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考虑如下拟线性椭圆方程:
其中,Ω为
${{\mathbb{R}}^{N}}$ (N≥3)中边界光滑的有界开集,且0∈Ω,1<p<N,0≤a<$\frac{N-p}{p}$ ,a≤b<a+1,0≤μ<$\overline{\mu }\triangleq {{\left(\frac{N-p}{p}-a \right)}^{p}}$ ,${{p}^{*}}\left(a, b \right)\triangleq \frac{Np}{N-p\left(a+1-b \right)}$ 是Hardy-Sobolev临界指数,λ>0,f∈C(Ω×${\mathbb{R}}$ +,${\mathbb{R}}$ ),由于我们只考虑正解,不妨定义在本文中,记W=Wa1,p(Ω)为C0∞(Ω)关于范数
${{\left(\int_{\mathit{\Omega }}{{{\left| x \right|}^{-ap}}{{\left| \nabla u \right|}^{p}}\text{d}x} \right)}^{\frac{1}{p}}}$ 的完备化空间.令由加权的Hardy不等式知,当μ<μ时,‖u‖等价于Wa1,p中的范数.定义最佳Hardy-Sobolev常数为:
为了求方程(1)的正解,我们考虑如下泛函:
其中,u∈W,u+=max{u,0},u-=max{-u,0},F(x,u)=
$\int_{0}^{u}{f\left(x, \text{ }s \right)\text{d}s}$ .称u为方程(1)的弱解,若对任意的函数φ∈W,有下列等式成立:易知,方程(1)的非负弱解与泛函I的临界点一一对应.
当p=2,μ=0且a=b=0时,方程(1)已经被广泛研究[1-5].当p≠2且a=b=0时,文献[1]通过建立局部(PS)条件得到了问题(1)的无穷多非平凡解.最近,在文献[2]中作者利用Ekeland变分原理和山路引理证明了方程
在一定条件下存在两个正解.当p≠2且a≠0,b≠0时,通过变分方法,文献[3]中研究了方程
在1<p<N,p≤q<p*(a,d),a≤d<a+1的条件下正解的存在性.更多类似的问题可参考文献[5-8].
受文献[2]和[3]的启发,本文考虑加权的拟线性方程(1)的正解的存在性和多重性.首先,借助Ekeland变分原理证明第一个正解的存在性; 然后利用变化的山路引理得到第二个正解.本文的主要困难在于(PS)条件的证明和能量泛函值的估计.主要结果为:
定理1 假定N≥3,0≤a<
$\frac{N-p}{p}$ ,a≤b<a+1,0≤μ<μ,且f满足(f1):
$\underset{t\to {{0}^{+}}}{\mathop{\text{lim}}}\, \frac{f\left(x, \text{ }t \right)}{{{t}^{p-1}}}=+\infty, \underset{t\to +\infty \text{ }}{\mathop{~\text{lim}}}\, \frac{f\left(x, \text{ }t \right)}{{{t}^{{{p}^{*}}\left(a, \text{ }b \right)-1}}}=0$ 对于x∈Ω一致成立.则存在λ*>0,使得当λ∈(0,λ*)时,方程(1)至少有一个正解uλ.记
定理2 假定0≤a<
$\frac{N-p}{p}$ ,a≤b<a+1,0≤μ≤$\widehat{\mu }$ ,且f满足(f1)及如下条件(f2):f:Ω×
${\mathbb{R}}$ +→${\mathbb{R}}$ 关于第二个变量单调递增.(A):p≥
$\frac{3N}{3\left(a+1-b \right)+N}$ ,N≥${{p}^{2}}\left(a+1 \right)+\left(1-p \right)b{{p}^{*}}\left(a, \text{ }b \right)$ .则存在λ*>0,使得对任意的λ∈(0,λ*),方程(1)至少有两个正解.注 本文推广了文献[2]和[3],在文献[2]中,作者证明了方程(1)在a=b=0的情况下存在两个正解.在文献[3]中,作者研究了当
时正解的存在性.在本文中,我们将考虑当a≠0,b≠0且f为一般项f(x,u)时,方程(1)的正解的存在性与多重性.
为了方便,本文中用C表示不同的正常数,O(εσ)(σ>0)表示存在一个常数M>0,当ε充分小时,有|O(εσ)|≤Mεσ,o(1)表示当n→∞时的无穷小量.
