Buckets:

mishig's picture
|
download
raw
128 kB

Title: Concentrating solutions of the fractional (๐‘,๐‘ž)-Choquard equation with exponential growth

URL Source: https://arxiv.org/html/2506.00412

Markdown Content: Abstract 1Introduction 2Preliminaries 3The autonomous problem ( ๐’ฌ ๐œ— ) 4The auxiliary problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ) 5Multiplicity and concentration of positive solutions of problem ( โข ๐’ฌ โข ) References Concentrating solutions of the fractional ( ๐‘ , ๐‘ž ) -Choquard equation with exponential growth Yueqiang Song 1 , Xueqi Sun1, Duลกan D. Repovลก2,3,4 1 College of Mathematics, Changchun Normal University, Changchun, 130032, P.R. China Yueqiang Song: songyq16@mails.jlu.edu.cn Xueqi Sun: sunxueqi1@126.com 2 Faculty of Education, University of Ljubljana, Ljubljana, 1000, Slovenia 3 Faculty of Mathematics and Physics, University of Ljubljana, Ljubljana, 1000, Slovenia 4 Institute of Mathematics, Physics and Mechanics, Ljubljana, 1000, Slovenia Duลกan D. Repovลก: dusan.repovs@guest.arnes.si Abstract.

This article deals with the following fractional ( ๐‘ , ๐‘ž ) -Choquard equation with exponential growth of the form:

๐œ€ ๐‘ โข ๐‘  โข ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ๐œ€ ๐‘ž โข ๐‘  โข ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

๐œ€ ๐œ‡ โˆ’ ๐‘ โข [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) in โ„ ๐‘ ,

where ๐‘  โˆˆ ( 0 , 1 ) , ๐œ€ > 0 is a parameter, 2 โ‰ค ๐‘

๐‘ ๐‘  < ๐‘ž , and 0 < ๐œ‡ < ๐‘ . The nonlinear function ๐‘“ has an exponential growth at infinity and the continuous potential function ๐‘ satisfies suitable natural conditions. With the help of the Ljusternik-Schnirelmann category theory and variational methods, the multiplicity and concentration of positive solutions are obtained for ๐œ€

0 small enough. In a certain sense, we generalize some previously known results.

โˆ— Corresponding author: Duลกan D. Repovลก Mathematics Subject Classification (2020): 35A15, 35A23, 35J35, 35J60, 35R11. Keywords: Fractional double phase operator, Critical exponential growth, Mountain Pass Theorem, Trudinger-Moser inequality, Variational method. 1.Introduction

In this paper, we consider the multiplicity and concentration of solutions for the following fractional ( ๐‘ , ๐‘ž ) -Choquard problem in โ„ ๐‘ :

๐œ€ ๐‘ โข ๐‘  โข ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ๐œ€ ๐‘ž โข ๐‘  โข ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

๐œ€ ๐œ‡ โˆ’ ๐‘ โข [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) ,

( ๐’ฌ )

where ๐œ€ is small positive parameter, 0 < ๐œ‡ < ๐‘ , 0 < ๐‘  < 1 , 2 โ‰ค ๐‘

๐‘ ๐‘  < ๐‘ž , the continuous potential ๐‘ is bounded from below by ๐‘ 0

0 , the nonlinearity ๐‘“ has an exponential critical growth at infinity, and ( โˆ’ ฮ” ) โ„˜ ๐‘ 

( โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } ) is the fractional โ„˜ -Laplace operator defined by

( โˆ’ ฮ” ) โ„˜ ๐‘  โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ )

2 โข lim ๐‘Ÿ โ†’ 0 + โˆซ โ„ ๐‘ โˆ– ๐ต ๐‘Ÿ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข  for every  โข ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ ,

up to a normalization constant in the integral, where ๐‘ข โˆˆ ๐ถ 0 โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) and ๐ต ๐‘Ÿ โข ( ๐‘ฅ ) denotes the ball with center ๐‘ฅ of radius ๐‘Ÿ

0 .

Many scholars have studied fractional and nonlocal operators because of their applications in various contexts, for example, in optimization, finance, crystal dislocations, phase transitions, etc. For more on these topics, we refer to Ambrosio [4] and di Nezza et al. [21].

We shall assume that the potential function ๐‘ and the nonlinearity ๐‘“ satisfy the following conditions:

( ๐’ต 1 )

There exists ๐‘ 0

0 such that ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) โ‰ฅ ๐‘ 0 , for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ ;

( ๐’ต 2 )

There exists an open bounded set ฮฉ โŠ‚ โ„ ๐‘ such that

๐‘ 0

inf ๐‘ฅ โˆˆ ฮฉ ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) < min ๐‘ฅ โˆˆ โˆ‚ ฮฉ ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) .

( ๐‘“ 1 )

๐‘“ is a continuous function such that ๐‘“ โข ( ๐‘ก )

0 and for every ๐‘ก โ‰ค 0 and every ๐‘ž 1 , ๐‘ž 2 , such that

๐‘ž 1 โ‰ฅ ๐‘ž , ๐‘ž 2 โ‰ฅ ๐‘ ๐‘  ,

there exist real numbers ๐‘Ž 1

0 , ๐‘Ž 2

0 , and ๐›ฝ 0 , with 0 < ๐›ฝ 0 < ๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ ) , such that

๐‘“ โ€ฒ โข ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘Ž 1 โข | ๐‘ก | ๐‘ž 1 โˆ’ 2 + ๐‘Ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข | ๐‘ก | ๐‘ž 2 โˆ’ 2 โข  for every  โข ๐‘ก โ‰ฅ 0 ,

where (see Parini and Ruf [32] and Zhang [40])

โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐‘ก )

๐‘’ ๐‘ก โˆ’ โˆ‘ ๐‘—

0 ๐‘— ๐‘ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐‘— ๐‘— ! , ๐‘— ๐‘

min { ๐‘— โˆˆ โ„• : ๐‘— โ‰ฅ ๐‘ } ,  and 

๐›ผ โˆ—

๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ )

๐‘ โข [ 2 โข ( ๐‘ โข ๐œ” ๐‘ ) 2 โข ฮ“ โข ( ๐‘ + 1 ) ๐‘ ! โข โˆ‘ ๐‘˜

0 โˆž ( ๐‘ + ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ! ๐‘˜ ! โข 1 ( ๐‘ + 2 โข ๐‘˜ ) ๐‘ ] ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ,

๐œ” ๐‘

๐œ‹ ๐‘ / 2 ฮ“ โข ( 1 + ๐‘ / 2 ) .

(1.1) ( ๐‘“ 2 )

lim ๐‘ก โ†’ 0 + ๐‘“ โ€ฒ โข ( ๐‘ก ) ๐‘ก ๐‘ž โˆ’ 2

0 .

( ๐‘“ 3 )

There exists ๐œƒ > ๐‘ž such that ๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โข ๐‘ก โ‰ฅ ๐œƒ โข ๐น โข ( ๐‘ก ) > 0 , for every ๐‘ก > 0 , where ๐น โข ( ๐‘ก )

โˆซ 0 ๐‘ก ๐‘“ โข ( ๐œ ) โข ๐‘‘ ๐œ .

( ๐‘“ 4 )

There exists ๐›พ 1

0 large enough such that ๐น โข ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐›พ 1 โข | ๐‘ก | ๐œƒ , for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 , where ๐œƒ is as given in ( ๐‘“ 3 ) .

( ๐‘“ 5 )

The function ๐‘ก โ†ฆ ๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โข ๐‘ก 1 โˆ’ ๐‘ž is strictly increasing on โ„ +

( 0 , + โˆž ) .

Once ๐‘ 

1 , problem ( ๐’ฌ ) reduces to a typical ( ๐‘ , ๐‘ž ) -elliptic equation:

โˆ’ ฮ” ๐‘ โข ๐‘ข โˆ’ ฮ” ๐‘ž โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

๐ป โข ( ๐‘ข ) โข  in  โข โ„ ๐‘ ,

(1.2)

where ๐ป is nonlinear reaction, ฮ” โ„˜ โข ๐‘ข

div โข ( | โˆ‡ ๐‘ข | โ„˜ โˆ’ 2 โข โˆ‡ ๐‘ข ) , and โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } . It has been widely studied in physics, biophysics, plasma physics, chemical reaction design and elsewhere. For more physical examples, we refer to Antontsev and Shmarev [8], Benci et al. [9], and Cherfil and Ilโ€™yasov [16], and the references therein. The multiple phases equation was proposed in the study of the Born-Infeld equation (see Bonheure et al. [10], Born and Infeld [11], and Brรฉzis and Lieb [12]), which models electromagnetic fields, electrostatics and electrodynamics, and was a model based on the Maxwell-Lagrangian density

โˆ’ div โข ( โˆ‡ ๐‘ข ( 1 โˆ’ 2 โข | โˆ‡ ๐‘ข | 2 ) 1 / 2 )

โ„Ž โข ( ๐‘ข ) โข in โข โ„ ๐‘ .

When ๐‘

๐‘ž , problem ( ๐’ฌ ) becomes the fractional ๐‘ -Laplace Choquard equation of the form:

๐œ€ ๐‘ โข ๐‘  โข ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) โข | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข

๐œ€ ๐œ‡ โˆ’ ๐‘ โข [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข in  โข โ„ ๐‘ ,

(1.3)

where ๐œ€ > 0 is a sufficiently small parameter, typically the Planck constant and ๐น โข ( ๐‘ก )

โˆซ 0 ๐‘ก ๐‘“ โข ( ๐œ ) โข ๐‘‘ ๐œ . We say that a solution of problem (1.3) is semi-classical if ๐œ€ โ†’ 0 + . From the physics point of view, the semi-classical solution is also a solutions of problem (1.3), when ๐œ€ โ†’ 0 + . Floer and Weinstein [22] established the existence of semi-classical solutions of problem (1.3). A special form of problem (1.3) is

โˆ’ ๐œ€ 2 โข ฮ” โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘ข

๐œ€ ๐œ‡ โˆ’ ๐‘ โข [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข in โข โ„ ๐‘ โข  for every  โข 0 < ๐œ‡ < ๐‘ ,

(1.4)

where ๐‘“ is a nonlinear reaction. It is worth noting that problem (1.4) was introduced in the theory of the Bose-Einstein condensation and used to describe the finite-range many body interactions between particles. There are already many works on this topic. By variational methods, Alves et al. [1] considered the concentration solutions of problem (1.4) in โ„ 2 , where ๐‘“ has exponential critical growth and ๐‘ satisfies some appropriate conditions. Once ๐น โข ( ๐‘ข )

| ๐‘ข | ๐‘ in problem (1.4), one obtains the following Choquard equation

โˆ’ ฮ” โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘ข

( ๐ผ ๐›ผ โˆ— | ๐‘ข | ๐‘ ) โข | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข โข in โข โ„ ๐‘ ,

(1.5)

where ๐ผ ๐›ผ is the Riesz potential, ฮ“ is the Gamma function, and ๐‘ is a potential function.

When ๐‘

๐›ผ

2 , ๐‘

3 , and ๐‘ โข ( ๐‘ฅ )

๐œˆ , problem (1.5) reduces to the Choquard-Pekar type equation

โˆ’ ฮ” โข ๐‘ข + ๐œˆ โข ๐‘ข

( ๐ผ 2 โˆ— ๐‘ข 2 ) โข ๐‘ข ,  for every  โข ๐‘ฅ โˆˆ โ„ 3 ,

(1.6)

which was proposed in 1976 by Lieb [26], in order to describe an electron trapped in its own hole. Problem (1.6) is called the Schrรถdinger-Newton equation. Inspired by the work of Lieb [26] and Lions [28], many researchers have studied the Choquard equation by variational methods.

Recently, these methods have become more useful for establishing the existence of weak solutions of the Choquard equations. For example, Chen and Yang [15] studied the following Choquard equation with upper critical exponent on a bounded domain

โˆ’ ฮ” โข ๐‘ข

๐œ‡ โข ๐‘“ โข ( ๐‘ฅ ) โข | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + ๐‘” โข ( ๐‘ฅ ) โข ( ๐ผ ๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘” โข | ๐‘ข | 2 ๐›ผ โˆ— ) ) โข | ๐‘ข | 2 ๐›ผ โˆ— โˆ’ 2 โข ๐‘ข โข  for every  โข ๐‘ฅ โˆˆ ฮฉ ,

where ๐œ‡

0 is a parameter, ๐‘

4 , 0 < ๐›ผ < ๐‘ , ๐ผ ๐›ผ is the Riesz potential, ๐‘ ๐‘ โˆ’ 2 < ๐‘ < 2 , ฮฉ is a bounded domain with smooth boundary, and ๐‘“ and ๐‘” are continuous functions. For ๐œ‡ small enough, with the help of variational methods, they established the relationship between the number of solutions and the profile of potential ๐‘” .

