一类次线性Schrödinger-Maxwell方程无穷多非平凡解的存在性
The Existence of Infinitely Many Nontrivial Solutions for a Kind of Schrödinger-Maxwell Equation with Sublinear Potentials
摘要: 本文借助变分法和临界点理论研究一类次线性Schrödinger-Maxwell方程无穷多非平凡解的存在性问题 { Δ u + V ( x ) u + α ϕ f ( u ) = g ( x , u ) , x R 3 , Δ ϕ = 2 α F ( u ) , x R 3 . 其中 α > 0 V ( x ) C 1 ( R 3 , R ) V ( x ) > 0 。在 f , g 符合相关条件下, p ( 1 , 2 )
Abstract: In this paper, we discuss the existence of infinitely many nontrivial solutions for the following kind of sublinear Schrödinger-Maxwell equation by using the variational method and critical point theory. { Δ u + V ( x ) u + α ϕ f ( u ) = g ( x , u ) , x R 3 , Δ ϕ = 2 α F ( u ) , x R 3 . where α > 0 , V ( x ) C 1 ( R 3 , R ) , V ( x ) > 0 . Under certain assumptions on f , g and p ( 1 , 2 ) .
文章引用:汪敏庆, 游仁青, 陆晓娟. 一类次线性Schrödinger-Maxwell方程无穷多非平凡解的存在性[J]. 应用数学进展, 2025, 14(1): 105-111. https://doi.org/10.12677/aam.2025.141014

1. 引言

考虑一类次线性项Schrödinger-Maxwell系统无穷多非平凡解的存在性。

{ Δ u + V ( x ) u + α ϕ f ( u ) = g ( x , u ) , x R 3 , Δ ϕ = 2 α F ( u ) , x R 3 . (1)

这样的方程又被称为Schrödinger-Poisson方程。Schrödinger-Maxwell方程解的存在性在凝聚态物理、电磁学与量子力学的交叉领域、非线性光学、材料科学以及量子通信与量子计算等领域有十分重要的应用。

近几十年来,大批学者在现代变分法的帮助下,通过对Schrödinger-Maxwell方程中的位势函数和非线性项进行一系列的假设,取得了一系列丰硕的研究成果,具体可参考[1]-[5]。文献[6]中利用环绕定理首次研究了带有零谱点的问题(1)的非平凡解,更多关于这方面的结论可参考[7]-[11]。文献[12]中利用对称的山路定理得到了当 f ( u ) = u 时问题(1)的无穷多解。结合大部分文献考虑的是 f ( u ) = u 的情形,在文献[12]基础上,考虑 f ( u ) 为正连续函数时,系统(1)无穷多非平凡解的存在性。

V , f , g 有以下假设

(V) V ( x ) C 1 ( R 3 , R ) inf x R 3 V ( x ) a 1 > 0 ,其中 a 1 > 0 是一个常数。对每一个 M > 0 meas { x R 3 , V ( x ) M } < 。这里的测度是 R 3 空间里的Lebesgue测度。

(F1) f C 1 ( R + , R + ) | f ( t ) | c ( | t | + | t | α ) , t [ 0 , + ) , c > 0 , α ( 2 , 4 )

(F2) 当 t 0 时,对 x R 3 ,都有 lim t 0 g ( x , t ) t = +

(F3) g C ( R 3 × R ) ,对 t R , x R 3 1 < P < 2 ,都有 | g ( x , t ) | a ( x ) | t | p 1 ,其中 a ( x ) L 2 2 p 为正连续函数。

(F4) 对 t R , x R 3 ,都有 g ( x , t ) = g ( x , t )

定理1.1 若假设(V),(F1)~(F4)满足,则系统(1)有无穷多非平凡解 ( u k , ϕ k ) 满足:

1 2 R 3 ( | u k | 2 + V ( x ) u k 2 ) d x + 1 2 α R 3 ϕ k F ( u k ) d x R 3 G ( x , u k ) d x 0 , u k 0 , k .

其中 G ( x , u ) = 0 u g ( x , s ) d s

2. 预备工作

定义2.1. [13]E为一个Banach空间,相应范数记为 E = j N X j ¯ dim X j < j N Y k = j = 0 k X j Z k = j = k + 1 X j ¯

定义2.2. [13]定义函数空间: H 1 ( R 3 ) = u L 2 ( R 3 ) : u L 2 ( R 3 ) ,对应内积和范数分别为

u , v 1 = R 3 ( u v + u v ) d x .

u 1 = u , u 1 1 2 .

定义2.3. [13]定义函数空间 D 1 , 2 ( R 3 ) = { u L 2 ( R 3 ) : | u | L 2 ( R 3 ) } 。相应的范数为

u D 1 , 2 = ( R 3 | u | 2 ) 1 2 d x .

定义2.4. [13]定义空间

E = { u H 1 ( R 3 ) : R 3 ( | u | + V ( x ) | u | 2 ) d x < } ,

E是一个Hilbert空间,对应的内积和范数分别为

u , v = R 3 ( u v + V ( x ) u v ) d x ,

u = u , u 1 2 .

