考虑下面非线性的schrödinger-Maxwell方程
其中$ F(x, u) = \int^{u}_{0}f(x, s)ds $, $ G(x, u) = \int^{u}_{0}g(x, s)ds $, 此系统又称为schrödinger-Poisson系统, 它是物理学家们在求解非线性schrödinger方程和一未知电场相互作用的解时得到的.关于$ (1.1) $式的具体推导过程及更详尽的物理意义, 文献[3, 4]有较详细的论述.
自从系统$ (1.1) $在文献[3]中提出以后, 很多学者对系统解的问题产生了兴趣并进行了研究.在文献[1]中, Sun用变化的喷泉定理得出了一类次线性项schrödinger-Maxwell方程的无限多个解.在文献[2]中, Li, Su, Wei用变化的喷泉定理得出了非线性schrödinger-Maxwell方程的无穷多个高能解的存在性.受文献[2]的启发, 本文在文献[2]的非线性项$ f(x, u) $ (见本文定理1.1的(f1)–(f4)条件)的基础上, 添加了一个次线性项$ g(x, u) $ (见定理1.1的(g)条件), 将文献[1]中的次线性项$ 0<p<1 $, 推广到本文的$ q\in(2, 3) $, 运用山路定理, 证出了系统$ (1.1) $的基态解.在文献[5]中, Liu, Guo, Zhang用变分法得出了系统的基态解的存在性.在文献[6]中, Sun, Ma用新方法证得了系统的基态解.在文献[7]中, 方立婉, 黄文念, 谢苏静运用山路定理得出了一类非线性schrödinger-Maxwell方程在$ R^3 $的基态解, 关于系统$ (1.1) $的更多的结论见文献[8-12].
定理1.1 假设$ V, K $和非线性项$ f, g $满足如下条件:
(V) $ V\in C(R^{3}, R) $且$ \inf\limits_{x\in R^3}V(x)> 0 $.进一步地, $ \forall \ M >0 $, 有$ {\rm meas} \{x\in R^{3}:V(x)\leq M\}<\infty $.
(K) $ K\in L^{\infty}(R^{3}, R) $, 且$ K(x)\geq0 $, $ \forall {x\in R^3} $.
(f1) $ f\in C(R^{3}\times R, R) $且存在$ a>0 $, $ p\in(2, 6) $, 使得$ |f(x, u)| \leq a(1+|u|^{p-1}) $, $ \forall \ (x, u)\in R^3\times R $.
(f2) $ \lim\limits_{|u|\rightarrow0}\frac{F(x, u)}{|u|^2} = 0 $对于所有$ x\in R^3 $一致成立.
(f3) $ \lim\limits_{|u|\rightarrow\infty}\frac{F(x, u)}{|u|^4} = +\infty $对于所有$ x\in R^3 $一致成立.
(f4) $ \forall \ (x, u)\in R^{3}\times R $, $ 0< F(x, u)\leq\frac{1}{4}f(x, u)u $.
(g) $ G(x, u) = \frac{1}{4-q}b(x)|u|^{4-q} $, $ q\in(2, 3) $, $ b(x)\geq0 $, $ \forall \ {x\in R^3} $, $ b(x)\in L^{\frac{4}{q}}(R^{3}, R) $.
则系统$ (1.1) $存在一个解$ u\in E $使得$ \Phi(u) = \inf\limits_{\mathcal{N}}\Phi(u)>0 $. $ {\mathcal{N}} $定义见式$ (2.9) $.