Yang and Zhao [38] studied the singularly perturbed fractional Choquard equation

๐œ€ 2 โข ๐‘  โข ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘‰ โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘ข

๐œ€ ๐œ‡ โˆ’ 3 โข ( โˆซ โ„ 3 | ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | 2 ๐œ‡ , ๐‘  โˆ— + ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ ) โข ( | ๐‘ข | 2 ๐œ‡ , ๐‘  โˆ— โˆ’ 2 โข ๐‘ข + 1 2 ๐œ‡ , ๐‘  โˆ— โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) ) โข  in  โข โ„ ๐‘ ,

(1.7)

where 2 ๐œ‡ , ๐‘  โˆ—

6 โˆ’ ๐œ‡ 3 โˆ’ 2 โข ๐‘  is the critical exponent in the sense of the Hardy-Littlewood-Sobolev inequality and the continuous function ๐‘“ satisfies subcritical growth conditions. By variational methods, penalization techniques and the Lyusternik-Schnirelmann theory, the authors established the multiplicity and concentration behaviour of solutions for problem (1.7).

We need to point out some recent results: Zuo et al. [44] developed a variational approach, based on the scaling function method to solve optimization problems. Here, the authors dealt with the mass subcritical case, and referred to the fractional framework setting. Zhang et al. [41] considered a class of fractional parabolic equation with general nonlinearities. The authors established monotone increasing property of the positive solutions in one direction. Based on this, nonexistence of the solutions was demonstrated, via a contradiction argument. For more information, we refer to Chen et al. [13, 14], Cingolani and Tanaka [17], Clemente et al. [18], and Bรถer and Miyagaki [19], and the references therein.

For fractional ( ๐‘ , ๐‘ž ) -Laplace problems, some interesting existence and multiplicity results have emerged in recent years. Zhang et al. [42] studied multiplicity and concentration solution for the double phase equation in โ„ ๐‘ , especially, they assumed the nonlinearity of ๐‘“ โˆˆ ๐ถ 1 โข ( โ„ ๐‘ ) and that the continuous potential function satisfies the global condition. Later, using the penalization method, the Ljusternik-Schnirelmann theory, and variational methods, Ambrosio [5] first studied existence of multiple solutions and concentration of the ( ๐‘ , ๐‘ž ) -fractional Choquard equation

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

( | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) in โ„ ๐‘ ,

(1.8)

where ๐œ‡ โˆˆ [ 0 , ๐‘ โข ๐‘  ) , 0 < ๐‘  < 1 ,

1 < ๐‘ < ๐‘ž < ๐‘ ๐‘  ,

๐‘“ has subcritical growth and the potential function ๐‘ satisfies the local conditions. Molica Bisci et al.  [29] extended the results of Zhang et al. [42] to the fractional Choquard problem (1.8), where the potential function ๐‘ โข ( ๐‘ฅ ) satisfies the global condition. With the help of the Ljusternik-Schnirelmann category theory and variational methods, Liang et al. [24] explored the multiplicity and concentration behaviors of solutions for the ( ๐‘ , ๐‘ž ) fractional Choquard equation with exponential growth.

To the best of our knowledge, there are no known results concerning problem ( ๐’ฌ ), when the continuous function ๐‘“ has the exponential growth behavior at infinity in the sense of Trudinger-Moser. Inspired by the results of Liang et al. [24], we show in this paper the existence and concentration behavior of solutions of problem ( ๐’ฌ ) involving exponential growth. In comparison to Liang et al. [24], we assume the nonlinearity and function ๐‘“ is supposed to be only continuous, which makes the corresponding Nehari manifold possibly nondifferentiable. Therefore, we cannot directly use the differentiability of the Nehari manifold. Furthermore, it is not possible to apply the Ljusternik-Schnirelmann category theory on the Nehari manifold in order to obtain the multiplicity of solutions for problem ( ๐’ฌ ). Whereas Liang et al. [24] have ๐‘“ โˆˆ ๐ถ 1 โข ( โ„ ) , we need to apply some other techniques to overcome this difficulty.

In addition, this is the first time that problem ( ๐’ฌ ) with the Trudinger-Moser nonlinearities has been studied in both cases: ๐‘  โˆˆ ( 0 , 1 ) and ๐‘  โ†’ 1 โˆ’ . Comparing with Ambrosio [5], he studied the subcritical growth ๐‘ < ๐‘ ๐‘  and the local case. We obtain the Sobolev embedding from ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) into ๐ฟ ๐‘ก โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐‘ก โˆˆ [ ๐‘ , ๐‘ ๐‘  โˆ— ] . However, in this paper we consider the case ๐‘

๐‘ โข ๐‘  , so the embedding ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) may not exist. To overcome this obstacle, it is essential to apply the fractional Trudinger-Moser inequality, which is the main difference with Ambrosio [5], Molica Bisci et al. [29], and Zhang et al. [42]. The other major challege which we encountered, is the loss of compactness of the Palais-Smale sequences associated with the underlying functionals, corresponding to problems ( ๐’ฌ ) and ( ๐’ฌ ๐œ€ ), so we use certain analytical techniques to overcome this obstacle.

Definition 1.1.

We denote the category of a set ๐ด with respect to a set ๐ต by cat ๐ต โข ( ๐ด ) as the least integer ๐‘˜ such that ๐ด โŠ‚ ๐ด 1 โˆช โ‹ฏ โˆช ๐ด ๐‘˜ , where each ๐ด ๐‘– , ๐‘–

1 , โ‹ฏ , ๐‘˜ , is a closed and contractible subset of ๐ต . We set cat ๐ต โข ( โˆ… )

0 and cat ๐ต โข ( ๐ด )

โˆž if there is no integer with the above property.

Let

โ„ณ

{ ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ : ๐‘ โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ 0 }

(1.9)

and for every ๐›ฟ

0 define

โ„ณ ๐›ฟ

{ ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ : dist โข ( ๐‘ฅ , โ„ณ ) โ‰ค ๐›ฟ } .

We are now ready to state the main results of this paper.

Theorem 1.1.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) , ( ๐’ต 2 ) , and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) are satisfied. Then for every ๐›ฟ > 0 , there exists ๐œ€ ๐›ฟ > 0 such that problem ( ๐’ฌ ) has at least cat โ„ณ ๐›ฟ โข ( โ„ณ ) positive (weak) solutions for every ๐œ€ > 0 satisfying ๐œ€ < ๐œ€ ๐›ฟ . Furthermore, let ๐‘ค ๐œ€ be a solution of problem ( ๐’ฌ ) and ๐œ ๐œ€ its global maximum. Then, up to a subsequence, ๐œ ๐œ€ โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ and lim ๐œ€ โ†’ 0 + ๐‘ โข ( ๐œ ๐œ€ )

๐‘ 0 .

Theorem 1.2.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) , ( ๐’ต 2 ) , and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) are satisfied. Let ๐‘ค ๐œ€ be a solution of problem ( ๐’ฌ ), which exists by Theorem 1.1, and let ๐œ ๐œ€ be its global maximum. Then ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ค ๐œ€ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ + ๐œ ๐œ€ ) converges strongly in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) to a ground state solution ๐‘ข of the following problem

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ 0 โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข  in  โข โ„ ๐‘ .

Remark 1.1.

As ๐‘  โ†’ 1 โˆ’ 1 , condition ( ๐‘“ 1 ) reduces to the following condition

( ๐‘“ 1 ) โ€ฒ Continuous function ๐‘“ โข ( ๐‘ก ) vanishes for every ๐‘ก โˆˆ ( โˆ’ โˆž , 0 ) and for every ๐‘ž 1 , ๐‘ž 2 , with

๐‘ž 1 โ‰ฅ ๐‘ž , ๐‘ž 2

๐‘ ,

there exist constants ๐‘Ž 1

0 , ๐‘Ž 2

0 and ๐›ผ 0 , with 0 < ๐›ฝ 0 < ๐›ผ โˆ— , such that

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘Ž 1 โข | ๐‘ก | ๐‘ž 1 โˆ’ 1 + ๐‘Ž 2 โข โ„‹ ๐‘ โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ 1 ) ) โข | ๐‘ก | ๐‘ž 2 โˆ’ 1 โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ โ„ 0 + ,

where

โ„‹ ๐‘ โข ( ๐‘ก )

๐‘’ ๐‘ก โˆ’ โˆ‘ ๐‘—

0 ๐‘ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐‘— ๐‘— ! , 0 < ๐›ผ โˆ— โ‰ค ๐›ผ โˆ— โข ( 1 , ๐‘ )

lim ๐‘  โ†’ 1 โˆ’ ๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ )

and ๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ ) is given in (1.1).

Invoking Theorem 1.1 and Theorem 1.2 for the case when ๐‘  โ†’ 1 โˆ’ 1 , we get the following results for problem ( ๐’ฌ ), respectively.

Corollary 1.3.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) , ( ๐’ต 2 ) , ( ๐‘“ 1 ) โ€ฒ , and ( ๐‘“ 2 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then for every ๐›ฟ > 0 , there exists ๐œ€ ๐›ฟ > 0 such that problem ( ๐’ฌ ) has at least cat โ„ณ ๐›ฟ โข ( โ„ณ ) positive (weak) solutions for every ๐œ€ โˆˆ ( 0 , ๐œ€ ๐›ฟ ) . Furthermore, let ๐‘ค ๐œ€ be a solution of problem ( ๐’ฌ ) and ๐œ ๐œ€ its global maximum. Then, up to a subsequence, ๐œ ๐œ€ โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ and lim ๐œ€ โ†’ 0 + ๐‘ โข ( ๐œ ๐œ€ )

๐‘ 0 .

Corollary 1.4.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) , ( ๐’ต 2 ) , ( ๐‘“ 1 ) โ€ฒ , and ( ๐‘“ 2 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. If ๐‘ค ๐œ€ is a solution of problem ( ๐’ฌ ), which exists by Corollary 1.3, and ๐œ ๐œ€ is its global maximum, then ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ค ๐œ€ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ + ๐œ ๐œ€ ) converges strongly in ๐‘Š 1 , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐‘Š 1 , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) to a ground state solution ๐‘ข of

โˆ’ ฮ” ๐‘ โข ๐‘ข โˆ’ ฮ” ๐‘ž โข ๐‘ข + ๐‘ 0 โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข  in  โข โ„ ๐‘

and there exist ๐‘

0 , ๐ถ

0 such that | ๐‘ค ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) | โ‰ค ๐ถ โข ๐‘’ โˆ’ ๐‘ โข | ๐‘ฅ โˆ’ ๐œ ๐œ€ | / ๐œ€ , for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ .

The organization of this paper is as follows. In Section 2, we introduce some notations and recall certain technical results which will be needed in the paper. In Section 3, we study the autonomous problem ( ๐’ฌ ๐œ— ) associated to problem ( ๐’ฌ ). In Section 4, we deal with the auxiliary problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ). In addition, we also verify that the Palais-Smale condition holds for its energy functional and apply some new tools to obtain a multiplicity result. In Section 5, we establish the multiplicity of solutions for the modified problem and complete the proof of the main results.

2.Preliminaries

In this section, we state some results and notions which will be used later. For all other background material we refer to the comprehensive monograph by Papageorgiou et al. [31].

Let us recall that ๐‘

๐‘ ๐‘  in problem ( ๐’ฌ ). For 1 < ๐‘ < โˆž , we define the fractional Sobolev space ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) as

๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

{ ๐‘ข โˆˆ ๐ฟ ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) : [ ๐‘ข ] ๐‘  , ๐‘

( โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | 2 โข ๐‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ ) 1 / ๐‘ < โˆž }

and we endow it with the norm

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

( โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + [ ๐‘ข ] ๐‘  , ๐‘ ๐‘ ) 1 / ๐‘ .

By Pucci et al. [33, Lemma 10], the fractional Sobolev space ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) is a uniformly convex Banach space.

Now, fix ๐œ—

0 and endow ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) with the norm

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

( ๐œ— โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + [ ๐‘ข ] ๐‘  , ๐‘ ๐‘ ) 1 / ๐‘ .

Obviously, the norm โˆฅ โ‹… โˆฅ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) is equivalent to โˆฅ โ‹… โˆฅ ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) on ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) .

Let conditions ( ๐’ต 1 ) and ( ๐’ต 2 ) be satisfied. We denote by ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) the completion of ๐ถ 0 โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) , with norm

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

( [ ๐‘ข ] ๐‘  , ๐‘ ๐‘ + โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘ , ๐‘ , ๐œ€ ๐‘ ) 1 / ๐‘ , โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘ , ๐‘ , ๐œ€ ๐‘

โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข  for every  โข ๐œ€

0 .

