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考虑如下非局部问题:
已有大量文献描述了当a,b≥0且a+b>0,g(x,u)是二元连续函数,且Ω取不同情形时包含不同边界条件的方程(1)的经典结果[1-8].方程(1)因为含有∫Ω|∇u|2dx而被叫作非局部Kirchhoff方程.这种问题的研究与下面的模型有关:
作为d'Alembert波动方程的推广,该模型由文献[9]首次提出,主要描述了ǫ,h,p0,E,L均为正时弹性弦的横向振动.当描述某一时刻弦所处的位置与空间的关系时可以转化为方程(1)的解.近几年,有不少文献研究了当a>0>b时方程(1)解的存在性.文献[10-11]考虑了方程
解的存在性和多重性,其中常数a>0>b,μ是非负参数,f(x)是连续函数.利用变分方法中的山路引理和Ekeland变分原理,获得了当
$f\left( x \right)\in {{L}^{\frac{4}{3}}}({{\mathbb{R}}^{4}})$ 是一个几乎处处大于0的函数,并且μ>0适当小时该方程至少存在2个正解.特别地,当μ=0时,通过特殊函数法获得了无穷多古典解.文献[11]首次指出了:当a>0>b时,方程(1)是负模量的Kirchhoff问题.文献[10]对负模量的问题进行了深一步的阐述,这种问题的研究具有一定的价值.文献[2]在${{\mathbb{R}}^{3}}$ 上利用变分方法考虑含有Hardy-Sobolev临界指数的情形,当非线性项满足(AR)条件时,获得了正解的存在性.而对于定义在光滑有界区域$\mathit{\Omega }\in {{\mathbb{R}}^{N}}$ 上的0-Dirichlet问题,文献[3]利用临界点理论中的Ekeland变分原理和三解定理获得近共振情形下至少3个解的存在性.文献[4-6]利用变分方法研究了不同指数增长的情况,利用山路引理、Ekeland变分原理、扰动方法等获得了多重正解的存在性.受文献[1, 10-11]的启发,本文考虑如下临界增长的非局部问题:
多个古典正解的存在性,其中N≥3,a>0,b>0,
$\beta \in \mathbb{R}$ ,当β=0时,a>b,${{2}^{*}}=\frac{2N}{N-2}$ .定理 1 假设N≥3,a>0,b>0,那么对任意正实数β,方程(2)都有无穷多古典解;又当a>b>0,β=0时,方程(2)有无穷多古典解.
证 在N(N≥3)维欧氏空间
${{\mathbb{R}}^{N}}$ 上考虑临界增长的椭圆型方程方程(3)有一族古典解可以表述为
其中ε是任意的正数,并且由于ε的任意性,使得方程(3)有无穷多解uε∈D1,2(
${{\mathbb{R}}^{N}}$ ).设S为嵌入D1,2(
${{\mathbb{R}}^{N}}$ )L2*(${{\mathbb{R}}^{N}}$ )的最佳常数,即根据文献[12]所述,对任意的ε>0,上述的uε都能使S取到.因此可以算得
对任意的λ>0,令
${{v}_{{{\lambda }_{\varepsilon }}}}={{\lambda }^{\frac{N-2}{4}}}{{u}_{\varepsilon }}$ ,则${{u}_{\varepsilon }}={{\lambda }^{\frac{2-N}{4}}}{{v}_{{{\lambda }_{\varepsilon }}}}$ ,因此$-\lambda \Delta {{v}_{\lambda \varepsilon }}=v_{\lambda \varepsilon }^{\frac{N+2}{N-2}}$ .可以得出,当N≥3时,对任意给定的λ>0,方程有一族古典解可以表述为
再根据ε>0的任意性可得出uλε有无穷多个.根据(5)式可以得出
现对λ∈(0,a),考虑方程
当N≥3时,方程(8)在区间(0,a)中的解等价于如下定义的函数φ(λ)的零点:
显然,当β≥0时,φ∈C1([0,a],
$\mathbb{R}$ ),并且因此,根据连续函数的零点存在定理可知函数φ(λ)在区间(0,a)中必然存在至少1个零点λ=λ[abNSβ],亦即方程(8)存在解λ[abNSβ]∈(0,a),使得
另外,根据(6)-(7)式可知
有一族古典解可以表述为
因此有
从而根据ε>0的任意性得:方程(2)有无穷多个形如(10)式的解.
推论 1 假设N≥3,a>0,b>0,那么对任意实数β < 0,当满足
时,方程(2)有无穷多古典解.
证 类似β≥0时的情形,只需证明φ(λ)有零点.当β < 0时,有
φ′(λ)=0时φ(λ)有最小值点λ=λ*,此时
根据(11)式可得出
再根据(9)式可知φ(λ)在(λ*,a)上有零点.故方程(2)有无穷多古典解.
下面给出几个具体例子:
例1 当N≥3,a>b>0且β=0时,方程(2)变为如下方程:
此时λ[abNSβ]=a-b,该方程有无穷多解可以表述为
例2 当N=3,a>0,b>0且β=1时,方程(8)的解是
$\lambda =\left( \frac{\sqrt{{{b}^{2}}{{S}^{3}}+4a}-b{{S}^{\frac{3}{2}~}}}{2} \right){{~}^{2}}$ .因此满足方程
例 3 当N≥3,a>0,b>0且
$\beta =\frac{2}{N-2}$ 时,方程(8)的解是$\lambda =\frac{a}{b{{S}^{\frac{N}{N-2}}}+1}$ .因此满足方程
例4当N≥3,b>0且
$\beta =\frac{2}{N-2}<0$ 时,存在$M=2\sqrt{b}{{S}^{\frac{N}{2(2-N)}}}>0$ ,当a≥M时,方程(8)的解是$\lambda =\frac{1}{2}\left[ a\pm {{\left( {{a}^{2}}-4b{{S}^{\frac{N}{2-N}}} \right)}^{\frac{1}{2}}} \right]$ .因此满足方程
Infinitely Many Solutions for Critical Problem on Whole Space
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摘要: 研究了全空间上一类临界增长的非局部问题古典解的存在性,通过特殊函数法,给出该问题无穷多古典正解的表达式,推广并丰富了已有文献的结果.Abstract: The existence of classical solutions for a class of nonlocal problems with critical growth is studied on whole space, and the expressions of infinitely many classical positive solutions are given by using the method of special function. Some known results of literatures are expanded and enriched.
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Key words:
- critical growth /
- nonlocal problem /
- method of special function /
- infinitely many solutions .
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[1] 丁凌, 汪继秀, 肖氏武.全空间上具有临界指数的Kirchhoff类方程无穷多个正解的存在性[J].南昌大学学报(理科版), 2017, 41(5):414-417. doi: 10.3969/j.issn.1006-0464.2017.05.002 [2] 王跃, 叶红艳, 索洪敏.一类带Hardy-Sobolev临界指数的非局部问题正解的存在性[J].应用数学, 2019, 32(2):452-456. doi: http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yingysx201902023 [3] 王跃, 梁金平, 索洪敏.一类非局部近共振问题多重解的存在性[J].西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(4):53-58. doi: http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xnnydxxb201804009 [4] YIN G S, LIU J S. Existence and Multiplicity of Nontrivial Solutions for a Nonlocal Problem[J]. Boundary Value Problems, 2015, 2015:26. doi: 10.1186/s13661-015-0284-x [5] 李红英.一类非局部问题的多解性[J].西南师范大学学报(自然科学版), 2017, 42(6):24-27. doi: http://xbgjxt.swu.edu.cn/jsuns/jscnuhhse/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=x201706005&flag=1 [6] doi: https://www.researchgate.net/publication/315980028_Positive_solutions_for_a_nonlocal_problem_with_singularity LEI C Y, CHU C M, SUO H M. Positive Solutions for a Nonlocal Problem with Singularity[J]. Electronic Journal of Differential Equations, 2017, 2017(85):1-9. [7] doi: https://www.univie.ac.at/EMIS/journals/EJDE/Volumes/2017/09/abstr.html LEI C Y, LIAO J F, SUO H M. Multiple Positive Solutions for a Class of Nonlocal Problems Involving a Sign-Changing Potential[J]. Electronic Journal of Differential Equations, 2017, 2017(9):1-8. [8] 唐之韵, 欧增奇.一类非局部问题解的存在性与多重性[J].西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(4):48-52. doi: http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/xnnydxxb201804008 [9] KIRCHHOFF G R. Vorlesungen Vber Matematische Physik:Mechanik[M].Teubner:Leipzig, 1876. [10] 王跃.一类非局部问题解的存在性与多重性研究[D].贵阳: 贵州民族大学, 2018. [11] doi: http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=c267697fa80de2a3fa0c94fa41555c8c WANG Y, SUO H M, LEI C Y. Multiple Positive Solutions for a Nonlocal Problem Involving Critical Exponent[J]. Electronic Journal of Differential Equations, 2017, 2017(275):1-11. [12] WILLEM M. Minimax Theorems[M]. Inc Boston MA:Birkhäuser Boston, 1996. -
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