定义2.5. [13] | | L s ( R 3 ) 的范数, s ( 2 , 6 ) ,再记

S = inf u D 1 , 2 ( R 3 ) , | u | 6 = 1 | u | 2 , γ s = sup u H 1 ( R 3 ) , u = 1 | u | s .

显然,嵌入 E L s ( R 3 ) ( s [ 2 , 2 ] ) 是连续的。

结合[14]知,当所有的 r > 0 , 1 p < 2 时,从空间E到空间 L p ( B r ¯ ) 的嵌入为紧的, B r ¯ = { x R N : | x | r }

规定泛函 I : E × D 1 , 2 ( R 3 ) R 如下:

I ( u , ϕ ) = 1 2 u 2 1 2 R 3 | ϕ | 2 d x + α R 3 ϕ u F ( u ) d x R 3 G ( x , u ) d x .

I C 1 的,且I的临界点为方程(1)的一个解。

[14]可知,对每一个 u H 1 ( R 3 ) ,有且仅有一个 ϕ u D 1 , 2 ( R 3 ) ,满足:

Δ ϕ = α F ( u ) , (2)

并且 ϕ u 具有下列性质:

(i) u D 1 , 2 2 = R 3 α F ( u ) ϕ u d x

(ii) ϕ u 0

(iii) u D 1 , 2 2 C ( u 2 + u 1 + α )

(iv) R 3 α F ( u ) ϕ u d x C ˜ ( u 4 + u 2 ( 1 + α ) ) ,其中 C ˜ 仅仅与C有关。

ϕ u 可表示为 ϕ u = R 3 α F ( u ( y ) ) | x y | d y

考虑到

R 3 | ϕ u | 2 d x = R 3 α F ( u ) ϕ u d x ,

因而I可表示为 Φ : E R

Φ ( u ) = I ( u , ϕ ) = 1 2 u 2 + 1 2 R 3 α ϕ u F ( u ) d x R 3 G ( x , u ) d x .

Φ C 1 的,且:

Φ ( u ) , v = R 3 ( u v + v ( x ) u v + α ϕ u f ( u ) v g ( x , u ) v ) d x .

当且仅当 u E Φ 的一个临界点时, ( u , ϕ ) E × D 1 , 2 ( R 3 ) 是方程(1)的一个解。

定理2.6 [15] ( X , ) 为Hilbert空间, e j 为其对应的一组标准正交基。令 X j = s p a n { e j } Y k = j 0 k X j Z k = j 0 k X j - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 。设泛函 Φ C 1 ( X , R ) ,且 Φ ( u ) = Φ ( u ) , u X 。若存在 k 0 N ,使得对所有的 k > k 0 ,存在 ρ k > r k > 0 ,且:

(Φ1) a k : = max u Y k , u = ρ k Φ ( u ) 0

(Φ2) b k : = inf u Z k , u = r k Φ ( u ) , k

(Φ3) 对任意的 c > 0 Φ 满足 ( P S ) c 条件。

Φ 具有一列无界的临界值。

3. 定理1.1的证明

引理3.1 若(V),(F1)~(F4)条件成立,则 Φ 下方有界且满足 ( P S ) C 条件。

证明:由条件(V),(F3),有:

| G ( x , u ) | a ( x ) p | u | p , ( x , u ) ( R 3 , R ) . (3)

对任意给定的 v E ,令 Ω = { x R 3 : | v | 1 } 。由上式和Hölder不等式,有:

Φ ( v ) = 1 2 v 2 + 1 2 R 3 α ϕ v F ( v ) d x R 3 G ( x , v ) d x 1 2 v Ω 2 + 1 2 R 3 α ϕ v F ( v ) d x R 3 G ( x , v ) d x 1 2 v Ω 2 Ω ( a ( x ) p | v | p ) d x 1 2 v Ω 2 1 p a ( x ) 2 2 p , Ω v 2 , Ω p 1 2 v Ω 2 c 2 p a ( x ) 2 2 p v Ω p .

Φ 下方有界。

现在来证明 Φ 满足 ( P S ) C 条件。由上述不等式知,存在常数 A > 0 ,使得:

u k 2 β 1 2 u k A , k N .