Pucci et al.  [33, Lemma 10] showed that ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) is also a uniformly convex Banach space for 1 < ๐‘ < โˆž . Moreover, ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) is a reflexive Banach space. Invoking conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) , and Di Nezza et al. [21, Theorem 6.9], we obtain the continuous embedding ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) for arbitrary ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) .

Let ๐‘  โˆˆ ( 0 , 1 ) and ๐‘ , ๐‘ž โˆˆ ( 1 , โˆž ) . The natural solution space of problem ( ๐’ฌ ) is defined as

๐’ฒ ๐œ€

๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ )

and is equipped with the norm

โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) + โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) .

With the aid of above definitions, assumptions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ๐’ต 2 ) , and the fact that ๐‘

๐‘ ๐‘  , it is easy to get the continuous embeddings

๐’ฒ ๐œ€ โ†ช ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) โข  for every  โข ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) .

Therefore, there exist the best constants

๐‘† ๐œˆ , ๐œ€

inf ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€

๐‘ข โ‰  0 โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€ โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) โข  for every  โข ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) .

By a change of variable ๐‘ฅ โ†ฆ ๐œ€ โข ๐‘ฅ , problem ( ๐’ฌ ) becomes equivalent to the following equation

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ / ๐‘  ๐‘  โข ๐‘ข + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ ๐‘  โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข  in  โข โ„ ๐‘

( ๐’ฌ ๐œ€ )

which is variational and the (weak) solutions of problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ) satisfy the following definition.

Definition 2.1.

Let ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ . If for every ๐œ‘ โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ , we have

โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž }
โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

+ โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข ) โข ๐œ‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ ,

then ๐‘ข is called a weak solution of problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ).

3.The autonomous problem ( ๐’ฌ ๐œ— )

Fix ๐œ—

0 . In this section, we shall consider the autonomous problem ( ๐’ฌ ๐œ— ) , associated with problem ( ๐’ฌ ), that is

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ / ๐‘  ๐‘  โข ๐‘ข + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐œ— โข ( | ๐‘ข | ๐‘ ๐‘  โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข in โข โ„ ๐‘ .

( ๐’ฌ ๐œ— )

We consider the Euler-Lagrange functional โ„ฐ ๐œ— : ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) โ†’ โ„ corresponding to problem ( ๐’ฌ ๐œ— ) as follows

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ข )

1 ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โ„’ ๐œ‡ โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ ,

(3.1)

where

โ„’ ๐œ‡ โข ( ๐‘ข ) โข ( ๐‘ฅ )

โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ .

Here, ๐’ฒ

๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) is the Banach space, with the norm

โ€– ๐‘ข โ€–

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) + โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) .

We also endow ๐’ฒ with the equivalent norm

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) + โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) .

Thus, ๐’ฒ is a uniformly convex Banach space and so ๐’ฒ is also a reflexive Banach space. By Di Nezza et al. [21, Theorem 6.9 ], we obtain the continuous embeddings

๐’ฒ โ†ช ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) โข  for every  โข ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) .

Hence, there exists the best constant ๐ด ๐œˆ , ๐œ‚

0 given by

๐ด ๐œˆ , ๐œ—

inf ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ

๐‘ข โ‰  0 โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) โข  for every  โข ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) .

Lemma 3.1.

(see Zhang [40, Theorem 1.1]) Let ๐‘  โˆˆ ( 0 , 1 ) and ๐‘

๐‘  โข ๐‘ . Then for every ๐›ผ , with 0 < ๐›ผ < ๐›ผ โˆ— โ‰ค ๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ ) ,

sup ๐‘ฃ โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค 1 โˆซ โ„ ๐‘ โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ผ โข | ๐‘ฃ | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < โˆž ,

where  โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐‘ก )

๐‘’ ๐‘ก โˆ’ โˆ‘ ๐‘—

0 ๐‘— ๐‘ โˆ’ 2 ๐‘ก ๐‘— ๐‘— ! , ๐‘— ๐‘

min { ๐‘— โˆˆ โ„• : ๐‘— โ‰ฅ ๐‘ } .

Moreover, for ๐›ผ

๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ ) ,

sup ๐‘ฃ โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค 1 โˆซ โ„ ๐‘ โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ผ โข | ๐‘ฃ | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆž ,

where

๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ )

๐‘ โข ( 2 โข ( ๐‘ โข ๐œ” ๐‘ ) 2 โข ฮ“ โข ( ๐‘ + 1 ) ๐‘ ! โข โˆ‘ ๐‘˜

0 + โˆž ( ๐‘ + ๐‘˜ โˆ’ 1 ) ! ๐‘˜ ! โข 1 ( ๐‘ + 2 โข ๐‘˜ ) ๐‘ ) ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  )

๐‘ โข ( ๐›พ ๐‘  , ๐‘ ) ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) .

Remark 3.1.

In Lemma 3.1, if we take the norm โˆฅ . โˆฅ ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) , then

( max โก { 1 , ๐œ— } ) โˆ’ 1 / ๐‘ โข โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค ( min { 1 , ๐œ— } ) โˆ’ 1 / ๐‘ โข โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) , ๐‘ฃ โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) .

Moreover,

sup ๐‘ฃ โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ )

โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค ( min { 1 , ๐œ— } ) ๐‘  / ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ผ โข | ๐‘ฃ | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < โˆž โข  for every  โข ๐›ผ , 0 < ๐›ผ < ๐›ผ โˆ— โ‰ค ๐›ผ โˆ— โข ( ๐‘  , ๐‘ ) .

Lemma 3.2 (The Hardy-Littlewood-Sobolev inequality, see Lieb [26, 27]).

Let ๐‘Ÿ , ๐‘ก

1 , and 0 < ๐œ‡ < ๐‘ such that

1 ๐‘Ÿ + ๐œ‡ ๐‘ + 1 ๐‘ก

2 .

Then there exists a sharp constant ๐ถ โข ( ๐‘Ÿ , ๐‘ , ๐œ‡ , ๐‘ก )

0 such that

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฆ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โ‰ค ๐ถ โข ( ๐‘Ÿ , ๐‘ , ๐œ‡ , ๐‘ก ) โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ ๐‘Ÿ โข ( โ„ ๐‘ ) โข โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐ฟ ๐‘ก โข ( โ„ ๐‘ ) โข  for every  โข ๐‘ข โˆˆ ๐ฟ ๐‘Ÿ โข ( โ„ ๐‘ ) , ๐‘ฃ โˆˆ ๐ฟ ๐‘ก โข ( โ„ ๐‘ ) .

Since ๐‘Ÿ

๐‘ก , we can use Lemma 3.2 and the following equality

2 ๐‘ก + ๐œ‡ ๐‘

2 ,

that is, when ๐‘ก

2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , then the integral

โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐น โข ( ๐‘ข ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ for every โข ๐น โข ( ๐‘ข )

| ๐‘ข | ๐‘ž

is well-defined on ๐ฟ ๐‘ก โข ( โ„ ๐‘ ) , with ๐‘ก

2 โข ๐‘ / ( 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ ) , along every ๐‘ข โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) , provided that ๐‘ž โข ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ ๐‘  , due to the continuous embedding ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) . Hence,

๐‘ž โ‰ฅ ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ก

2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘  .

Consequently, Lemma 3.1, assumption ( ๐‘“ 1 ) and the fact that ๐ถ 0 โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) is dense in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) , imply that  โ„ฐ ๐œ— is well-defined on ๐’ฒ and of class ๐ถ 1 โข ( ๐’ฒ ) . Furthermore, for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ,

โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐‘ข ) , ๐œ‘ โŸฉ

โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆซ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

  • ๐œ— โข โˆซ โ„ ๐‘ ( | ๐‘ข | ๐‘ ๐‘  โˆ’ 2 โข ๐‘ข
  • | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข ) โข ๐œ‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข  for every  โข ๐œ‘ โˆˆ ๐’ฒ .

Here โŸจ โ‹… , โ‹… โŸฉ is the dual pairing between ๐’ฒ and its dual space ๐’ฒ โ€ฒ . Consequently, the (weak) solutions of problem (3.1) are also the critical points of ๐’ฅ ๐œ— in  ๐’ฒ .

Lemma 3.3.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) , ( ๐‘“ 1 ) , and ( ๐‘“ 5 ) hold. Then there exist constants ๐‘ก 0 , ๐œŒ 0 > 0 such that โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐œŒ 0 , for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ , with โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

๐‘ก 0 .

Proof.

By condition ( ๐‘“ 1 ) , with

๐‘ž 1 โ‰ฅ ๐‘ž

๐‘ ๐‘ 

2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘  , ๐‘ž 2 โ‰ฅ ๐‘ ๐‘  ,

there exist ๐‘Ž 1

0 , ๐‘Ž 2

0 such that

๐‘“ โ€ฒ โข ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘Ž 1 โข | ๐‘ก | ๐‘ž 1 โˆ’ 2 + ๐‘Ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข | ๐‘ก | ๐‘ž 2 โˆ’ 2 โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ โ„ .

This implies that

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘Ž 1 โข | ๐‘ก | ๐‘ž 1 โˆ’ 1 + ๐‘Ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข | ๐‘ก | ๐‘ž 2 โˆ’ 1 โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ โ„ .

Therefore, we get

| ๐น โข ( ๐‘ก ) | โ‰ค ๐‘Ž 1 โข | ๐‘ก | ๐‘ž 1 + ๐‘Ž 2 โข | ๐‘ก | ๐‘ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ โ„ .

(3.2)

By Lemma 3.2, we obtain that

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โ‰ค ๐ถ โข ( ๐‘Ÿ , ๐‘ , ๐œ‡ ) โข โ€– ๐น โข ( ๐‘ข ) โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) 2 โข  for every  โข ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ .

(3.3)

Moreover, (3.2) yields that

โ€– ๐น โข ( ๐‘ข ) โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค ๐‘Ž 1 โข โ€– ๐‘ข ๐‘ž 1 โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) + ๐‘Ž 2 โข โ€– | ๐‘ข | ๐‘ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ข | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) .

(3.4)

Applying the Hรถlder inequality with ๐œ… > 1 and ๐œ… โ€ฒ > 1 close to 1 , 1 / ๐œ… + 1 / ๐œ… โ€ฒ

1 , and using the arguments from the proof of Li and Yang [23, Lemma 2.3 ], we can show that for every

๐”ฉ

2 โข ๐‘ โข ๐œ… โ€ฒ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ ,

there exists a constant ๐ถ โข ( ๐”ฉ )

0 such that

( โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) ) 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โ€ฒ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โ‰ค ๐ถ โข ( ๐”ฉ ) โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ โ„ .

(3.5)

Hence, (3.5) implies that for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ,

โ€– | ๐‘ข | ๐‘ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ข | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โ€– 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ )

( โˆซ โ„ ๐‘ ( | ๐‘ข | ๐‘ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ข | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) ) 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ ) 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘

โ‰ค โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ ๐‘ž 2 โข ( โˆซ โ„ ๐‘ ๐ถ โข ( ๐”ฉ ) โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ข | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ ) 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘ .

(3.6)

We apply Lemma 3.1, taking โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ small enough, and get

๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) โ‰ค ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ผ โˆ— ,

(3.7)

hence

โˆซ โ„ ๐‘ โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข | ๐‘ข | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆซ โ„ ๐‘ โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) โข ( | ๐‘ข | โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < โˆž .

(3.8)

Together with (3.3)-(3.8), assuming โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ to be small enough, we conclude that there exist appropriate constants ๐”ฅ 1

0 and ๐”ฅ 2

0 such that

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โ‰ค ๐”ฅ 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) 2 โข ๐‘ž 1 + ๐”ฅ 2 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘ž 2 .

(3.9)

Thus, by (3.1) and the continuity of the embeddings ๐’ฒ โ†ช ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ ๐‘ก โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐‘ก โ‰ฅ ๐‘ / ๐‘  , we obtain that

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ข )

โ‰ฅ ๐‘  ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  + 1 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ ๐”ฅ 1 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 1 โˆ’ ๐”ฅ 2 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 2 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 2

โ‰ฅ 2 1 โˆ’ ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ๐‘ž โˆ’ ๐”ฅ 1 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 1 โˆ’ ๐”ฅ 2 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 2 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 2

(3.10)

for โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ small enough. Let

๐’ž โข ( ๐‘ก )

2 1 โˆ’ ๐‘ž ๐‘ž โˆ’ ๐”ž 1 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 1 โข ๐‘ก 2 โข ๐‘ž 1 โˆ’ ๐‘ ๐‘  โˆ’ ๐”ฅ 2 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 2 โข ๐‘ก 2 โข ๐‘ž 2 โˆ’ ๐‘ ๐‘  , ๐‘ก โ‰ฅ 0 .