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定理1的证明 我们可通过Ekeland变分原理和强极大值原理来证明定理1,其证明过程与文献[2]中定理1的证明相似,在此我们省略其证明过程.由定理1已经得到第一个正解uλ,下面寻找具有形式u=uλ+v的第二个正解,实际上,只需证存在v>0即可. v对应的方程为:
记
方程(4)对应的能量泛函为:
为了证明定理2,我们给出一些主要的引理.
引理1 v=0是J在W中的一个极小值点.
证 对任意的v∈W,我们记v=v+-v-.由J的定义有
因为uλ是I在W中的一个局部极小值点,所以对充分小的ε,当‖v‖≤ε时,有
从而引理1成立.
引理2 假设条件(f1)和(f2)成立,若v=0是J的唯一临界点,则对于任意的
J满足(PS)c条件.
证 在W中取(PS)序列{vn},使得J(vn)→c,且在W*中J′(vn)→0.类似于文献[2]中引理3.2的证明,容易证得{vn}有界,从而存在子列(不妨仍记为{vn})及v0∈W,使得当n→∞时,有
由于序列{vn}在W中是有界的,所以由Sobolev嵌入定理可知,存在常数C有
由(f1)可知对任意的ε>0,存在C(ε)>0使得
记E的测度为mes E,令
$\delta =\frac{\varepsilon }{2C(\varepsilon)}>0$ ,若$E\subset \mathit{\Omega }$ 且mes E<δ,则利用Vitali定理,可得
从而,对任意的w∈W,有
因此,v0是J的临界点,由条件可知v0=0.下面证明vn→0.利用反证法,根据Brezis-Leib定理和(7)式可知
进而
假设
由(2)式可得对任意的n∈
${\mathbb{N}}$ *,有因此
即
进而有
与假设条件矛盾,所以当n→∞时,vn→0.引理2得证.由文献[3]可知,当Ω=
${{\mathbb{R}}^{N}}$ 时,Sμ,a,b可由如下函数达到其中ε>0.并且Vε(x)满足方程
取ρ>0充分小,使得Bρ(0)
$\subset $ Ω.定义截断函数φ(x)∈C0∞(Bρ(0))使得,当x∈Bρ(0)时,0≤φ(x)≤1;当$x\in {{B}_{\frac{\rho }{2}}}(0)$ 时,φ(x)=1.设vε(x)=φ(x)Vε(x),当ε→0时,有[2]:其中,β(μ)为函数
的一个零点,且
$\beta \left(\mu \right)\frac{N-p\left(a+1 \right)}{p}$ .引理3 设N≥p2(a+1)-(p-1)bp*(a,b),0≤a<
$\frac{N-p}{p}$ ,a≤b<a+1,0≤μ≤$\widehat{\mu }$ .若条件(f1),(f2)和(A)都成立,则存在v*∈W且v*≢0,使得证 由(A)知
所以
由基本不等式
结合条件(f2)和(7)式,可得
因此
所以
令
可得,当ε>0充分小时,Q′(t)=0有唯一的正解tε,并且Q在tε处取得最大值,tε是一致有界的.结合(8)式和(9)式,得
通过计算可知
因此,当ε充分小时,有
由文献[3]可知,函数k(t)有唯一的极小值点
且k在(δ,+∞)上单调递增.又由条件(A)知
计算可得
(ⅰ) 若β(μ)>
$\frac{1}{p}$ (N-bp*(a,b)),则由(10)式可知又
结合(12)式,当ε>0充分小时,我们有
(ⅱ) 若β(μ)=
$\frac{1}{p}$ (N-bp*(a,b)),则由(11)式可知而
结合(12)式,取ε充分小,可得
所以,当ε充分小时,v*=vε满足引理3的结论.
定理2的证明 若v=0是J的唯一临界点,由引理1知存在α>0,使得对任意的v∈∂Bρ={v∈W,‖v‖=ρ},都有J(v)>α成立,其中ρ>0充分小.由引理3可知存在v*∈W,v*≢0使得
又由条件(f1)可知
因此,存在t0>0,使得当‖t0v*‖>ρ时,有
根据山路引理可知,存在{vn}
$\subset $ W,使得当n→∞时,其中,
进而
由引理2可知
而
矛盾.定理2证毕.