对于任意的$ 1\leq r<\infty $, $ L^r{(R^3)} $表示通常意义下的Lebesgue空间, 其范数为
$ {H}^{1}(R^{3}) $则表示通常意义下的Sobolev空间, 其范数取为
定义如下空间
其范数取为
$ 2^{*} = 6 $为三维空间的临界Sobolev嵌入指数, 则$ \mathcal{D}^{1, 2}(R^{3})\hookrightarrow L^{2^{*}}(R^{3}) $, $ C_{1} $是最佳嵌入正的常数, 即
由Lax-Milgram定理(见文献[13]), $ \forall \ u\in\ H^{1}(R^3) $, $ \exists $唯一的$ \phi_u \in \mathcal{D}^{1, 2}(R^{3}) $使得
进一步地有
从而$ \phi_{u}\geq0 $. $ \forall u\in H^{1}(R^{3}) $, 由式$ (2.1), (2.2) $和Hölder不等式知
从而
且令$ C_2 = C_{1}^{2} \|K\|_{\infty}^2 $
令
和
(V) 条件显示$ \|\cdot\| $和$ \|\cdot\|_{H^1} $在$ E $上是两个等价范数, 由Sobolev嵌入定理, $ \exists C_3>0 $, 使得
在空间$ E\times\mathcal{D}^{1, 2} $中定义一个泛函$ I $,
则$ I $是有意义的, 且$ I\in C^{1}(E\times\mathcal{D}^{1, 2}) $, 同时, $ I $的每个临界点就是系统$ (1.1) $的一个解(这里是指弱解).由式$ (2.2) $得出
易知$ \Phi\in C^{1}(E, R) $且
由临界点理论及变分法知:当$ u\in E $为泛函$ \Phi $的一个临界点, 则$ (u, \phi_u) $为系统$ (1.1) $的一组解.对应的Nehari流形为
定义2.1 (见文[14])设$ E $是Banach空间, $ \Phi\in C^1(E, R) $, $ c\in R $.泛函$ \Phi $满足(PS)$ _c $条件是指: $ \forall \ \{u_n\}\subset E $使得
有一个收敛的子列.
定理2.2 (见文[15])设$ E $是Banach空间, $ E^* $为其对偶空间, 若$ \Phi\in C^1(E, R) $且满足
其中$ \rho>0, r>0 $, 以及$ v\in E $且$ \|v\|>r $.令$ c\geq\rho $且$ c = \inf\limits_{\gamma\in\Gamma}\max\limits_{s\in[0, 1]}\Phi(\gamma(s)), $是从$ 0 $到$ v $的连续曲线.其中$ \Gamma = \{\gamma\in C([0, 1], E):\gamma(0) = 0, \gamma(1) = v\} $, 则存在$ \{u_n\}\subset E $, 使得$ \Phi(u_n)\rightarrow c>0 $且$ \Phi'(u_n)\rightarrow0 $, 若$ \Phi $满足(PS)$ _c $条件, 则$ c\geq\rho $是$ \Phi $的临界值.
引理3.1 在定理$ 1.1 $的假设条件下, 则
(ⅰ) $ \exists\; r >0, \rho >0 $, 使得$ \rho\leq\inf\limits_{\|u\| = r}\Phi(u) $;
(ⅱ) $ \exists\; v\in E $, 满足$ \|v\|>r $, 使得$ \Phi(v)<0 $.
证 (ⅰ)由(f2)条件知$ \forall \ \varepsilon>0, \ \exists \ \alpha>0 $, 使得$ \forall \ x\in R^3, \ 0\leq|u|\leq\alpha $, 有$ \frac{|F(x, u)|}{|u|^2}\leq\frac{\varepsilon}{2} $, 所以
进一步得出
由(f1)条件知$ \forall \ x\in R^3, \ |u|\geq\alpha $, 这里$ C = a((\frac{1}{\alpha})^{p-1}+1) $,
因此
结合式$ (3.2), (3.3) $, $ \forall \ x\in R^3, \ u \in R $, 有
结合式(3.1), (3.4), $ \forall \ x\in R^3, \ u \in R $, 有
结合(g)条件和式$ (2.6) $, 有
取$ \varepsilon $充分小, 因此$ \exists \ r >0, \ \rho >0 $, 使得$ \rho\leq\inf\limits_{\|u\| = r}\Phi(u) $.
(ⅱ) 由(f3)条件知$ \forall \ M >0, \ \ \exists \ \delta>0 $, 使得$ |u|\geq\delta $时,
由(f2)条件知$ \forall \ x\in R^3, \ 0\leq|u|\leq \alpha $, 有
由(f1)条件知$ \exists \ M_{1} > 0 $, 使得$ \forall \ x\in R^3, \ \ \alpha \leq|u|\leq \delta $, 有
结合式$ (3.7) $, $ (3.9) $, $ (3.11) $, $ \forall \ M>0, \ \exists \ M_{1}>0 $使得$ \forall \ x\in R^3, \ u\in R $, 取$ \tilde{M} = \frac{M_{1}+1}{2}+ M|u|^4 $, 有
由式$ (2.4) $, $ (2.6) $, $ 2<q<3 $, 知
取M充分大, 则$ \Phi(te)\leq0 $, 取$ v = te $, 当$ t $充分大时, $ \|v\|>r $, 使得$ \Phi(v)\leq0 $.
引理3.2 在定理$ 1.1 $的条件下, $ \Phi $的(PS)$ _c $序列有界.
证 因为$ \Phi(u_n)\rightarrow c $, 所以$ \exists \ M_2 >0 $, 使得$ \Phi(u_n)\leq M_2 $.又因$ \Phi'(u_n)\rightarrow0 $, 所以$ \forall \ \delta>0 $, $ \|\Phi'(u_n)\|\leq \delta $,
由Cauchy-Schwartz不等式
所以
即
由(f4)条件知$ 2F(x, u_n)\leq \frac{1}{2}f(x, u_n)u_n, $因为$ 2< q <3 $, 所以$ 1<\frac{2}{4-q}<2 $.因此
即$ \{u_n\} $有界.
引理3.3 在定理$ 1.1 $的条件下, $ \Phi $的有界(PS)$ _{c} $序列收敛, 即$ \Phi(u_n)\rightarrow c, \Phi'(u_n)\rightarrow 0 $, 则$ \{u_n\} $存在一个收敛的子列.
证 因为$ \{u_n\}\subset E $有界, 所以$ \exists \ u\in E $, 使得$ u_{n}\rightharpoonup u, $由(V)条件知, 在$ L^{t}(R^{3}), t\in[2, 6) $中, 有
因为
显然, 当$ n\rightarrow\infty $时,
由式$ (3.5) $可知
因为在$ L^s(R^3), \ \ 2 \leq s <6 $中, 有$ u_{n}\rightarrow u, \ \ $所以$ \int_{R^3}(f(x, u_{n})-f(x, u))(u_{n}-u)dx \rightarrow 0. $由Hölder不等式和(g)条件知
因为在$ L^s(R^3), \ \ 2 \leq s <6 $中, 有$ u_{n}\rightarrow u, \ \ $所以$ \int_{R^3}(g(x, u_{n})-g(x, u))(u_{n}-u)dx \rightarrow 0. $由Hölder不等式,
类似的
则已证$ \forall \ c $, $ \Phi $的$ (PS)_{c} $条件成立.因此至少存在一个非零解$ u\in E, \ \ \Phi(u) = c, \ \ \Phi'(u) = 0 $.由式(2.9)知, 显然$ \mathcal{N} $非空, $ \forall \ u\in \mathcal{N} $, 有
由$ \mathcal{N} $的定义, 显然$ u\not\equiv0 $, 取$ \varepsilon $充分小, 则
又因为$ 2< q <3 $, 所以$ \frac{1}{2}<\frac{1}{4-q}<1 $.
所以$ \Phi $在$ \mathcal{N} $上是下有界的, 且$ \Phi $具有强制性, 即$ (\|u\|\rightarrow\infty, \ \ \Phi(u)\rightarrow \infty) $因此定义
引理3.4 (见文[14])设$ r>0 $, 如果$ \{u_{n}\}\subset H^{1}(R^{3}) $有界, 且
则$ \forall \ s\in(2, 6) $, 在$ L^{s}(R^{3}) $中有$ u_{n}\rightarrow 0 $.
定理1.1的证明 设$ \{u_{n}\}\subset \mathcal{N} $是$ \Phi $的一个极小化序列, 则$ \{u_{n}\} $有界, 而且通过一个恰当的$ Z^3 $变换, $ \exists \ u \in \mathcal{N} $, 使得$ u_n \rightharpoonup u $和$ \Phi(u) = s = \inf\limits_{\mathcal{N}}\Phi. $
证 由$ \Phi $具有强制性, 显然, $ \{u_{n}\} $有界.在子列意义条件下, 有$ u_n \rightharpoonup u $.假设引理$ 3.4 $成立, 结合式$ (3.5) $, 当$ n\rightarrow\infty $时, 有$ \int_{R^3} f(x, u_n)u_{n} = o(\|u_n\|) $.从而有
所以$ \|u_{n}\|\rightarrow 0 $, 这与式$ (3.18) $相矛盾, 因此$ \exists \ r >0, \{y_{n}\}\subset Z^{3} $, 满足
因此$ u_{n}\rightharpoonup u\neq0 $, 则$ \Phi'(u) = 0 $.因此$ u\in\mathcal{N} $.显然$ \Phi(u)\geq s $.由(f4)条件, Fatou's引理, $ \|\cdot\| $的弱连续和$ \{u_{n}\} $有界得
所以$ \Phi(u)\leq s $, 从而$ \Phi(u) = s = \inf \limits_{\mathcal{N}}\Phi>0. $