We claim that there exists ๐‘ก 0

0 so small that

๐’ž โข ( ๐‘ก 0 ) โ‰ฅ 2 1 โˆ’ ๐‘ž 2 โข ๐‘ž

๐’ž 0 .

Clearly, ๐’ž is continuous in โ„ 0 + and lim ๐‘ก โ†’ 0 + ๐’ž โข ( ๐‘ก )

2 โข ๐’ž 0 , so there exists ๐‘ก 0 such that ๐’ž โข ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐’ž 0 , for every ๐‘ก โˆˆ [ 0 , ๐‘ก 0 ] . We take ๐‘ก 0 even smaller, if necessary, so that โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

๐‘ก 0 satisfies (3.7). This proves the claim. Hence โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐’ž 0 โข ๐‘ก 0 ๐‘ž

๐œŒ 0 , for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ , with โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

๐‘ก 0 . This completes the proof of Lemma 3.3. โˆŽ

In the sequel, ๐’œ ๐œ‡ : ๐’ฒ โ†’ โ„ will denote the functional

๐’œ ๐œ‡ โข ( ๐‘ข )

1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โ„’ ๐œ‡ โข ( ๐‘ข ) โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ ,

(3.11)

where โ„’ ๐œ‡ is given in (3.1).

Lemma 3.4.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) , ( ๐’ต 2 ) , and ( ๐‘“ 4 ) hold. Then there exists a nonnegative function ๐‘ฃ โˆˆ ๐ถ 0 โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) , with โ€– ๐‘ฃ โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

๐‘ก 0 , such that โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ฃ ) < 0 , where ๐‘ก 0

0 is the number given by Lemma 3.3.

Proof.

Fix ๐‘ข 0 โˆˆ ๐ถ 0 โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) โˆ– { 0 } , with ๐‘ข 0 โ‰ฅ 0 in โ„ ๐‘ . Set

โ„‹ ๐œ‡ โข ( ๐‘ก )

๐’œ ๐œ‡ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 / โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) for every ๐‘ก

0 ,

where ๐’œ ๐œ‡ is defined in (3.11). Condition ( ๐‘“ 4 ) gives

โ„‹ ๐œ‡ โ€ฒ โข ( ๐‘ก )

โ„‹ ๐œ‡ โ€ฒ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 / โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) โข ๐‘ข 0 โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 / โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 / โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) โข ๐‘ข 0 โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

๐œƒ ๐‘ก โข โ„‹ ๐œ‡ โข ( ๐‘ก ) .

Integrating the above inequality on [ 1 , ๐‘ก โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ] , with ๐‘ก

1 / โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ , we get

โ„‹ ๐œ‡ โข ( ๐‘ก โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) โ‰ฅ โ„‹ ๐œ‡ โข ( 1 ) โข ( ๐‘ก โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) ๐œƒ

which implies that

๐’œ ๐œ‡ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 ) โ‰ฅ ๐’œ ๐œ‡ โข ( ๐‘ข 0 โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ๐œƒ โข ๐‘ก ๐œƒ .

Therefore, we have

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 )

๐‘  โข ๐‘ก ๐‘ / ๐‘  ๐‘ โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  + ๐‘ก ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โ„’ ๐œ‡ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 ) โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐น โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข 0 ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐‘  โข ๐‘ก ๐‘ / ๐‘  ๐‘ โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  + ๐‘ก ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ โ„’ ๐œ‡ โข ( ๐‘ข 0 โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ ) โข โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— ๐œƒ โข ๐‘ก ๐œƒ

for every ๐‘ก > 1 / โ€– ๐‘ข 0 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ , choosing ๐‘ฃ

๐‘ก โข ๐‘ข 0 and ๐‘ก large enough. This completes the proof of Lemma 3.4. โˆŽ

Lemmas 3.3 and 3.4 show that โ„ฐ ๐œ— satisfies the geometric conditions of the Mountain Pass Theorem, therefore there exists a Palais-Smale sequence { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฒ for โ„ฐ ๐œ— at level ๐‘ ๐œ— , briefly ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ— , that is,

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐œ— and โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ 0 โข  in  ๐’ฒ โ€ฒ ,  as  โข ๐‘› โ†’ โˆž ,

๐‘ ๐œ—

inf ๐œ โˆˆ ฮ  max ๐‘ก โˆˆ [ 0 , 1 ] โก โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐œ โข ( ๐‘ก ) ) ,

(3.12)

where ฮ 

{ ๐œ โˆˆ ๐ถ โข ( [ 0 , 1 ] , ๐’ฒ ) : ๐œ โข ( 0 )

0 , โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐œ โข ( 1 ) ) < 0 } . We denote Nehari manifold โ„ณ ๐œ— related to โ„ฐ ๐œ— by

โ„ณ ๐œ—

{ ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ
{ 0 } : โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐‘ข ) , ๐‘ข โŸฉ

0 } .

Let us define

๐’ฏ ๐œ— + := { ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ : | supp โข ( ๐‘ข + ) |

0 }

(3.13)

and ๐•Š ๐‘ 0 +

๐•Š ๐‘ 0 โˆฉ ๐’ฏ ๐œ— + , where ๐•Š ๐œ— is the unit sphere in ๐’ฒ . We know that ๐’ฏ ๐œ— + is an open subset of ๐’ฒ .

Invoking the fact above and the definition of ๐•Š ๐œ— + , we obtain that ๐•Š ๐œ— + is an incomplete ๐ถ 1 , 1 -manifold of codimension 1 modelled on ๐’ฒ and contained in ๐’ฏ ๐œ— + . Therefore, ๐’ฒ

๐‘‡ ๐‘ข โข ๐•Š ๐‘ 0 + โŠ• โ„ โข ๐‘ข for every ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐‘ 0 + , where

๐‘‡ ๐‘ข โข ๐•Š ๐œ— +

{ ๐‘ฃ โˆˆ ๐‘Š : โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  ๐‘‘ ๐‘ฅ ๐‘‘ ๐‘ฆ

+ โˆซ โ„ ๐‘ ๐œ— ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 ๐‘ข ) ๐œ‘ ๐‘‘ ๐‘ฅ

0 } .

Since ๐‘“ is only continuous, the following result plays an important role in overcoming the nondifferentiability of โ„ณ ๐œ— and the incompleteness of ๐•Š ๐œ— .

Lemma 3.5.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then

( ๐‘– )

For every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฏ ๐œ— + and โ„ฌ ๐‘ข : [ 0 , โˆž ) โ†’ โ„ , defined as โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก ) := โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข ) , there exists a unique ๐‘ก ๐‘ข

0 such that โ„ฌ ๐‘ข โ€ฒ โข ( ๐‘ก )

0 in ( 0 , ๐‘ก ๐‘ข ) and โ„ฌ ๐‘ข โ€ฒ โข ( ๐‘ก ) < 0 on ( ๐‘ก ๐‘ข , + โˆž ) .

( ๐‘– โข ๐‘– )

โ„ณ ๐œ— is bounded away from 0 and โ„ณ ๐œ— is closed in ๐’ฒ . There exists ๐œ

0 independent on ๐‘ข , such that ๐‘ก ๐‘ข โ‰ฅ ๐œ , for every ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐œ— . Moreover, for each compact set ๐’ฆ โŠ‚ ๐•Š ๐œ— , there exists ๐ถ ๐’ฆ such that ๐‘ก ๐‘ข โ‰ค ๐ถ ๐’ฆ , for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฆ .

( ๐‘– โข ๐‘– โข ๐‘– )

The map ๐‘š ~ ๐œ— : ๐’ฏ ๐œ— + โ†’ โ„ณ ๐œ— , given by ๐‘š ~ ๐œ— โข ( ๐‘ข )

๐‘ก ๐‘ข โข ๐‘ข , is continuous and ๐‘š ๐œ— := ๐‘š ~ ๐œ— | ๐•Š ๐œ— + is a homeomorphism between ๐•Š ๐œ— + and โ„ณ ๐œ— , and ๐‘š ๐œ— โˆ’ 1 โข ( ๐‘ข )

๐‘ข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ .

Proof.

For every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฏ ๐œ— + and ๐‘ก โ‰ฅ 0 ,

โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก )

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข )

๐‘ก ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ .

By (3.9), (3) and the continuity of the embeddings ๐’ฒ โ†ช ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โ†ช ๐ฟ ๐‘ก โข ( โ„ ๐‘ ) for every ๐‘ก โˆˆ [ ๐‘ ๐‘  , + โˆž ) , we get

โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก )

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐‘ก ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ ๐”ž 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) 2 โข ๐‘ž 1 โˆ’ ๐ท โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘ž 2

โ‰ฅ ๐‘ก ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ ๐‘ก 2 โข ๐‘ž 1 โข ๐”ž 1 โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 1 โˆ’ ๐‘ก 2 โข ๐‘ž 2 โข ๐ท โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐œ… โข ๐‘ž 2 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 2 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 2

(3.14)

which yields โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก ) โ†’ 0 + , as ๐‘ก โ†’ 0 + . Moreover, we obtain that โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก ) โ†’ โˆ’ โˆž , as ๐‘ก โ†’ โˆž . Therefore, there exists ๐‘ก ๐‘ข โˆˆ ( 0 , โˆž ) such that โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก ๐‘ข )

max ๐‘ก โ‰ฅ 0 โก โ„ฌ ๐‘ข โข ( ๐‘ก ) . Furthermore, โ„ฌ ๐‘ข โ€ฒ โข ( ๐‘ก ๐‘ข )

0 . Now we shall verify that ๐‘ก ๐‘ข is a unique critical point of โ„ฌ ๐‘ข in ( 0 , โˆž ) . Arguing by contradiction, suppose that there exist 0 < ๐‘ก 1 < ๐‘ก 2 < โˆž such that โ„ฌ ๐‘ข โ€ฒ โข ( ๐‘ก 1 )

โ„ฌ ๐‘ข โ€ฒ โข ( ๐‘ก 2 )

0 . Consequently, we have

๐‘ก 1 ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก 1 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

and

๐‘ก 2 ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก 2 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ .

By two equalities above and ( ๐‘“ 4 ) , we obtain

0
< ( 1 ๐‘ก 1 ๐‘ž โˆ’ ๐‘ โˆ’ 1 ๐‘ก 2 ๐‘ž โˆ’ ๐‘ ) โˆฅ โข ๐‘ข โˆฅ ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ 1 | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข | ๐น โข ( ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ( ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ๐‘ž 2 โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) ( ๐‘ก 1 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) ๐‘ž 2 โˆ’ 1 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ๐‘ž 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) ๐‘ž 2 | โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ 1 | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข | ๐น โข ( ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ( ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ๐‘ž 2 โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) ( ๐‘ก 2 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) ๐‘ž 2 โˆ’ 1 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ๐‘ž 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) ๐‘ž 2 | โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

< 0

which is impossible. Therefore, we have completed the proof of ( ๐‘– ) .

( ๐‘– โข ๐‘– ) Let ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— . We shall prove that the first part of conclusion is true in the following two cases.

Case 1. โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  )

๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข ๐œŽ ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) .

In this case we are done.

Case 2. โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข ๐œŽ ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) .

Applying the Trudinger-Moser inequality, we obtain

sup ๐‘ข โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โˆซ โ„ ๐‘ ฮฆ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ผ 0 โข | ๐‘ข | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < + โˆž โข  for every  โข 0 โ‰ค ๐›ผ < ๐›ผ โˆ— .

(3.15)

Using the Hardy-Littlewood-Sobolev inequality again and ( ๐‘“ 3 ) , it follows that

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ค ๐ถ โข โ€– ๐น โข ( ๐‘ข ) โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข โ€– ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โ‰ค ๐ถ โข โ€– ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 .