假定在E u k 弱收敛于 u 0 ,则由(F3)得:对任意给定的 ε > 0 ,选定 R ε > 0 ,使得:

( | x | R ε | a ( x ) | 2 2 p d x ) 2 2 p < ε . (4)

故有等式:

lim k | x | R ε | u k ( x ) u 0 ( x ) | 2 d x = 0. (5)

成立。若等式(5)不成立,则存在一个常数 ε 0 > 0 和一个子列 { u k j } ,使得:

| x | R ε | u k j ( x ) u 0 ( x ) | 2 d x ε 0 , j N . (6)

{ u k j } L 2 ( B R ε ¯ ) 中有一个收敛的子列。若 { u k j } L 2 ( B R ε ¯ ) 中收敛于 u ¯ ,则:

lim j | x | R ε | u k j ( x ) u ¯ ( x ) | 2 d x = 0. (7)

{ u k j } E L 2 ( B R ε ¯ ) 中弱收敛于 u 0 ,从而 { u k j } L 2 ( B R ε ¯ ) 中弱收敛于 u 0 成立。结合(6)可知,当 x L 2 ( B R ε ¯ ) 时,有 u 0 ( x ) = u ¯ ( x ) ,故:

lim j | x | < R ε | u k j ( x ) u ¯ ( x ) | 2 d x = 0 ,

这与(4)矛盾,故(5)成立。由(5)知,从而存在常数 k 0 N ,使得:

lim j | x | R ε | u k ( x ) u 0 ( x ) | 2 d x < ε 2 , k > k 0 . (8)

结合(8),(F3)和Hölder不等式,有:

| x | R ε | g ( x , u k ( x ) ) g ( x , u 0 ( x ) ) | | u k ( x ) u 0 ( x ) | d x ( | x | R ε | g ( x , u k ( x ) ) g ( x , u 0 ( x ) ) | 2 d x ) 1 2 ( | x | R ε | u k ( x ) u 0 ( x ) | 2 d x ) 1 2 ( | x | R ε 2 ( | g ( x , u k ( x ) ) | 2 + | g ( x , u 0 ( x ) ) | ) 2 d x ) 1 2 ε 2 ( | x | R ε | a ( x ) | 2 ( | u k | 2 ( p 1 ) + | u 0 | 2 ( p 1 ) ) d x ) 1 2 ε 2 ( | x | R ε a ( x ) 2 2 p 2 ( u k 2 2 ( p 1 ) + u 0 2 2 ( p 1 ) ) d x ) 1 2 ε 2 [ a ( x ) 2 2 p 2 ( A 2 ( p 1 ) + | u 0 | 2 2 ( p 1 ) ) ] 1 2 ε , k k 0 .

类似地,由(F3),(2),(3)和Hölder不等式,有:

| x | R ε | g ( x , u k ( x ) ) g ( x , u 0 ( x ) ) | | u k ( x ) u 0 ( x ) | d x 2 ( A p + u 0 2 p ) ε , k N . (9)

由于 ε 是任意的,结合(7)和(8),有:

| x | R ε ( g ( x , u k ( x ) ) g ( x , u 0 ( x ) ) , u k ( x ) u 0 ( x ) ) d x 0 , k . (10)

由(2)和Hölder不等式,有:

| | x | R ε α ϕ u k f ( u k ) ( u k u 0 ) d x | C | | x | R ε α ( | u k | + | u k | γ ) ϕ u k | u k u 0 | d x | C C 0 ( | ϕ u k | 6 u k 12 5 u k u 0 12 5 + | ϕ u k | 6 | u k | 6 γ | u k u 0 | β )

其中 β = 6 / ( 5 α ) ( 2 , 6 ) 。由Sobolev’s嵌入定理和 ϕ u 的性质(iii),有:

R 3 α ϕ u k f ( u k ) ( u k u 0 ) d x 0 , k .

R 3 α ( ϕ u k f ( u k ) ϕ u 0 f ( u 0 ) ) ( u k u 0 ) d x 0 , k .

Φ ( u k ) Φ ( u 0 ) , u k u 0 = u k u 0 2 + R 3 α ( ϕ u k f ( u k ) ϕ u 0 f ( u 0 ) ) ( u k u 0 ) d x R 3 ( g ( x , u k ( x ) ) g ( x , u 0 ( x ) ) ) ( u k ( x ) u 0 ( x ) ) d x ,

结合(2),(6)和(10),有:

Φ ( u k ) Φ ( u 0 ) , u k u 0 0.

Φ 满足 ( P S ) C 条件。

引理3.2 若假设(V),(F1)~(F4)满足,则有 ρ k > r k > 0 ,且:

a k : = sup u Y k , u = ρ k Φ ( u ) 0.

证明:由(F2)假设,存在 M > 0 ,使得:

Φ ( u ) = 1 2 u 2 + 1 2 R 3 α ϕ u F ( u ) d x Ω G ( x , u ) d x 1 2 u 2 + C ˜ 2 ( u 4 + u 2 ( 1 + α ) ) 1 2 M | u | 2 d x = 1 2 u 2 + C ˜ 2 ( u 4 + u 2 ( 1 + α ) ) 1 2 M u 2 .

假定M足够大,且 u = ρ k 足够小时,得: a k : = sup u Y k , u = ρ k Φ ( u ) 0

定理1.1的证明 结合引理3.1、引理3.2可得,系统(1)对应的泛函 Φ 满足定理2.6的所有条件。由定理2.6知,泛函 Φ 具有一列临界点 u k ,使得 Φ ( u k ) 0 ,故定理1.1成立。

基金项目

本论文由2022年广西区教育厅高校中青年科研基础能力提升项目(2022KY1623)资助。

NOTES

*通讯作者。

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