{1}{2}\| u\|_{\lambda}^2-\frac{1}{4 }\| u\|_{\lambda}^2-C_{1}|u|_{4}^{4}\\\geqslant&\frac{1}{4}\| u\|_{\lambda}^2-C_{2}\|u\|_{\lambda}^{4}.\end{aligned}

因此, 可取 \alpha > 0 和足够小的 \rho > 0 使得对于 \|u\|_{\lambda} = \rho, I_{\lambda}(u) \geqslant \alpha .

(ii) 对于固定的 u \in E_{\lambda}\backslash\{0\}, 根据 (f_{4}) , 可得

\begin{aligned}I_{\lambda}(tu)=&\frac{t^{2}}{2}\| u\|_{\lambda}^2+\frac{b t^{4}}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)^{2}-\frac{t^{4}}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}F(tu)\mathrm{d}x\\\leqslant&\frac{t^{2}}{2}\| u\|_{\lambda}^2+\frac{b t^{4}}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right)^{2}-\frac{t^{4}}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x,\end{aligned}

选择足够小的 b^{*} > 0 使得对于 b\in (0, b^{*}) , 有

\lim_{t\rightarrow+\infty}I_{\lambda}(tu) \rightarrow -\infty.
(2.4)

因此, 对于足够大的 t , 可取 e_{0} = tu , 得到 I_{\lambda}(e_{0}) < 0.

接下来, 定义 I_{\lambda} 的山路水平值 c_{\lambda}

c_{\lambda}=\inf_{\gamma\in\Gamma}\sup_{t\in[0,1]}I_{\lambda}(\gamma(t))>0,

其中

\Gamma: =\left\{\gamma\in C([0,1], E_{\lambda}):\gamma(0)=0,I_{\lambda}(\gamma(1))<0\right \}.

为了证明定理 1.1, 下面将研究 I_{\lambda} 的极小化序列, 这需要 Lions[21] 给出的紧性结果.

引理2.2 [21] 假设 r > 0 . 如果在 H^{1}(\mathbb{R}^4) \{u_{n}\} 有界且

\lim_{n\rightarrow\infty }\sup_{y \in \mathbb{R}^{4}} \int_{B_{r}(y)}\left | u_{n} \right |^{2}\mathrm{d}x=0,

那么对于任意的 s\in(2, 4) , 在 L^{s}(\mathbb{R}^4) u_{n}\rightarrow0 .

引理2.3 假设 (f_{1})-(f_{4}) 和 (V_1)-(V_3) 成立, 则有 u_{\varepsilon}\in E_{\lambda}\backslash\{0\} 使得

0<c_{\lambda}\leqslant\sup_{t\geqslant0}I_{\lambda}(tu_{\varepsilon})<c^{*}:=\frac{a^{2}S^{2}}{4(1-bS^{2})},
(2.5)

其中 bS^{2}<1.

根据

S=\inf_{u\in\mathcal{D}^{1,2}(\mathbb{R}^4)\backslash\{0\}}\frac{\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u|^2\mathrm{d}x}{(\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x)^{\frac{1}{2}}},

众所周知 S 的达到函数

U_{\varepsilon}(x) = \frac{2\sqrt{2}\varepsilon }{ \varepsilon^{2}+|x |^{2} }, x\in\mathbb{R}^4

是方程 -\Delta u= u^{3}, x\in \mathbb{R}^4 的解且 \int_{\mathbb{R}^4}|\nabla U_{\varepsilon}|^2\mathrm{d}x =\int_{\mathbb{R}^4}| U_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x=S^{2}. u_{\varepsilon}(x) = \varphi(x)U_{\varepsilon}(x) , 其中 \varphi \in C_{0}^{\infty}\left(\mathbb{R}^4,[0,1]\right)

\varphi(x) := \begin{cases}1, & |x|\leqslant R, \\0, & |x|\geqslant2R.\end{cases}

下面, 根据文献 [22], 当 \varepsilon \rightarrow 0^{+} 时, 可得

\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x= S^{2}+O(\varepsilon^{2}):=K_{1}+O(\varepsilon^{2}),
(2.6)
\int_{\mathbb{R}^4}| u_{\varepsilon} |^4\mathrm{d}x= S^{2}+O(\varepsilon^{4}):=K_{2}+O(\varepsilon^{4})
(2.7)

\int_{\mathbb{R}^4}| u_{\varepsilon} |^s\mathrm{d}x = \begin{cases}O(\varepsilon^{2}|\mathrm{ln}\varepsilon|), & s=2,\\O(\varepsilon^{4-s}), & s\in (2,4).\end{cases}
(2.8)

显然, S = K_{1}K_{2}^{-\frac{1}{2}} . 通过 (2.6) 和 (2.7) 式, 存在足够小的 \varepsilon_{1} 使得对于 \varepsilon<\varepsilon_{1} , 有

\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x\leqslant \frac{3}{2}K_{1}, \int_{\mathbb{R}^4}| u_{\varepsilon} |^4\mathrm{d}x\geqslant \frac{K_{2}}{2}.
(2.9)

取足够小的 t_{1} (与 \varepsilon 无关), 通过 (2.9) 式, 可推出

\begin{aligned}\sup_{0\leqslant t\leqslant t_{1}}I_{\lambda}(tu_{\varepsilon})\leqslant&\sup_{0\leqslant t\leqslant t_{1}}\left[ \frac{at^{2}}{2}\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x+\frac{b t^{4}}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{\varepsilon}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}\right] \\\leqslant& \frac{3aK_{1}}{4}t^{2}+\frac{9bK^{2}_{1}}{16}t^{4}\\<&c^{*}.\end{aligned}
(2.10)

结合 (2.4) 和 (2.9) 式, 得到 \lim _{t\rightarrow\infty}I_{\lambda}(tu_{\varepsilon})=-\infty . 因此, 存在足够大的 t_{2}>0 (与 \varepsilon 无关) 使得

\sup_{t\geqslant t_{2}}I_{\lambda}(tu_{\varepsilon})<c^{*}.
(2.11)

根据 (2.10) 和 (2.11) 式, 得出

\sup_{t\in[t_{1}] \cup[t_{2},+\infty]}I_{\lambda}(tu_{\varepsilon})<c^{*}.
(2.12)

h (t)=\frac{at^{2}}{2}\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x+\frac{b t^{4}}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{\varepsilon}|^2\mathrm{d}x\right)^{2} -\frac{t^{4}}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x,

易知 h(0) = 0, t >0 充分小时, 有 h(t) > 0 . 与引理 2.1(ii) 相似, 可得 h(t) \leqslant 0. 进而, 存在 t_{\varepsilon}> 0 使得 h(t_{\varepsilon}) = \max_{t\geqslant0} h(t) , 则 \frac{{\rm d}h (t)}{{\rm d}t}\mid_{t=t_{\varepsilon}} =0 , 从而

t_{\varepsilon}=\left[\dfrac{a\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x}{\int_{\mathbb{R}^4}|u_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x-b\left(\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x\right)^{2}}\right]^{\frac{1}{2}}.

因此

\begin{aligned}\max_{t\geqslant0} h(t)=\,&h(t_{\varepsilon})=\frac{a }{2}\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x\dfrac{a\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x}{\int_{\mathbb{R}^4}|u_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x-b\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x}\\&+\left[\frac{b}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{\varepsilon}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}-\frac{1}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x\right]\left(\dfrac{a\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x}{\int_{\mathbb{R}^4}|u_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x-b\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{\varepsilon} |^2\mathrm{d}x}\right)^{2}\\=\,&\frac{a^{2}}{4}\dfrac{\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{\varepsilon}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}}{\int_{\mathbb{R}^4}|u_{\varepsilon}|^4\mathrm{d}x-b\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{\varepsilon}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}}\\=\,& \frac{a^{2}S^{2}}{4(1-bS^{2})}\\=:&\,c^{*}.\end{aligned}
(2.13)

利用 (f_{3}) , 对于任意 M >0, 存在 T_{M} > 0 使得当 t \in [T_{M}, +\infty) 时, 有 F(t) \geqslant Mt^{3} . 此外, 对于所有 t > 0 , 存在 L \geqslant 0 使得

F(t) + Lt^{3} \geqslant 0.
(2.14)

然后, 存在 \varepsilon > 0 使得对于 |x| \leqslant \varepsilon^{\frac{1}{2}}, t \in[t_{1},t_{2}], 有

tu_{\varepsilon}=\frac{2\sqrt{2}\varepsilon t }{ \varepsilon^{2}+|x |^{2} }=\frac{2\sqrt{2} t }{ \varepsilon +1 }>T_{M}, t \in[t_{1},t_{2}].
(2.15)

从 (2.14) 和 (2.15) 式, 对于所有 t \in[t_{1},t_{2}], 可推出

\begin{aligned}\int_{\mathbb{R}^4}F(tu_{\varepsilon})\mathrm{d}x=& \int_{|x| \leqslant \varepsilon^{\frac{1}{2}}}F(tu_{\varepsilon})\mathrm{d}x+ \int_{|x|> \varepsilon^{\frac{1}{2}}}F(tu_{\varepsilon})\mathrm{d}x\\\geqslant&\int_{|x| \leqslant \varepsilon^{\frac{1}{2}}}M(tu_{\varepsilon})^{3}\mathrm{d}x+ \int_{|x|> \varepsilon^{\frac{1}{2}}}-Lt^{3}u_{\varepsilon}^{3}\mathrm{d}x\\=& Mt^{3}\cdot O(\varepsilon^{4-s})-Lt^{3} \int_{\mathbb{R}^4}u_{\varepsilon}^{3}\mathrm{d}x.\end{aligned}
(2.16)

因此, 结合 (2.8), (2.13) 和 (2.16) 式, 对于足够大的 M , 推出

\begin{aligned}\sup_{t \in[t_{1},t_{2}]} I_{\lambda}(tu_{\varepsilon}(x))\leqslant& \sup_{t \geqslant0}h_{\lambda}(t)+\sup_{t \in[t_{1},t_{2}]}\int_{\mathbb{R}^4}-F(tu_{\varepsilon})\mathrm{d}x\\\leqslant&c^{*}-Mt_{1}^{3}\cdot O(\varepsilon^{4-s})+Lt_{2}^{3}\cdot O(\varepsilon^{2}|\mathrm{ln}\varepsilon|)\\<&c^{*},\end{aligned}
(2.17)

由引理 2.1 和 c_{\lambda} 的定义, 可以得到 c_{\lambda} \leqslant\sup_{t\geqslant0} I_{\lambda}(tu_{\varepsilon}). 从而, 由 (2.12) 和 (2.17) 式得引理 2.3 证毕.

引理2.4 假设 (f_{1}) , (f_{2}) (f_{4}) 成立. 则存在一个有界 Palais-Smale 序列 \{u_{n}\}\subset E_{\lambda} 满足在 E^{-1}_{\lambda} 中, 当 n \rightarrow\infty 时, 有

I_{\lambda}(u_{n}) \rightarrow c_{\lambda},\quad I^{'}_{\lambda}(u_{n}) \rightarrow 0.

根据引理 2.1 和 Ekeland 变分原理[21], 当 n \rightarrow\infty 时, 有

I_{\lambda}(u_{n}) \rightarrow c_{\lambda}, I'_{\lambda}(u_{n}) \rightarrow 0.

利用 (f_{4}) , 可得

\begin{aligned}c_{\lambda}+o_{n}(1)\|u_{n}\|_{\lambda}\geqslant& I_{\lambda}(u_{n})-\frac{1}{4}\left\langle I'_{\lambda}(u_{n}),u_{n} \right\rangle\\=&\frac{1}{4}\|u_{n}\|^{2}_{\lambda} +\int_{\mathbb{R}^4}\left(\frac{1}{4}f(u_{n})u_{n}-F(u_{n})\right)\mathrm{d}x\\\geqslant&\frac{1}{4}\|u_{n}\|^{2}_{\lambda}.\end{aligned}

因此, 在 E_{\lambda} \{u_{n}\} 有界.

引理 2.5 的证明可以应用文献 [23] 的一些思想来推导.

引理2.5[19] 对于任意的 s, t>0 , 下面系统

\begin{cases}\Phi(t,s)=t-aS(s+t)^{\frac{1}{3}}=0, \\\psi(t,s)=t-bS^{2}(s+t)^{\frac{2}{3}}=0,\end{cases}

有唯一解 (t_{0}, s_{0}) . 此外, 如果

\begin{cases}\Phi(t,s)\geqslant0, \\\psi(t,s)\geqslant0,\end{cases}

那么 t\geqslant t_{0} s\geqslant s_{0}, 其中

\begin{align*} &t_{0}=\frac{abS^{3}+a \sqrt{b^{2}S^{6}+4aS^{3}}}{2},\\ &s_{0}=\frac{b^{3}S^{6}+2abS^{3}+b^{2}S^{3} \sqrt{b^{2}S^{6}+4aS^{3}}}{2}. \end{align*}

A^{2}=\lim_{n\rightarrow\infty} \int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{n}|^2\mathrm{d}x.
J_{\lambda}(u)=\frac{1}{2}\|u \|^{2}_{\lambda}+\frac{b}{2}A^{2}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x-\frac{1}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}F(u)\mathrm{d}x.

引理2.6 J^{'}_{\lambda}(u)=0,

J_{\lambda}(u)-\frac{b}{4}A^{2}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\geqslant0.

\left\langle J^{'}_{\lambda}(u),u \right\rangle=0, 可得

\|u \|^{2}_{\lambda}+b A^{2}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}|u|^4\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}f(u)u\mathrm{d}x=0,

利用 (f_{4}) , 推出

\begin{aligned}J_{\lambda}(u)-\frac{b}{4}A^{2}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x=& J_{\lambda}(u)-\frac{b}{4}A^{2}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x-\frac{1}{4}\left\langle J^{'}_{\lambda}(u),u \right\rangle\\=&\frac{1}{4}\|u\|^{2}_{\lambda}+\int_{\mathbb{R}^4}\left(\frac{1}{4}f(u)u-F(u)\right)\mathrm{d}x\\\geqslant&0.\end{aligned}

引理2.7 假设 (f_{1})-(f_{4}) 和 (V_1)-(V_3) 成立. 如果 c_{\lambda} \in (0,c^{*}) , \{u_{n}\} I_{\lambda}(u) 的一个有界 (\mathrm{PS})_{c_{\lambda}} 序列, 那么 \{u_{n}\} 有一个强收敛子列.

类似引理 2.3 的证明, 得到 \{u_{n}\} E_{\lambda} 中是有界的. 从中提取一个序列, 仍记为 \{u_{n}\} .