By ( ๐‘“ 1 ) and ( ๐‘“ 2 ) , for every ๐œ€ โˆ—

0 and ๐‘ž 1 โ‰ฅ ๐‘ž

๐‘ ๐‘ 

2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โข ๐‘  and ๐‘ž 2 โ‰ฅ ๐‘ ๐‘  , there exists ๐ถ ๐‘ž , ๐œ€ โˆ—

0 such that

โ€– ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โ‰ค ๐œ€ โˆ— โข โ€– | ๐‘ข | ๐‘ž 1 โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ + ๐ถ ๐‘ž , ๐œ€ โˆ— โข โ€– | ๐‘ข | ๐‘ž 2 โข โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ผ 0 โข | ๐‘ก | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡

(3.16)

for every ๐‘ก โ‰ฅ 0 . Using inequality (3.16) and the definition of ๐ด ๐œˆ , ๐œ— , there exists a constant ๐ถ โข ( ๐œ€ โˆ— ) such that

โ€– ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข ๐‘ข โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โ‰ค ๐œ€ โˆ— โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 1 + ๐ถ โข ( ๐‘ž , ๐œ€ โˆ— ) โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 2 โข  for some  โข ๐‘ž 1 โ‰ฅ ๐‘ž , ๐‘ž 2 โ‰ฅ ๐‘ ๐‘  .

(3.17)

In view of โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐‘ข ) , ๐‘ข โŸฉ

0 , we get

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐œ€ โˆ— โข ๐ด 2 โข ๐‘ โข ๐‘ž 1 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ , ๐œ— โˆ’ 2 โข ๐‘ž 1 โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 1 + ๐ถ โข ( ๐‘ž , ๐œ€ โˆ— ) โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ 2 โข ๐‘ž 2 .

Therefore

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โ‰ฅ ๐›ผ for every  โข ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— .

(3.18)

For any sequence { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ โ„ณ ๐œ— , such that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ , we have to prove that ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— . Indeed, by the fact that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ , we obtain โ€– ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โ†’ 0 , as ๐‘› โ†’ โˆž . Using the discussion as in Willem [37, Lemma A.1], there exists a subsequence { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› of { ๐‘ข ๐‘› } ๐‘› satisfying โ€– ๐”ฒ ๐‘– + 1 โˆ’ ๐”ฒ ๐‘– โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โ‰ค 2 โˆ’ ๐‘– for every ๐‘– โ‰ฅ 1 . We denote ๐’ฐ โข ( ๐‘ฅ ) := | ๐”ฒ 1 โข ( ๐‘ฅ ) | + โˆ‘ ๐‘–

1 โˆž | ๐”ฒ ๐‘– + 1 โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘– โข ( ๐‘ฅ ) | . Together with the fact that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ , we obtain | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ‰ค ๐’ฐ โข ( ๐‘ฅ ) for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ and | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | โ‰ค ๐’ฐ โข ( ๐‘ฅ ) in โ„ ๐‘ . Clearly, โ€– ๐’ฐ โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โ‰ค โ€– ๐”ฒ 1 โ€– ๐œ— , ๐’ฒ + โˆ‘ ๐‘–

1 โˆž 2 โˆ’ ๐‘– < + โˆž , hence ๐’ฐ โˆˆ ๐’ฒ .

Since { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a subsequence of { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› , we have

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

lim ๐‘› โ†’ โˆž โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

(3.19)

We shall now prove

lim ๐‘› โ†’ โˆž โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐”ฒ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

(3.20)

We have

| | ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โˆ’ | ๐น โข ( ๐”ฒ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ | โ‰ค 2 โข | ๐น โข ( ๐’ฐ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐’ฐ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ .

Now we shall show that

| ๐น โข ( ๐’ฐ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐’ฐ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐’ฐ โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โˆˆ ๐ฟ 1 โข ( โ„ ๐‘ ) .

(3.21)

By Zhang et al. [39, Lemma 2.4], we have

โˆซ โ„ ๐‘ โ„‹ ๐‘ , ๐‘  โข ( ๐›ผ 0 โข | ๐’ฐ | ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < + โˆž .

(3.22)

Together with (3.16)-(3.17), we deduce (3.21). Therefore,

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โˆˆ ๐ฟ 1 โข ( โ„ ๐‘ ) .

Furthermore,

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ†’ 0 ,

pointwisely on โ„ ๐‘ outside a set of measure zero. By the Dominated Convergence Theorem, we obtain that (3.20) is true. By ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ โข ( โ„ ๐‘ ) , we have

โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

which yields ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— .

In the sequel, we shall verify that the second part of the conclusion is also true.

Applying ( ๐‘– ) , there exists ๐‘ก ๐‘ข

0 such that ๐‘ก ๐‘ข โข ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— for every ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐œ— . Therefore, it follows from (3.18) that ๐‘ก ๐‘ข โ‰ฅ ๐›ผ . We shall argue by contradiction that ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ ๐’ฆ satisfies ๐‘ก ๐‘› := ๐‘ก ๐”ฒ ๐‘› โ†’ โˆž . Due to the compactness of ๐’ฆ , we may suppose that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ . Then ๐‘ข โˆˆ ๐’ฆ โŠ‚ ๐•Š ๐œ— . By ( ๐‘“ 4 ) , we obtain

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› )

1 ๐‘ โข ๐‘ก ๐‘› ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โข ๐‘ก ๐‘› ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐น โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โ‰ฅ 1 ๐‘ โข ๐‘ก ๐‘› ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โข ๐‘ก ๐‘› ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ ๐›พ 1 2 โข ๐‘ก ๐‘› 2 โข ๐œƒ โข โ€– | ๐”ฒ ๐‘› | ๐œƒ โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) 2 โ†’ โˆ’ โˆž

due to ๐œƒ

๐‘ž . However, since ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ โ„ณ ๐œ— , we have

โ„ฐ ๐œ— | โ„ณ ๐œ— โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› )

1 ๐‘ โข ๐‘ก ๐‘› ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โข ๐‘ก ๐‘› ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข [ 1 ๐‘ โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ 1 2 โข ๐น โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) ] โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ 0

which is impossible.

By ( ๐‘– ) โˆ’ ( ๐‘– โข ๐‘– ) and the arguments from the proof of Szulkin and Weth [34, Proposition 3.1], we obtain ( ๐‘– โข ๐‘– โข ๐‘– ) . This completes the proof of Lemma 3.5. โˆŽ

Remark 3.2.

By Lemma 3.5, the least energy ๐‘ ๐‘ 0 satisfies the following equality:

๐‘ ๐œ—

inf ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ข )

inf ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ
{ 0 } max ๐‘ก > 0 โก โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข )

inf ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐œ— max ๐‘ก

0 โก โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข ) .

(3.23)

Considering the functional ฮฆ ๐œ— : ๐’ฎ ๐œ— โ†’ โ„ given by

ฮฆ ๐œ— โข ( ๐œ” ) := โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘š ๐œ— โข ( ๐œ” ) )

(3.24)

similarly to Szulkin and Weth [34, Corollary 3.3], we have:

Lemma 3.6.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then the following statements are true:

( ๐‘– )

If { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ— sequence for ฮฆ ๐œ— , then { ๐‘š ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) } is a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ— sequence for โ„ฐ ๐œ— . If { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ โ„ณ ๐œ— is a bounded ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ— sequence for โ„ฐ ๐œ— , then { ๐‘š ๐œ— โˆ’ 1 โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) } ๐‘› is a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ— sequence for ฮฆ ๐œ— .

( ๐‘– โข ๐‘– )

๐‘ข is a critical point of ฮฆ ๐œ— if and only if ๐‘š ๐œ— โข ( ๐‘ข ) is a nontrivial critical point of โ„ฐ ๐œ— . Moreover, inf โ„ณ ๐œ— โ„ฐ ๐œ—

inf ๐’ฎ ๐œ— ฮฆ ๐œ— .

Lemma 3.7.

(see Liang et al. [25, Lemma 5]) Let ( ๐‘“ 1 ) be satisfied. We suppose that { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a sequence in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) such that

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข ๐œŽ ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) for some ๐”ฉ

1 ,

where ๐œŽ

min { 1 , ๐œ— } . Then there exists ๐ถ 0

0 such that

| | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) | โ‰ค ๐ถ 0 โข  for every  โข ๐‘› .

Lemma 3.8.

(see Molica Bisci et al. [30, Lemma 4]) Let ๐œ โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) . If { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a bounded sequence in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) and

lim ๐‘› โ†’ โˆž sup ๐‘ฆ โˆˆ โ„ ๐‘ โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | ๐œ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

0

for some ๐‘…

0 , then ๐”ฒ ๐‘› โ†’ 0 in ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐œˆ โˆˆ ( ๐œ , โˆž ) .

As in the proof of Molica Bisci et al. [30, Theorem 7], we get

Lemma 3.9.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) hold. Then

lim sup ๐‘ก โ†’ 0 + ๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โข ๐‘ก 1 โˆ’ ๐œ

0

for some ๐œ โ‰ฅ ๐‘ / ๐‘  . Let { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฒ be weakly convergent to 0 and such that

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข ๐œŽ ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ,

where ๐›ฝ 0 , ๐›ผ โˆ— are given in ( ๐‘“ 1 ) and (1.1), ๐œŽ

min { 1 , ๐œ— } , and ๐”ฉ

1 is a suitable constant. If there exists ๐‘…

0 such that

lim inf ๐‘› โ†’ โˆž sup ๐‘ฆ โˆˆ โ„ ๐‘ โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | ๐”ฒ ๐‘› | ๐œ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

0 ,

then

โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐”ฒ ๐‘› โ†’ 0 and โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ 0 โข  as  โข ๐‘› โ†’ โˆž .

Lemma 3.10.

(see Liang et al. [24, Lemma 2.6]) Suppose that conditions ( ๐‘“ 3 ) and ( ๐‘“ 4 ) hold. Then there exists a constant ๐ถ ๐›พ 1 such that ๐œŒ 0 โ‰ค ๐‘ ๐œ— โ‰ค ๐ถ ๐›พ 1 , where ๐œŒ 0 is the number determined by Lemma  3.3 ,

๐›พ 1 is the constant given in ( ๐‘“ 4 ) ,

๐ถ ๐›พ 1

๐‘Ž โข ( 1 โˆ’ ๐‘ 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  ) โข ( ๐‘Ž โข ๐‘ 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  โข ๐‘ ) ๐‘ / ( 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  โˆ’ ๐‘ ) ,

and

๐‘Ž

๐‘  ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ ๐‘  + 1 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž .

Proposition 3.1.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then problem ( ๐’ฌ ๐œ— ) has a nontrivial nonnegative (weak) solution.

Proof.

By Lemmas 3.3 and 3.4, there exists a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ— sequence { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฒ , satisfying (3.12). We shall divide the proof into two steps.

Step 1. { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a bounded sequence in ๐’ฒ .

Up to a subsequence, we may suppose that { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is strongly convergent in ๐’ฒ . From (3.12), we have

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โˆ’ 1 ๐œƒ โข โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

๐‘ ๐œ— + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐’ฒ โข  as  โข ๐‘› โ†’ โˆž ,

(3.25)

where ๐œƒ is given in ( ๐‘“ 3 ) . Moreover,

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โˆ’ 1 ๐œƒ โข โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

( ๐‘  ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  + ( 1 ๐‘ž โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

  • โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข [ 1 ๐œƒ โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ 1 2 โข ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ .

Condition ( ๐‘“ 2 ) implies that

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โˆ’ 1 ๐œƒ

โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ โ‰ฅ ( ๐‘  ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  + ( 1 ๐‘ž โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž .

(3.26)

Combining (3.25) and (3.26), we get as ๐‘› โ†’ โˆž ,

( ๐‘  ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  + ( 1 ๐‘ž โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โ‰ค ๐‘ ๐œ— + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐’ฒ .

(3.27)

Observing that lim ๐‘ฅ โ†’ โˆž , ๐‘ฆ โ†’ โˆž ๐”  โข ๐‘ฅ ๐‘ / ๐‘  + ๐”จ โข ๐‘ฆ ๐‘ž ๐‘ฅ + ๐‘ฆ

โˆž , for fixed numbers ๐” 

0 , ๐”จ

0 , we conclude that { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a bounded sequence in ๐’ฒ . Since โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โˆ’ 1 ๐œƒ โข โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ โ†’ ๐‘ ๐œ— as ๐‘› โ†’ โˆž , it follows that

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘  โ‰ค ๐‘ ๐œ— 1 ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ โ‰ค ๐ถ ๐›พ 1 1 ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ

(3.28)

and

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โ‰ค ๐‘ ๐œ— 1 ๐‘ž โˆ’ 1 ๐œƒ โ‰ค ๐ถ ๐›พ 1 1 ๐‘ž โˆ’ 1 ๐œƒ .

(3.29)

From (3.28), we have

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข ๐œŽ ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  )

(3.30)

for some ๐”ฉ

0 and ๐›พ 1 large enough such that

๐ถ ๐›พ 1 1 ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ < ( ๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 ) ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) / ๐‘ โข ๐œŽ ,

when ๐›พ 1 โ‰ฅ ๐›พ โˆ— , where

๐›พ โˆ—

1 | ๐‘ โข ๐ต 1 โข ( 0 ) | โข 2 โข ๐‘Ž โข ( ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ ) ๐”… โข ( ๐‘ , ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ + 1 )

(3.31)

and ๐”…

โˆซ 0 1 ๐‘ก ๐‘ฅ โˆ’ 1 โข ( 1 โˆ’ ๐‘ก ) ๐‘ฆ โˆ’ 1 โข ๐‘‘ ๐‘ก , ๐‘ฅ

0 , ๐‘ฆ

0 is Beta function. This implies that

๐›พ 1 โ‰ฅ 1 | ๐‘ โข ๐ต 1 โข ( 0 ) | โข ๐‘Ž โข ๐‘ โข ( ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ ) ๐œƒ โข ๐‘Ž โข ๐”… โข ( ๐‘ , ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ + 1 ) โข [ ๐‘Ž โข ( 1 โˆ’ ๐‘ 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  ) ( ๐‘  ๐‘ โˆ’ 1 ๐œƒ ) โข ๐œŽ โข ( ๐›ผ โˆ— ๐”Ÿ โข ๐›ฝ 0 ) ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) / ๐‘ ] 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  โˆ’ ๐‘ 2 โข ๐‘

๐›พ โˆ— โˆ— .

Hence, (3.30) holds for every ๐›พ 1 โ‰ฅ max โก { ๐›พ โˆ— , ๐›พ โˆ— โˆ— } .

Step 2.   We shall show that there exist ๐‘…

0 , ๐›ฟ

0 and a sequence { ๐‘ฆ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ โ„ ๐‘ such that

lim inf ๐‘› โ†’ โˆž โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ๐‘› ) | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ ๐›ฟ

0 , โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } .

(3.32)

Arguing by contradiction, we assume that for some ๐‘…

0 , we have

lim ๐‘› โ†’ โˆž sup ๐‘ฆ โˆˆ โ„ ๐‘ โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

0 , โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } .

(3.33)

Then Lemma 3.8 yields that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ 0 in ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐œˆ

โ„˜ . Condition (3.33), Lemma 3.9 and the Trudinger-Moser inequality imply that

โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ†’ 0 โข as โข ๐‘› โ†’ โˆž .

Therefore,

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 )

โŸจ โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) โข  as  โข ๐‘› โ†’ โˆž .

So ๐”ฒ ๐‘› โ†’ 0 in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ / ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) . Passing to the limit as ๐‘› โ†’ โˆž , we have

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› )

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž ๐‘ž โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ [ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ†’ 0

which contradicts with the fact that โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐œ—

0 , as ๐‘› โ†’ โˆž . Thus (3.32) holds.

Put ๐”ณ ๐‘›

๐”ฒ ๐‘› ( โ‹… + ๐‘ฆ ๐‘› ) , then from (3.32) we have

โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( 0 ) | ๐”ณ ๐‘› | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ ๐›ฟ / 2

0 , โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โข  for some  โข ๐›ฟ

0 .

(3.34)

Because โ„ฐ ๐œ— and โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ are invariant under translation, we have

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐”ณ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐œ— and โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ณ ๐‘› ) โ†’ 0 in โข ๐’ฒ โ€ฒ .

Since โ€– ๐”ณ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐’ฒ

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐’ฒ for every ๐‘› , then { ๐”ณ ๐‘› } ๐‘› is also bounded in ๐’ฒ and

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ณ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  )

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ผ โˆ— ๐”ฉ โข ๐›ฝ 0 โข ๐œŽ ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) .

(3.35)

Hence, choosing a subsequence if necessary, we may assume that there exists ๐”ณ โˆˆ ๐’ฒ such that ๐”ณ ๐‘› โ‡€ ๐”ณ in ๐‘Š ,

๐”ณ ๐‘› โ†’ ๐”ณ in ๐ฟ ๐œ— โข ( ๐ต ๐‘… โข ( 0 ) ) , for every ๐œ— โˆˆ [ ๐‘ / ๐‘  , โˆž ) and ๐‘…

0 , and ๐”ณ ๐‘› โ†’ ๐”ณ a.e. in โ„ ๐‘ . Clearly, (3.34) implies that

โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( 0 ) | ๐”ณ | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ ๐›ฟ / 2

0 , โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } ,

hence, ๐”ณ โ‰ข 0 .

Arguing similarly to the proof of Thin et al. [36, Lemma 13], we get that โ„ฐ ๐œ— โ€ฒ โข ( ๐”ณ )

0 and ๐”ณ is indeed a ground state solution of problem ( ๐’ฌ ๐œ— ). This completes the proof of Proposition 3.1. โˆŽ

4.The auxiliary problem ( ๐’ฌ ๐œ€ )

Using the transformation ๐‘ฅ โ†ฆ ๐œ€ โข ๐‘ฅ , problem ( ๐’ฌ ) can be rewritten as follows

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐‘ข + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) .

( ๐’ฌ ๐œ€ )

Inspired by the work of del Pino and Felmer [20], we introduce a penalized function which will play an essential role to obtain our main results. In general, we assume that 0 โˆˆ ฮฉ and ๐‘ โข ( 0 )

๐‘ 0 . Fix โ„ 0

0 . We define

๐‘“ ^ โข ( ๐‘ก ) := {

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) if โข ๐‘ก โ‰ค ๐‘Ž ,

๐‘ 0 โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ž โˆ’ 1 if โข ๐‘ก

๐‘Ž ,

and

๐‘” ^ โข ( ๐‘ก ) := {
๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก )

๐œ’ ฮฉ โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก ) + ( 1 โˆ’ ๐œ’ ฮฉ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘“ ^ โข ( ๐‘ก ) if โข ๐‘ก

0 ,

0 if โข ๐‘ก โ‰ค 0 .

To study problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ), we introduce the Euler-Lagrange functional โ„ ๐œ€ : ๐’ฒ ๐œ€ โ†’ โ„ by

โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ข )

โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } 1 โ„˜ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , โ„˜ โข ( โ„ ๐‘ ) โ„˜ โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐บ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

By conditions ( ๐’ต 1 ) , ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) , the functional โ„ ๐œ€ is well defined on ๐’ฒ ๐œ€ and of class ๐ถ 2 โข ( ๐’ฒ ๐œ€ ) . Moreover, the critical points of โ„ ๐œ€ are exactly the (weak) solutions of problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ). Associated to the energy functional โ„ ๐œ€ , we denote the Nehari manifold ๐’ฉ ๐œ€ by

๐’ฉ ๐œ€

{ ๐‘ฃ โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ โˆ– { 0 } : โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐‘ฃ ) , ๐‘ฃ โŸฉ

0 } ,

where

โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐‘ฃ ) , ๐œ‘ โŸฉ

โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆซ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

  • โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ฃ | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ฃ
  • | ๐‘ฃ | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ฃ ) โข ๐œ‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘” โข ( ๐‘ฃ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

for every ๐‘ฃ , ๐œ‘ โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ .

Lemma 4.1.

Suppose that conditions ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. The the following statements hold:

( ๐‘” 1 )

lim ๐‘ก โ†’ 0 + ๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) ๐‘ก ๐‘ž โˆ’ 1

0 uniformly with respect to ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ ;

( ๐‘” 2 ) ( ๐‘– )

0 < ๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘“ โข ( ๐‘ก ) for every ๐‘ก

0 , for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ ;

( ๐‘– โข ๐‘– )

๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก )

0 for every ๐‘ก โ‰ค 0 , for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ ;

( ๐‘” 3 ) ( ๐‘– )

0 < ๐œƒ โข ๐บ โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โข ๐‘ก , for every ๐‘ฅ โˆˆ ฮฉ and ๐‘ก

0 ;

( ๐‘– โข ๐‘– )

0 โ‰ค ๐‘ž โข ๐บ โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โข ๐‘ก โ‰ค ๐‘ 0 โ„ 0 โข ( ๐‘ก ๐‘ + ๐‘ก ๐‘ž ) for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ โˆ– ฮฉ and ๐‘ก

0 ;

( ๐‘” 4 )

for every ๐‘ฅ โˆˆ ฮฉ , the function ๐‘ก โ†ฆ ๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) ๐‘ก ๐‘ž 2 โˆ’ 1 is strictly increasing on ( 0 , + โˆž ) ;

( ๐‘” 5 )

for every ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ โˆ– ฮฉ , function ๐‘ก โ†ฆ ๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) ๐‘ก ๐‘ž 2 โˆ’ 1 is strictly increasing on ( 0 , ๐‘Ž ) .

Proof.

We shall only give the proof of ( ๐‘” 3 ) โˆ’ ( ๐‘– โข ๐‘– ) . The rest of the properties can be verified by the definition of ๐‘” . Using ( ๐‘“ 5 ) , we obtain that

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) ๐‘ก ๐‘ž โ‰ค ๐‘“ โข ( ๐‘Ž ) ๐‘Ž ๐‘ž

๐‘ 0 โ„ 0 for every ๐‘ก โˆˆ [ 0 , ๐‘Ž ] .

Consequently,

๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โข ๐‘ก

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โข ๐‘ก โ‰ค ๐‘ 0 โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ž โ‰ค ๐‘ 0 โ„ 0 โข ( ๐‘ก ๐‘ + ๐‘ก ๐‘ž ) โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ [ 0 , ๐‘Ž ] .

If ๐‘ก โˆˆ ( ๐‘Ž , + โˆž ) , we have

๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก )

๐‘ 0 โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ž < ๐‘ 0 โ„ 0 โข ( ๐‘ก ๐‘ + ๐‘ก ๐‘ž ) .

From ( ๐‘“ 2 ) and ( ๐‘” 2 ) , we obtain that

๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โข ๐‘ก

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โข ๐‘ก โ‰ฅ ๐œƒ โข ๐น โข ( ๐‘ก )

๐‘ž โข ๐น โข ( ๐‘ก ) โ‰ฅ ๐‘ž โข ๐บ โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก )

0 โข  for every  โข ๐‘ก โˆˆ [ 0 , ๐‘Ž ] .

In addition, if ๐‘ก โˆˆ ( ๐‘Ž , + โˆž ) , we have

๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก )

๐‘“ ^ โข ( ๐‘ก )

๐‘ 0 โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ž โˆ’ 1 .

Hence

๐บ โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก )

๐‘ 0 ๐‘ž โข โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ž

and

๐‘” โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) โข ๐‘ก

๐‘ 0 โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ž

๐‘ž โข ๐บ โข ( ๐‘ฅ , ๐‘ก ) .

This completes the proof of Lemma 4.1. โˆŽ

Lemma 4.2.

(see [24, Proposition 3.1]) Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ๐’ต 2 and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 3 ) hold. Then there is a real number ๐”ฏ โˆ—

0 such that

โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€ โ‰ฅ ๐”ฏ โˆ—

0 โข for every  โข ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ .

Lemma 4.3.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then โ„ ๐œ€ satisfies the following the geometric conditions:

( ๐‘– )

There exist real numbers ๐›ผ โˆ— > 0 , ๐œŒ โˆ— > 0 such that for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ : โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€

๐œŒ โˆ— , we have โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) โ‰ฅ ๐›ผ โˆ—

0 ;

( ๐‘– โข ๐‘– )

There exists ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ such that โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€

๐œŒ โˆ— and โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) < 0 .

Proof.

One can apply a similar discussion as in Lemmas 3.3 and 3.4, combined with the Trudinger-Moser inequality, so we shall omit the details here. โˆŽ

By virtue of Lemma 4.2 and the Mountain Pass Theorem, there exists a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ sequence { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฒ ๐œ€ , that is,

โ„ ๐œ€ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐œ€ and โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ 0 ,

where

๐‘ ๐œ€ := inf ๐›พ โˆˆ ฮ“ max ๐‘ก โˆˆ [ 0 , 1 ] โก โ„ ๐œ€ โข ( ๐›พ โข ( ๐‘ก ) )

and ฮ“

{ ๐›พ โˆˆ ( ๐ถ 0 โข [ 0 , 1 ] , ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) ) : ๐›พ โข ( 0 )

0 , โ„ ๐œ€ โข ( ๐›พ โข ( 1 ) ) } < 0 .

We give the definition of ๐’ฏ ๐œ€ + as follows:

๐’ฏ ๐œ€ + := { ๐‘ข โˆˆ ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) : | supp โข ( ๐‘ข + ) โˆฉ ฮฉ ๐œ€ |

0 } โŠ‚ ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) ,

ฮฉ ๐œ€ := { ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘ : ๐œ€ โข ๐‘ฅ โˆˆ ฮฉ } . Let ๐•Š ๐œ€ be a the unit sphere in ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) and denote by ๐•Š ๐œ€ +

๐•Š ๐œ€ โˆฉ ๐’ฏ ๐œ€ + . Note that ๐•Š ๐œ€ + is an incomplete ๐ถ 1 , 1 -manifold of codimension 1, modelled on ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) and contained in the open ๐’ฏ ๐œ€ + . Thus, ๐’ฒ ๐œ€

๐‘‡ ๐‘ข โข ๐•Š ๐œ€ + โŠ• โ„ โข ๐‘ข , for every ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐œ€ + , where

๐‘‡ ๐‘ข โข ๐•Š ๐œ€ +

{ ๐‘ฃ โˆˆ ๐’ฒ : โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  ๐‘‘ ๐‘ฅ ๐‘‘ ๐‘ฆ

+ โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ ( ๐œ€ ๐‘ฅ ) ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 ๐‘ข + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 ๐‘ข ) ๐œ‘ ๐‘‘ ๐‘ฅ

0 } .

As in Lemmas 3.5 and 3.6, the following results can be obtained.

Lemma 4.4.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then the following statements are true:

( ๐‘– )

There exists a unique ๐‘ก ๐‘ข โข ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ and โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก ๐‘ข โข ๐‘ข )

max ๐‘ก

0 โก โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข ) for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฏ ๐œ€ + . Moreover, we have ๐‘ ๐œ€ โ‰ฅ ๐œ

0 and

๐‘ ๐œ€

inf ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ข )

inf ๐‘ข โˆˆ ๐’ฏ ๐œ€ + max ๐‘ก > 0 โก โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข )

inf ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐œ€ + max ๐‘ก

0 โก โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข ) .

( ๐‘– โข ๐‘– )

๐’ฉ ๐œ€ is bounded away from 0, and there exists ๐›ผ

0 such that ๐‘ก ๐‘ข โ‰ฅ ๐›ผ , for every ๐‘ข โˆˆ ๐•Š ๐œ€ . Moreover, for every compact subset ๐’ฆ โŠ‚ ๐•Š ๐œ€ + , there exists ๐ถ ๐’ฆ

0 such that ๐‘ก ๐‘ข โ‰ค ๐ถ ๐’ฆ , for every ๐‘ข โˆˆ ๐’ฆ .

( ๐‘– โข ๐‘– โข ๐‘– )

The continuous map ๐‘š ^ ๐œ€ : ๐’ฒ ๐œ€ โ†’ ๐’ฉ ๐œ€ is given by ๐‘š ^ ๐œ€ โข ( ๐‘ข )

๐‘ก ๐‘ข โข ๐‘ข and ๐‘š ๐œ€ := ๐‘š ^ ๐œ€ | ๐•Š ๐œ€ + is a homeomorphism between ๐•Š ๐œ€ + and ๐’ฉ ๐œ€ , and ๐‘š ๐œ€ โˆ’ 1 โข ( ๐‘ข )

๐‘ข โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€ .

Exploring the functional ฮ˜ ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) := โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘š ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) ) , together with argument similar to the proof of Szulkin and Weth [34, Corollary 3.3], we obtain the following results.

Lemma 4.5.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold. Then the following statements are true:

( ๐‘– )

If { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ sequence for ฮ˜ ๐œ€ , then { ๐‘š ๐œ€ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) } ๐‘› is a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ sequence for โ„ ๐œ€ . Moreover, if { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฉ ๐œ€ is a bounded ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ sequence for โ„ ๐œ€ , then { ๐‘š ๐œ€ โˆ’ 1 โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) } ๐‘› is a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ sequence for ฮ˜ ๐œ€ .

( ๐‘– โข ๐‘– )

๐‘ข is a critical point of ฮ˜ ๐œ€ if and only if ๐‘š ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) is a nontrivial critical point of โ„ ๐œ€ . Furthermore, inf ๐’ฉ ๐œ€ โ„ ๐œ€

inf ๐•Š ๐œ€ + ฮ˜ ๐œ€ .

Lemma 4.6.

๐‘ ๐œ€ and ๐‘ ๐œ— satisfy the following inequalities

lim sup ๐œ€ โ†’ 0 + ๐‘ ๐œ€ โ‰ค ๐‘ ๐œ— โ‰ค ๐ถ ๐›พ 1 .

(4.1) Proof.

Let ๐œ‘ โˆˆ ๐ถ 0 โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) such that ๐œ‘ โ‰ก 1 on ๐ต ๐›ฟ / 2 โข ( 0 ) , supp ( ๐œ‘ ) โŠ‚ ๐ต ๐›ฟ โข ( 0 ) โŠ‚ ฮฉ for some ๐›ฟ

0 and ๐œ‘ โ‰ก 0 on ๐ต ๐›ฟ โข ( 0 ) ๐‘ . We define

๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) := ๐œ‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) for every ๐œ€

0 ,

where ๐‘ข is the ground state solution of problem ( ๐’ฌ ๐œ— ) obtained in Proposition 3.1. We know that supp ( ๐‘ข ๐œ€ ) โŠ‚ ฮฉ ๐œ€ and ๐‘ข ๐œ€ โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ (see Ambrosio and Isernia [6, Lemma 2.4]). If we assume that ๐‘ก ๐œ€

0 with ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ , then

๐‘ ๐œ€ โ‰ค โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ฃ ๐œ€ )

๐‘ก ๐œ€ ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐บ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

๐‘ก ๐œ€ ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

Since ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โŠ‚ ๐’ฉ ๐œ€ , we have

๐‘ก ๐œ€ ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

(4.2)

Moreover, it follows from ( ๐‘“ 3 ) that

โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ฃ ๐œ€ )

๐‘ก ๐œ€ ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ฅ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น ( ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ข ๐œ€ ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข [ 1 ๐‘ž โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ ) โข ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ๐‘‘ โข ๐‘ฅ โˆ’ 1 2 โข ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ ) ] โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ 0 .

(4.3)

This fact implies that { ๐‘ก ๐œ€ } is bounded, as ๐œ€ โ†’ 0 + . Indeed, suppose to the contrary, that { ๐‘ก ๐œ€ } is unbounded when ๐œ€ โ†’ 0 + . Consequently, together with ( ๐‘“ 4 ) , we would have

โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ ) โ‰ฅ ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข ๐œ€ โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข ๐œ€ โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ ๐›พ 1 2 โข ๐‘ก ๐œ€ 2 โข ๐œƒ โข โ€– | ๐‘ข ๐œ€ | ๐œƒ โ€– ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ 2 โ†’ โˆ’ โˆž

which is a contradiction with (4). Thus, we may suppose that ๐‘ก ๐œ€ โ†’ ๐‘ก 0 , as ๐œ€ โ†’ 0 + . Using the Vitaliโ€™s Theorem, we obtain

lim sup ๐œ€ โ†’ 0 + ๐‘ ๐œ€
โ‰ค ๐‘ก 0 ๐‘ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก 0 ๐‘ž ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก 0 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐‘ก 0 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ก 0 โข ๐‘ข ) .

We shall now verify that ๐‘ก 0

1 . For every ๐œ€

0 , there exists ๐‘ก ๐œ€

0 such that

โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ )

max ๐‘ก โ‰ฅ 0 โก โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก โข ๐‘ข ๐œ€ ) .

Therefore, โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ ) , ๐‘ข ๐œ€ โŸฉ

0 and we have

๐‘ก ๐œ€ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข ๐œ€ โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž โข โ€– ๐‘ข ๐œ€ โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

which means that

โ€– ๐‘ข ๐œ€ โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ž โˆ’ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข ๐œ€ โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ ) ๐‘ก ๐œ€ ๐‘ โˆ’ 1 โข | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

(4.4)

Passing to the limit as ๐œ€ โ†’ 0 in (4.4) and using the fact that ๐‘ข ๐œ€ โ†’ ๐‘ข in ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ ๐‘  โข ( โ„ ๐‘ ) (see Ambrosio and Isernia [6, Lemma 2.4]), we obtain

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + ๐‘ก 0 ๐‘ž โˆ’ ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐‘ก 0 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘“ โข ( ๐‘ก 0 โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ๐‘ก 0 ๐‘ โˆ’ 1 โข | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

Together with this fact, ๐‘ข โˆˆ โ„ณ ๐œ— and ( ๐‘“ 5 ) , we deduce that ๐‘ก 0

1 . Therefore,

lim sup ๐œ€ โ†’ 0 + ๐‘ ๐œ€ โ‰ค โ„ฐ ๐œ— โข ( ๐‘ฃ )

๐‘ ๐œ— .

Combining with Lemma 3.10, we can obtain that the last inequality hold in (4.1). This completes the proof of Lemma 4.6. โˆŽ

Lemma 4.7.

The functional โ„ ๐œ€ satisfies the Palais-Smale condition at level ๐‘ ๐œ€ , for every ๐œ€ โˆˆ ( 0 , ๐œ€ 0 ) .

Proof.

Let { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) be a ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ sequence for โ„ ๐œ€ , i.e.,

โ„ ๐œ€ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐œ€ and โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ 0 as ๐‘› โ†’ โˆž .

We shall complete the proof of this lemma by the following two claims.

Claim 1. { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is bounded in ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) .

Indeed, by ( ๐‘“ 3 ) , we have

๐‘ ๐œ€ + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 )

โ„ ๐œ€ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž โข โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

( 1 ๐‘ โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

+ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข [ 1 ๐‘ž โข ๐‘“ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐น โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) ] โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ฅ 1 2 โข ๐‘ž โข ( โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž )

1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐’ฒ ๐œ€

which implies that { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is bounded in ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) . Moreover, we obtain

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐’ฒ ๐œ€ ๐‘ โ‰ค 2 โข ๐‘ž โข ๐‘ ๐œ€ .

(4.5)

Together with this fact and Lemma 3.10, we obtain that

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐’ฒ ๐œ€ โ‰ค 2 โข ๐‘ž โข ๐‘ ๐œ— โ‰ค 2 โข ๐‘ž โข ๐ถ ๐›พ 1

2 โข ๐‘ž โข ๐‘Ž โข ( 1 โˆ’ ๐‘ 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  ) โข ( ๐‘Ž โข ๐‘ 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  โข ๐‘ ) ๐‘ / ( 2 โข ๐œƒ โข ๐‘  โˆ’ ๐‘ ) := ๐’ข

(4.6)

for ๐›พ 1 โ‰ฅ max โก { ๐›พ โˆ— , ๐‘Ž } , where ๐›พ โˆ— , ๐‘Ž are given in (3.31) and Lemma 3.10, respectively. Therefore, going to a subsequence if necessary, we may assume that ๐”ฒ ๐‘› โ‡€ ๐‘ข in ๐’ฒ ๐œ€ ,

๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐ฟ ๐‘™ โข ๐‘œ โข ๐‘ ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) for every ๐‘ž โˆˆ [ ๐‘ ๐‘  , + โˆž ) and ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข a.e. in โ„ ๐‘ .

Claim 2. ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ condition holds in ๐’ฒ ๐œ€ .

We shall divide the proof into three steps. We first verify that ๐‘ข is a critical point of โ„ ๐œ€ . For every ๐œ‘ โˆˆ ๐ถ ๐‘ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) , we have

โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โ†’ โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ‘ โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

and

โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐”ฒ ๐‘› | โ„˜ โˆ’ 2 โข ๐”ฒ ๐‘› โข ๐œ‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ†’ โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐‘ข | โ„˜ โˆ’ 2 โข ๐‘ข โข ๐œ‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ for every โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } .

Step 1. We prove that

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘” โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ†’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘” โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐œ‘ โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

(4.7)

Since the boundedness of { ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ , ๐”ฒ ๐‘› ) } ๐‘› in ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) ,

๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข a.e. in โ„ ๐‘ , and ๐‘ก โ†ฆ ๐บ โข ( โ‹… , ๐‘ก ) is continuous, hence

๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ , ๐”ฒ ๐‘› ) โ‡€ ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ , ๐‘ข ) โข in โข ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) .

From Lemma 3.2, we obtain the linear bounded operator

1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐น โˆˆ ๐ฟ 2 โข ๐‘ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) for every โข ๐น โˆˆ ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) ,

from ๐ฟ 2 โข ๐‘ 2 โข ๐‘ โˆ’ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) to ๐ฟ 2 โข ๐‘ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) . Therefore, 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐”ฒ ๐‘› ) โ‡€ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐‘ข ) in ๐ฟ 2 โข ๐‘ ๐œ‡ โข ( โ„ ๐‘ ) . Since ๐‘” โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘” โข ( ๐‘ข ) in ๐ฟ ๐‘™ โข ๐‘œ โข ๐‘ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ , + โˆž ) , we deduce that (4.7) is true. Consequently, in view of โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐œ™ โŸฉ

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) , for every ๐œ™ โˆˆ ๐ถ ๐‘ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) , we obtain โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐‘ข ) , ๐œ™ โŸฉ

0 , for every ๐œ™ โˆˆ ๐ถ ๐‘ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) . Since ๐ถ ๐‘ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) is dense in ๐’ฒ ๐œ€ , we obtain that ๐‘ข is a critical point of โ„ ๐œ€ .

Step 2. We shall prove that for every ๐œ‰ , there exists ๐‘…

๐‘… โข ( ๐œ‰ )

0 such that

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โˆซ ๐ต ๐‘… ๐‘ ( โˆ‘ โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } โˆซ โ„ ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฆ + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐”ฒ ๐‘› | ๐‘ + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐”ฒ ๐‘› | ๐‘ž ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < ๐œ‰ .

(4.8)

For every ๐‘… > 0 , let ๐œ™ ๐‘… โˆˆ ๐ถ ๐‘ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) such that 0 โ‰ค ๐œ™ ๐‘… โ‰ค 1 , ๐œ™ ๐‘…

0 in ๐ต ๐‘… โข ( 0 ) , ๐œ™ ๐‘…

1 in ๐ต 2 โข ๐‘… ๐‘ โข ( 0 ) , and | โˆ‡ ๐œ™ ๐‘… | โ‰ค ๐ถ ๐‘… for some constant ๐ถ > 0 independent of ๐‘… . Since { ๐œ™ ๐‘… โข ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is bounded in ๐’ฒ ๐œ€ โข ( โ„ ๐‘ ) , it follows that โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐œ™ ๐‘… โข ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) , i.e.,

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ โข ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ž | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ž โข ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

+ โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ž โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) + โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘” โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆ’ โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ โˆ’ 2 โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โˆ’ โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ž โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ .

(4.9)

By Lemma 3.7, then there exists โ„ 0

0 such that

sup ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) | | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) | โ„ 0 < 1 2 .

(4.10)

Let ๐‘…

0 be such that ฮฉ ๐œ€ โŠ‚ ๐ต ๐‘… . By the definition of ๐œ™ ๐‘… , ( ๐‘” 3 ) โˆ’ ( ๐‘– โข ๐‘– ) and (4.10), we get

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ โข ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ž | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ž โข ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

  • 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘
  • | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ž ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐‘œ ๐‘› โˆ’ โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ โˆ’ 2 โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โˆ’ โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + ๐‘  โข ๐‘ž โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ .

(4.11)

For โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } , by virtue of the Hรถlder inequality and the boundedness of { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› in ๐’ฒ ๐œ€ , we have

โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โˆ’ 2 โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ( ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โ‰ค ๐ถ โข ( โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ“ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ ) 1 โ„˜ .

(4.12)

Next, by the definition of ๐œ™ ๐‘… , polar coordinates and the boundedness of { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› in ๐’ฒ ๐œ€ , we obtain

โˆฌ โ„ 2 โข ๐‘ | ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ | ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ฅ |

๐‘… | ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ + โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ | ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ฅ | โ‰ค ๐‘… | ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐œ™ ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | โ„˜ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โข | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ

โ‰ค ๐ถ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ( โˆซ | ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ฅ |

๐‘… ๐‘‘ โข ๐‘ฆ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + ๐ถ ๐‘… โ„˜ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ( โˆซ | ๐‘ฆ โˆ’ ๐‘ฅ | โ‰ค ๐‘… ๐‘‘ โข ๐‘ฆ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โˆ’ โ„˜ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐ถ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ( โˆซ | ๐‘ง |

๐‘… ๐‘‘ โข ๐‘ง | ๐‘ง | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + ๐ถ ๐‘… ๐‘ก โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ( โˆซ | ๐‘ง | โ‰ค ๐‘… ๐‘‘ โข ๐‘ง | ๐‘ง | ๐‘ + โ„˜ โข ๐‘  โˆ’ โ„˜ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐ถ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ( โˆซ ๐‘… โˆž ๐‘‘ โข ๐œŒ ๐œŒ ๐‘  โข โ„˜ + 1 ) + ๐ถ ๐‘… โ„˜ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โข ( โˆซ 0 ๐‘… ๐‘‘ โข ๐œŒ ๐œŒ ๐‘  โข โ„˜ โˆ’ โ„˜ + 1 )

โ‰ค ๐ถ ๐‘… ๐‘  โข โ„˜ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + ๐ถ ๐‘… โ„˜ โข ๐‘… โˆ’ ๐‘  โข โ„˜ + โ„˜ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ค ๐ถ ๐‘… ๐‘  โข โ„˜ โข โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) | โ„˜ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐ถ ๐‘… ๐‘  โข โ„˜ โ†’ 0 as ๐‘… โ†’ โˆž ,  where  โข โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } .

(4.13)

Gathering (4)-(4), we infer that (4.8) is satisfied.

Step 3. We verify that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ ๐œ€ as ๐‘› โ†’ โˆž .

In view of (4.8), we obtain ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ , + โˆž ) . Indeed, fixed ๐œ‰ > 0 , there exists ๐‘…

๐‘… โข ( ๐œ‰ )

0 such that (4.8) holds. Using the compactness embedding ๐’ฒ ๐œ€ โ†ช โ†ช ๐ฟ ๐‘™ โข ๐‘œ โข ๐‘ ๐œˆ ( โ„ ๐‘ ) and ( ๐’ต 1 ) , we see

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž | ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข | ๐ฟ ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž [ | ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข | ๐ฟ ๐‘ โข ( ๐ต ๐‘… โข ( 0 ) ) ๐‘ + | ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข | ๐ฟ ๐‘ โข ( ๐ต ๐‘… ๐‘ โข ( 0 ) ) ๐‘ ]

โ‰ค 2 ๐‘ โˆ’ 1 โข lim sup ๐‘› โ†’ โˆž ( | ๐”ฒ ๐‘› | ๐ฟ ๐‘ โข ( ๐ต ๐‘… ๐‘ โข ( 0 ) ) ๐‘ + | ๐‘ข | ๐ฟ ๐‘ โข ( ๐ต ๐‘… ๐‘ โข ( 0 ) ) ๐‘ )

โ‰ค 2 ๐‘ โˆ’ 1 ๐‘ 0 โข lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โˆซ ๐ต ๐‘… ๐‘ โข ( 0 ) ( โˆซ โ„ ๐‘ | ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | 2 โข ๐‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ + ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐”ฒ ๐‘› | ๐‘ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

  • 2 ๐‘ โˆ’ 1 ๐‘ 0 โข โˆซ ๐ต ๐‘… ๐‘ โข ( 0 ) ( โˆซ โ„ ๐‘ | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) | ๐‘ | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | 2 โข ๐‘ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ
  • ๐‘ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข | ๐‘ข | ๐‘ ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ < 2 ๐‘ ๐‘ 0 โข ๐œ‰ .

Due to the arbitrariness of ๐œ‰ ,

๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐ฟ ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) . By interpolation, ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) for every ๐œˆ โˆˆ [ ๐‘ , + โˆž ) , as desired. Arguing similarly as in the proof of [43, Lemma 22], we can obtain that

โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘” โข ( ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ†’ โˆซ โ„ ๐‘ โˆซ โ„ ๐‘ ๐บ โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) โข ๐‘” โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) ) | ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ๐œ‡ โข ๐‘‘ ๐‘ฆ โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

(4.14)

Therefore, it follows from โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) and โŸจ โ„ ๐œ€ โ€ฒ โข ( ๐‘ข ) , ๐‘ข โŸฉ

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) that

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž ๐‘ž

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ ๐‘ + โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž ๐‘ž + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) .

By the Brรฉzis-Lieb lemma, we get that

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€ โ„˜

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , โ„˜ โ„˜ โˆ’ โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , โ„˜ โ„˜ + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) for every โ„˜ โˆˆ { ๐‘ , ๐‘ž } .

Therefore

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โˆ’ ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž ๐‘ž

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) .

Moreover, we obtain ๐”ฒ ๐‘› โ†’ ๐‘ข in ๐’ฒ ๐œ€ . This completes the proof of Lemma 4.7. โˆŽ

Lemma 4.8.

(see Ambrosio [5, Corollary 3.1]) The functional ฮฆ ๐œ€ satisfies the ( ๐‘ƒ โข ๐‘† ) ๐‘ ๐œ€ condition at level ๐‘ ๐œ€ , for every ๐œ€ โˆˆ ( 0 , ๐œ€ 0 ) on ๐•Š ๐œ€ .

5.Multiplicity and concentration of positive solutions of problem ( โข Q โข )

In this section, we shall prove the main results. To this end, we shall give some notations and useful results which will be used later. Fix ๐›ฟ > 0 . Let ๐”ด be a ground state solution of equation ( ๐’ฌ ๐‘ 0 ) , so that โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐”ด )

๐‘ ๐‘ 0 and โ„ฐ ๐‘ 0 โ€ฒ โข ( ๐”ด )

0 . Let ๐œ‚ be a smooth nonincreasing cut-off function in โ„ 0 + such that ๐œ‚ โข ( ๐‘ก )

1 if 0 โ‰ค ๐‘ก โ‰ค ๐›ฟ / 2 and ๐œ‚ โข ( ๐‘ก )

0 if ๐‘ก โ‰ฅ ๐›ฟ . For ๐œ€

0 and any ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ , we define

๐œ“ ๐œ€ , ๐‘ฆ โข ( ๐‘ฅ )

๐œ‚ โข ( | ๐œ€ โข ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ | ) โข ๐”ด โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ โˆ’ ๐‘ฆ ๐œ€ ) , ๐‘ฅ โˆˆ โ„ ๐‘

and ฮฆ ๐œ€ : โ„ณ โ†’ ๐’ฉ ๐œ€ is given by ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ )

๐‘ก ๐œ€ โข ๐œ“ ๐œ€ , ๐‘ฆ , when ๐‘ก ๐œ€

0 satisfies

max ๐‘ก โ‰ฅ 0 โก โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก โข ๐œ“ ๐œ€ , ๐‘ฆ )

โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ก ๐œ€ โข ๐œ“ ๐œ€ , ๐‘ฆ ) .

We obtain that ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) has compact support in โ„ ๐‘ for every ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ .

Lemma 5.1.

(see Liang et al. [24, Lemma 5.1]) The function ฮฆ ๐œ€ has the following property

lim ๐œ€ โ†’ 0 + โ„ ๐œ€ โข ( ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) )

๐‘ ๐‘ 0 ,  uniformly in  โข ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ .

For any ๐›ฟ > 0 , let ๐œš

๐œš โข ( ๐›ฟ )

0 be such that โ„ณ ๐›ฟ โŠ‚ ๐ต ๐œš โข ( 0 ) . We define the function ๐’ณ : โ„ ๐‘ โ†’ โ„ ๐‘ by

๐’ณ โข ( ๐‘ฅ )

{ ๐‘ฅ ,

if โข | ๐‘ฅ | < ๐œš ,

๐œš โข ๐‘ฅ | ๐‘ฅ | ,

if โข | ๐‘ฅ | โ‰ฅ ๐œš .

In what follows, let the barycenter map ๐›ฝ ๐œ€ : ๐’ฉ ๐œ€ โ†’ โ„ ๐‘ be defined by

๐›ฝ ๐œ€ โข ( ๐‘ข )

โˆซ โ„ ๐‘ ๐’ณ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ ) โข ( | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ + | ๐‘ข โข ( ๐‘ฅ ) | ๐‘ž ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โˆซ โ„ ๐‘ ( | ๐‘ข | ๐‘ + | ๐‘ข | ๐‘ž ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ , ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ .

Arguing as in the similar discussion of  [35, Lemma 14], we obtain the following result.

Lemma 5.2.

The map ๐›ฝ ๐œ€ โˆ˜ ฮฆ ๐œ€ satisfies the following limit

lim ๐œ€ โ†’ 0 + ๐›ฝ ๐œ€ โข ( ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) )

๐‘ฆ , uniformly in โข ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ .

(5.1) Lemma 5.3.

Let ๐œ€ ๐‘› โ†’ 0 + and { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฉ ๐œ€ ๐‘› satisfy โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐‘‰ 0 , as ