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带有加权Hardy-Sobolev临界指数的拟线性椭圆方程正解的存在性和多重性

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朱玉, 商彦英. 带有加权Hardy-Sobolev临界指数的拟线性椭圆方程正解的存在性和多重性[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(2): 56-63. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.02.010
引用本文: 朱玉, 商彦英. 带有加权Hardy-Sobolev临界指数的拟线性椭圆方程正解的存在性和多重性[J]. 西南大学学报(自然科学版), 2018, 40(2): 56-63. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.02.010
Yu ZHU, Yan-ying SHANG. Existence and Multiplicity of Positive Solutions for a Quasilinear Elliptic Equation with Weighted Hardy-Sobolev Exponents[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(2): 56-63. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.02.010
Citation: Yu ZHU, Yan-ying SHANG. Existence and Multiplicity of Positive Solutions for a Quasilinear Elliptic Equation with Weighted Hardy-Sobolev Exponents[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(2): 56-63. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.02.010

带有加权Hardy-Sobolev临界指数的拟线性椭圆方程正解的存在性和多重性

  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11471267);中央高校基本科研业务费专项资金项目(XDJK2016C119)
详细信息
    作者简介:

    朱玉(1992-),女,山西朔州人,硕士研究生,主要从事非线性泛函分析的研究 .

    通讯作者: 商彦英,副教授,硕士研究生导师
  • 中图分类号: O176.3

Existence and Multiplicity of Positive Solutions for a Quasilinear Elliptic Equation with Weighted Hardy-Sobolev Exponents

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  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2017-06-01
  • 刊出日期:  2018-02-20

带有加权Hardy-Sobolev临界指数的拟线性椭圆方程正解的存在性和多重性

    通讯作者: 商彦英,副教授,硕士研究生导师
    作者简介: 朱玉(1992-),女,山西朔州人,硕士研究生,主要从事非线性泛函分析的研究
  • 西南大学 数学与统计学院,重庆 400715
基金项目:  国家自然科学基金项目(11471267);中央高校基本科研业务费专项资金项目(XDJK2016C119)

摘要: 研究了一类加权拟线性椭圆方程,利用Ekeland变分原理和强极大值原理,证明了该方程正解的存在性和多重性.

English Abstract

  • 考虑如下拟线性椭圆方程:

    其中,Ω${{\mathbb{R}}^{N}}$ (N≥3)中边界光滑的有界开集,且0∈Ω,1<pN,0≤a$\frac{N-p}{p}$aba+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,fC(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μμ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,uWu+=max{u,0},u-=max{-u,0},F(xu)=$\int_{0}^{u}{f\left(x, \text{ }s \right)\text{d}s}$ .称u为方程(1)的弱解,若对任意的函数φW,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.

    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<pNpqp*(ad),ada+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$\frac{N-p}{p}$aba+1,0≤μμ,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xΩ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$\frac{N-p}{p}$aba+1,0≤μ$\widehat{\mu }$ ,且f满足(f1)及如下条件

    (f2):fΩ×${\mathbb{R}}$+${\mathbb{R}}$ 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.

      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(xu)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)|≤σo(1)表示当n→∞时的无穷小量.

  • 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:

    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JW中的一个极小值点.

      对任意的vW,我们记v=v+-v-.由J的定义有

    因为uλIW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.

      在W中取(PS)序列{vn},使得J(vn)→c,且在W*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v0W,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

    由(f1)可知对任意的ε>0,存在C(ε)>0使得

    E的测度为mes E,令$\delta =\frac{\varepsilon }{2C(\varepsilon)}>0$ ,若$E\subset \mathit{\Omega }$ 且mes Eδ,则

    利用Vitali定理,可得

    从而,对任意的wW,有

    因此,v0J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

    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,Sμab可由如下函数达到

    其中ε>0.并且Vε(x)满足方程

    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xBρ(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Np2(a+1)-(p-1)bp*(ab),0≤a$\frac{N-p}{p}$aba+1,0≤μ$\widehat{\mu }$ .若条件(f1),(f2)和(A)都成立,则存在v*Wv*≢0,使得

      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

    可得,当ε>0充分小时,Q′(t)=0有唯一的正解tε,并且Qtε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

    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*(ab)),则由(10)式可知

    结合(12)式,当ε>0充分小时,我们有

    (ⅱ) 若β(μ)=$\frac{1}{p}$ (N-bp*(ab)),则由(11)式可知

    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={vW,‖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*Wv*≢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

    矛盾.定理2证毕.

参考文献 (8)

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