假设

\begin{cases}u_{n}\rightharpoonup u, \text{在} E_{\lambda} \text{中},\\u_{n}\rightarrow u, \text{在} L_{loc}^{s}(\mathbb{R}^4), s\in(2,4) \text{中},\\u_{n}\rightarrow u, \text{在} \mathbb{R}^4 \text{中几乎处处成立}.\end{cases}

v_{n}:= u_{n}-u , 根据 Brézis-Lieb 引理[24], 得出

\|u_{n}\|^{2}=\|v_{n}\|^{2}+\|u \|^{2}+o(1),
\int_{\mathbb{R}^4}| v_{n}|^4\mathrm{d}x= \int_{\mathbb{R}^4}| u_{n}|^4\mathrm{d}x- \int_{\mathbb{R}^4}| u|^4\mathrm{d}x+o_{n}(1)
(2.18)

A^{2}+o(1)= \int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u_{n}|^2\mathrm{d}x= \int_{\mathbb{R}^4}|\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x+\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla u|^2\mathrm{d}x+o_{n}(1).
(2.19)

首先, 容易证明 J^{'}_{\lambda}(u)=0 . 根据 I^{'}_{\lambda}(u_{n})\rightarrow 0 , 对于任意的 v \in E_{\lambda} , 有

(a+bA^{2}) \int_{\mathbb{R}^4}\nabla u \nabla v\mathrm{d}x+\int_{\mathbb{R}^4}\lambda V(x)uv\mathrm{d}x -\int_{\mathbb{R}^4}|u|^{2}uv \mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}f(u)v\mathrm{d}x=0.

其次, 若在 E_{\lambda} 中, u_{n}\rightarrow0 . 则下列情况之一成立

\text{(i)} \lim_{n\rightarrow \infty}\sup_{y\in\mathbb{R}^4}\int_{B_{r}(y)}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x>0;
\text{(ii)} \lim_{n\rightarrow \infty}\sup_{y\in\mathbb{R}^4}\int_{B_{r}(y)}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x=0.

如果 (i) 成立, 那么存在一个常数 \alpha > 0 使得

\lim_{n\rightarrow \infty}\sup_{y\in\mathbb{R}^4}\int_{B_{r}(y)}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x=\alpha>0.

根据 v_{n}= u_{n}-u 和弱下半连续, 可得

\|v_n\|_\lambda = \|u_n-u\|_\lambda \leqslant \|u_n\|_\lambda + \|u\|_\lambda\leqslant \|u_n\|_\lambda +\liminf_{n\rightarrow \infty}\|u_n\|_\lambda,
(2.20)

然后, 利用引理 2.4, 存在一个常数 C_{3} (与 \lambda 无关 ) 使得

\limsup_{n\rightarrow \infty}\|u_n\|_\lambda\leqslant C_{3}.
(2.21)

结合 (2.20) 和 (2.21) 式, 得到

\limsup_{n\rightarrow \infty}\|v_n\|_{\lambda}\leqslant 2C_{3}.
(2.22)

D_{R} := \{x \in\mathbb{R}^4\setminus B_{R} : V(x)\geqslant V_{0}\} , 从而

\int_{D_{R}}v_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant\frac{1}{\lambda V_{0}}\int_{D_{R}}\lambda V(x)v_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant\frac{1}{\lambda V_{0}}\|v_n\|_\lambda.
(2.23)

下面, 可取 \lambda \geqslant\frac{8C_{3}}{\alpha V_{0}} , 通过 (2.22) 和 (2.23) 式, 有

\limsup_{n\rightarrow \infty}\int_{D_{R}}v_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant\frac{1}{\lambda V_{0}} \limsup_{n\rightarrow \infty}\|v_n\|_\lambda\leqslant\frac{2C_{3}}{\lambda V_{0}}\leqslant\frac{\alpha}{4}.

A_{R}:= \{x \in\mathbb{R}^4\setminus B_{R} : V(x)< V_{0}\} , 然后利用 (V_{2} ), 当 R \rightarrow \infty 时, |A_{R}|\rightarrow 0 . 结合 Hölder 不等式和 Sobolev 不等式, 推出

\begin{aligned}\int_{A_{R}}v_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant&\left( \int_{A_{R}}v_{n}^{s}\mathrm{d}x\right)^{\frac{2}{s}}\left( \int_{A_{R}}1\mathrm{d}x\right)^{\frac{s-2}{s}}\\\leqslant&\|v_n\|_\lambda^{2}(|A_{R}|)^{\frac{s-2}{s}},\end{aligned}
(2.24)

从而, 当 R \rightarrow \infty 时, 得出

\begin{aligned}\limsup_{n\rightarrow \infty}\int_{A_{R}}v_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant& \limsup_{n\rightarrow \infty}\|v_n\|_\lambda^{2}(|A_{R}|)^{\frac{s-2}{s}}\\\leqslant&2C_{3}(|A_{R}|)^{\frac{s-2}{s}} \rightarrow0,\end{aligned}

其中 s \in(2, 4) . 因为在 L^{s}_{\rm loc}(\mathbb{R}^4), s \in(2, 4) v_{n} \rightarrow0 , 所以当 R \rightarrow \infty 时, 有

\begin{aligned}\alpha= & \lim_{n\rightarrow \infty}\sup_{y\in\mathbb{R}^4}\int_{B_{r}(y)}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x\leqslant \limsup_{n\rightarrow \infty}\int_{\mathbb{R}^4}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x\\=& \limsup_{n\rightarrow \infty}\left(\int_{B_{R}}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x+ \int_{B^{c}_{R}}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x\right)\\=& \limsup_{n\rightarrow \infty}\left(\int_{D_{R}}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x+ \int_{A_{R}}|v_{n}|^{2}\mathrm{d}x\right)\\\leqslant&\frac{\alpha}{4},\end{aligned}

矛盾.

如果 (ii) 成立, 根据引理 2.2, 在 L^{s}(\mathbb{R}^4), s \in(2, 4) u_{n} \rightarrow 0 . 利用 (f_{1}) (f_{2}) , 当 s \in(2, 4) 时, 对于任意的 \varepsilon > 0 , 存在常数 C_{\varepsilon} > 0 使得 |F(u_{n})| \leqslant \varepsilon(|u_{n}|^{2} + |u_{n}|^{4}) +C_{\varepsilon}|u_{n}|^{s} . 因此, 利用 Lebesgue 控制收敛定理, 可得

\int_{\mathbb{R}^4}F(u_{n})\mathrm{d}x=\int_{\mathbb{R}^4}F(u)\mathrm{d}x+o_{n}(1), \int_{\mathbb{R}^4}f(u_{n})u_{n}\mathrm{d}x=\int_{\mathbb{R}^4}f(u)u\mathrm{d}x+o_{n}(1).
(2.25)

结合 (2.18), (2.19) 和 (2.25) 式, 可推出

\begin{aligned}J_{\lambda}(u_{n}) - J_{\lambda}(u) =\,& I_{\lambda}(u_{n})-\frac{b}{4}\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{n}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}+\frac{b}{2} A^{2}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{n}|^2\mathrm{d}x-J_{\lambda}(u) \\=\,&\frac{1}{2}\|v_{n}\|^{2}_{\lambda}+\frac{b}{4} A^{2} \int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x+\frac{b}{4} \left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}\\&+b \int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x-\frac{1}{4}\int_{\mathbb{R}^4}|v_{n}|^4\mathrm{d}x+o(1).\\\end{aligned}
(2.26)

根据 (2.25) 式和 I'_{\lambda}(u_{n})\rightarrow 0 , 有

\begin{aligned}o(1)=&\left\langle J'_{\lambda}(u_{n}), u_{n} \right\rangle-\left\langle J'_{\lambda}(u), u \right\rangle \\=&\|v_n\|^{2}_{\lambda}+b\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}+b \int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x-\int_{\mathbb{R}^4}|v_{n}|^4\mathrm{d}x+o(1).\\\end{aligned}
(2.27)

假设存在 l_{i} \geqslant 0 (i = 1, 2, 3) 使得 \|v_n\|^{2}_{\lambda}\rightarrow l_{1}

b\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}+b \int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\rightarrow l_{2}, \int_{\mathbb{R}^4}|v_{n}|^4\mathrm{d}x\rightarrow l_{3}.

利用 (2.26) 和 (2.27) 式, 得出

\left\{\begin{array}{ll} l_{1}+l_{2}-l_{3}=0, \\\frac{1}{2}l_{1}+\frac{1}{4}l_{2}-\frac{1}{4}l_{3}+\frac{b A^{2}}{4} \lim_{n \to \infty}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x=c_{\lambda}+\frac{b A^{4}}{4} -J_{\lambda}(u).\end{array}\right.
(2.28)

根据 S 的定义, 可得

\|v_n\|^{2}_{\lambda}\geqslant a\int_{\mathbb{R}^4}|\nabla v_{n}|^{2}\mathrm{d}x\geqslant aS\left(\int_{\mathbb{R}^4}| v_{n}|^{4}\mathrm{d}x\right)^{\frac{1}{2}}\geqslant aS\left(\int_{\mathbb{R}^4}| v_{n}|^{4}\mathrm{d}x\right)^{\frac{1}{3}},

此外

\begin{aligned}b\left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}+b \int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\geqslant&b \left(\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\right)^{2}\\\geqslant&bS^{2} \int_{\mathbb{R}^4}| v_{n}|^{4}\mathrm{d}x \\ \geqslant&bS^{2}\left(\int_{\mathbb{R}^4}| v_{n}|^{4}\mathrm{d}x\right)^{\frac{2}{3}}.\end{aligned}

因此, 可推出

l_{1}\geqslant S( l_{1}+l_{2})^{\frac{1}{3}} \text{且} l_{2}\geqslant S^{2}( l_{1}+l_{2})^{\frac{2}{3}}.

接下来, 将证明 l_{1} = 0 . 显然, 如果 l_{1} > 0 , 那么 l_{2},l_{3} > 0 . 由 (2.28) 式, 引理 2.5 和引理 2.6, 得到

\begin{aligned}c_{\lambda}+\frac{b A^{4}}{4} =&J_{\lambda}(u)+\dfrac{1}{4}l_{1} +\frac{bA^{2}}{4} \lim_{n \to \infty}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla v_{n}|^2\mathrm{d}x\\=&J_{\lambda}(u)+ \dfrac{1}{4}l_{1}+\frac{bA^{2}}{4} \lim_{n \to \infty}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u_{n}|^2\mathrm{d}x-\frac{bA^{2}}{4}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\\\geqslant&\dfrac{1}{4}\frac{abS^{3}+a \sqrt{b^{2}S^{6}+4aS^{3}}}{2} +J_{\lambda}(u)-\frac{b A^{2}}{4}\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x+\frac{bA^{4}}{4}\\\geqslant&c^{*}+\frac{bA^{4}}{4},\end{aligned}

与 (2.5) 式矛盾. 因此 \|v_{n}\|\rightarrow 0 .

3 主要定理的证明

下面研究方程 (1.1) 的基态解和解的渐近性, 并给出定理 1.1、1.2、1.3 和 1.4 的证明.

定理 1.1 的证明 根据引理 2.1 和引理 2.3, 有一个序列 \{u_n\} \subset E_{\lambda} 满足 \|u_n\|_{\lambda} < C , u_n\rightharpoonup u , I_{\lambda}(u_{n})\rightarrow c_{\lambda} 并且 I^{'}_{\lambda}(u_{n})\rightarrow 0 , 此外 0 < c_{\lambda} < c^{*} . 然后, 通过引理 2.7, 序列 \{u_n\} 有一个强收敛子列, 仍记为 \{u_n\} , 即, 存在 u \in E_{\lambda} , u \neq 0 使得 I_{\lambda}(u) = c_{\lambda} I^{'}_{\lambda}(u) = 0 . 接下来, 需要找到能量泛函的最小解, 定义

m_{\lambda} := \inf_{M}I_{\lambda}(u), \text{其中} M := \{u \in E_{\lambda}\setminus\{0\}:I^{'}_{\lambda}(u) = 0 \}.

通过上述的论证, 易知 M 是非空的. 对于 m_{\lambda} , 可以选择一个极小化序列 \{u_n\}, 即, I_{\lambda}(u_{n})\rightarrow m_{\lambda} < c^{*}, I^{'}_{\lambda}(u_n) = 0 . 下面, 将证明 m_{\lambda} > 0.

结合 \left\langle I^{'}_{\lambda}(u_n),u_n \right\rangle = 0 , (2.2) 和 (2.3) 式, 取 \varepsilon = \frac{1}{2C_{S}} , 可得

\begin{aligned}\|u_n\|^{2}_{\lambda }+b|\nabla u_{n}|_{2}^{4}=&\int_{\mathbb{R}^4}|u_n|^{4} \mathrm{d}x+\int_{\mathbb{R}^4}f(u_n)u_n\mathrm{d}x\\\leqslant&\frac{1}{4}\|u_n\|_{\lambda}^2+C \|u_n\|_{\lambda}^{4},\end{aligned}

从而

\|u_n\|_{\lambda }\geqslant\left(\frac{3}{4C}\right)^{\frac{1}{2}}.

因此, 可推出

\begin{aligned}m_{\lambda} + o(1)=&I_{\lambda}(u_{n})-\frac{1}{4} \left\langle I^{'}_{\lambda}(u_n),u_n \right\rangle\\\geqslant&\frac{1}{4}\|u_n\|_{\lambda}^2>0.\end{aligned}

最后, 将证明 m_{\lambda} > 0 . 通过引理 2.4 和引理 2.7, 可知 \{u_{n}\} 是有界的且存在 u\neq0 使得 u_{n } \rightharpoonup u I^{'}_{\lambda}(u_n) = 0 . 利用 (f_{4}) 和 Fatou's 引理, 得到

\begin{aligned}m_{\lambda} \leqslant&I_{\lambda}(u )-\frac{1}{4} \left\langle I^{'}_{\lambda}(u ),u \right\rangle\\=&\frac{1}{4}\|u \|_{\lambda}^2+\int_{\mathbb{R}^4}\left(\frac{1}{4}f(u)u-F(u)\right)\mathrm{d}x\\\leqslant&\liminf_{n\rightarrow \infty}\left\{\frac{1}{4}\|u_{n} \|_{\lambda}^2+\int_{\mathbb{R}^4}\left(\frac{1}{4}f(u_{n})u_{n}-F(u_{n})\right)\mathrm{d}x \right\}\\=&\liminf_{n\rightarrow \infty}\left\{I_{\lambda}(u_{n} )-\frac{1}{4} \left\langle I^{'}_{\lambda}(u_{n}),u_{n} \right\rangle \right\}\\=& m_{\lambda}.\end{aligned}

定理 1.2 的证明 u_{\lambda} 是定理 1.1 中方程 (1.1) 的基态解, 从而得到 I_{\lambda}(u_{\lambda}) = m_{\lambda} <c^{*} I^{'}_{\lambda}(u_{\lambda}) = 0 . 定义 u_n := u_{\lambda_{n}}, 存在一个序列 \{u_n\} 使得 I^{'}_{\lambda_{n}}(u_{n}) = 0 I_{\lambda_{n}} (u_n) = m_{\lambda_{n}} < c^{*} . 类似引理 2.4 的证明, 有

\|u_n\|_{\lambda_{n}} \leqslant Cm_{\lambda_{n}} \leqslant Cc^{*},
(3.1)

因此 \{u_n\} E_{\lambda} 中是有界的. 从而, 可以假设在 E_{\lambda} u_n \rightharpoonup\bar{u} . 事实上, 当 \lambda_{n} \rightarrow \infty 时, 得出

\begin{aligned}\int_{D_{R}}u_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant&\frac{1}{\lambda_{n} V_{0}}\int_{D_{R}}\lambda _{n}V(x)u_{n}^{2}\mathrm{d}x\\\leqslant&\frac{Cc^{*}}{\lambda_{n} V_{0}}\rightarrow0.\end{aligned}
(3.2)

根据 Hölder 不等式和 Sobolev 不等式, (2.2), (2.24) 和 (3.2) 式, 可推出

\begin{aligned}\int_{ B^{c}_{R}}u_{n}^{s}\mathrm{d}x=&\left(\int_{ B^{c}_{R}}|u_{n}|^{2}\mathrm{d}x\right)^{\frac{4-s}{2}} \left(\int_{ B^{c}_{R}}|u_{n}|^{4}\mathrm{d}x\right)^{\frac{s-2}{2}} \\\leqslant&CS^{2-s}\left(\int_{ B^{c}_{R}}|\nabla u_{n}|^{2}\mathrm{d}x\right)^{s-2}\left(\int_{ D_{R}}u_{n}^{2}\mathrm{d}x+\int_{A_{R}}u_{n}^{2}\mathrm{d}x\right)^{\frac{4-s}{2}} \\\leqslant&C\|u\|_{\lambda}^{2(s-2)}\left[\frac{Cc^{*}}{\lambda_{n} V_{0}}+C(|A_{R}|)^{\frac{s-2}{s}}\right]^{\frac{4-s}{2}}\rightarrow0,\end{aligned}

其中 B^{c}_{R}=\{x \in \mathbb{R}^4:|x| \geqslant R\}, s \in(2, 4) . 因此, 当 \lambda_{n} \rightarrow \infty, R\rightarrow \infty 时,

\int_{ B^{c}_{R}}|\left|u_{n}\right|^{s}-\left|\bar{u}\right|^{s} |\mathrm{d}x\leqslant \int_{ B^{c}_{R}}\left|u_{n}\right|^{s}\mathrm{d}x+\int_{ B^{c}_{R}}\left|\bar{u}\right|^{s}\mathrm{d}x\rightarrow0.

因为在 L^{s}_{\rm loc}(\mathbb{R}^4) , s \in (2, 4) u_n\rightarrow \bar{u} , 所以

\int_{ |x|<R}\left|u_{n}\right|^{s}\mathrm{d}x\rightarrow \int_{ |x|<R}\left|\bar{u}\right|^{s}\mathrm{d}x.

从而, 当 \lambda_{n} \rightarrow \infty 时, 在 L^{s}(\mathbb{R}^4) u_n\rightarrow \bar{u} . 然后, 设 w_{n }= u_n -\bar{u}, 类似引理 2.7 的证明, 可以推出在 E_{\lambda} \|w_{n }\|_{\lambda} \rightarrow0 . 结合引理 2.7 和 (3.1) 式, 有

\lambda_{n}\int_{\mathbb{R}^4}V(x)|u_{n}|^{2}\mathrm{d}x\leqslant\|u_{n}\|_{\lambda_{n}}<Cc^{*}.
(3.3)

由 (3.3) 式和 Fatou's 引理, 可得

\int_{\mathbb{R}^4}V(x)\bar{u}^{2}\mathrm{d}x\leqslant\liminf_{n\rightarrow \infty}\int_{\mathbb{R}^4}V(x)u_{n}^{2}\mathrm{d}x\leqslant\liminf_{n\rightarrow \infty}\frac{\|u_n\|^{2}_{\lambda_{n}}}{\lambda_{n}}=0.

因此, \int_{\mathbb{R}^4}V(x)\bar{u}^{2}\mathrm{d}x = 0. 从而, 利用 (V_{3}) , 得到在 x \in \mathbb{R}^4\setminus \Omega \bar{u} = 0 几乎处处成立且 \bar{u} \in H^{1}_{0} (\Omega). 因为 \bar{u} \in H^{1}_{0} (\Omega), 所以

\left(a+b\int_{\mathbb{R}^4} |\nabla u|^2\mathrm{d}x\right) \int_{\mathbb{R}^4}\nabla u \nabla v\mathrm{d}x = \int_{\mathbb{R}^4}|u|^{2}uv \mathrm{d}x+\int_{\mathbb{R}^4}f(u)v\mathrm{d}x, v \in H^{1}_{0} (\Omega).

定理 1.3 的证明 u_{n}:= u_{\lambda_{n}} 是定理 1.1 中方程 (1.1) 的基态解.

假设在 E_{ \lambda} u_n\rightharpoonup u_{\lambda} . 因为 I'_{\lambda}(u_{n}) = 0 , 所以类似引理 2.7 的证明, 推出在 E_{ \lambda} u_{n} \rightarrow u_{\lambda} .

为了完成证明, 需证 u_{\lambda} 是方程 (1.3) 的解. 对于任意的 v\in E_{ \lambda} , 因为 \left\langle I'_{\lambda}(u_{n}),v \right\rangle =0, 所以容易验证

\int_{\mathbb{R}^4}a\nabla u \nabla v\mathrm{d}x +\int_{\mathbb{R}^4}\lambda V(x)u v\mathrm{d}x= \int_{\mathbb{R}^4}|u|^{2}uv \mathrm{d}x+\int_{\mathbb{R}^4}f(u)v\mathrm{d}x,

u_{ \lambda} 是方程 (1.3) 的非平凡解. 然后, 由 (3.3) 式得到 u_{ \lambda}\neq 0 .

定理 1.4 的证明 定理 1.4 的证明类似于定理 1.2 的证明.

参考文献

Bartsch T, Wang Z Q.

Existence and multiplicity results for superlinear elliptic problems on \mathbb{R}^{N}

Comm Partial Differential Equations, 1995, 20(9/10): 1725-1741

[本文引用: 1]

Bartsch T, Pankov A, Wang Z Q.

Nonlinear Schrödinger equations with steep potential well

Commun Contemp Math, 2001, 3(4): 549-569

[本文引用: 2]

Jiang Y, Zhou H S.

Schrödinger-Poisson system with steep potential well

J Differential Equations, 2011, 251(3): 582-608

[本文引用: 1]

Sun J, Chu J, Wu T F.

Existence and multiplicity of nontrivial solutions for some biharmonic equations with p -Laplacian

J Differential Equations, 2017, 262(2): 945-977

[本文引用: 1]

Sun J, Wu T F.

Ground state solutions for an indefinite Kirchhoff type problem with steep potential well

J Differential Equations, 2014, 256(4): 1771-1792

[本文引用: 1]

Alves C O, Figueiredo G M.

Nonlinear perturbations of a periodic Kirchhoff equation in \mathbb{R}^{N}

Nonlinear Anal, 2012, 75(5): 2750-2759

[本文引用: 1]

Wang J, Tian L, Xu J, Zhang F.

Multiplicity and concentration of positive solutions for a Kirchhoff type problem with critical growth

J Differential Equations, 2012, 253(7): 2314-2351

[本文引用: 1]

Figueiredo G M.

Existence of a positive solution for a Kirchhoff problem type with critical growth via truncation argument

J Math Anal Appl, 2013, 401(2): 706-713

[本文引用: 1]

Kirchhoff G. Mechanik. Teubner: Leipzig, 1883

[本文引用: 2]

Azzollini A.

The elliptic Kirchhoff equation in \mathbb{R}^N perturbed by a local nonlinearity

Differ Integral Equ, 2012, 25(5/6): 543-554

[本文引用: 1]

Bernstein S.

Sur une classe d'équations fonctionnelles aux dérivées partielles

Bull Acad Sci URSS Sér Math, 1940, 4(1): 17-26

[本文引用: 1]

Pohožaev S I.

A certain class of quasilinear hyperbolic equations

Mat Sb, 1975, 96(138): 152-166

[本文引用: 1]

Lions J L.

On some questions in boundary value problems of mathematical physics

North-Holland Math Stud, 1978, 30: 284-346

[本文引用: 1]

He X M, Zou W M.

Ground states for nonlinear Kirchhoff equations with critical growth

Ann Mat Pura Appl, 2014, 193(2): 473-500

[本文引用: 1]

Wang J, Tian L, Xu J, Zhang F.

Multiplicity and concentration of positive solutions for a Kirchhoff type problem with critical growth

J Differential Equations, 2012, 253(7): 2314-2351

[本文引用: 1]

Chen C, Kuo Y, Wu T.

The Nehari manifold for a Kirchhoff type problem involving sign-changing weight functions

J Differential Equations, 2011, 250(4): 1876-1908

[本文引用: 1]

Huang Y, Liu Z, Wu Y.

On Kirchhoff type equations with critical Sobolev exponent

J Math Anal Appl, 2018, 462(1): 483-504

[本文引用: 1]

Naimen D.

The critical problem of Kirchhoff type elliptic equations in dimension four

J Differential Equations, 2014, 257(4): 1168-1193

[本文引用: 1]

Luo L P, Tang C L.

Existence and concentration of ground state solutions for critical Kirchhoff-type equation with steep potential well

Complex Var Elliptic Equ, 2022, 67(7): 1756-1771

[本文引用: 4]

Zeng L, Huang Y S.

A remark on Kirchhoff-type equations in \mathbb{R}^4 involving critical growth

Complex Var Elliptic Equ, 2022, 67(4): 789-806

[本文引用: 1]

Willem M. Minimax Theorems. Boston: Birkhäuser, 1996

[本文引用: 5]

Brézis H, Nirenberg L.

Positive soluticns of nonlinear elliptic equations involving critical Sobolev exponent

Comm Pure Appl Math, 1983 36(4): 437-477

[本文引用: 1]

Li G B, Ye H Y.

Existence of positive solutions for nonlinear Kirchhoff type problems in \mathbb{R}^3 with critical Sobolev exponent

Math Meth Appl Sci, 2014, 37(16): 2570-2584

[本文引用: 1]

Brézis H, Lieb E.

A relation between pointwise convergence of functions and convergence of functionals

Proc Amer Math Soc, 1983, 88(3): 486-490

[本文引用: 1]

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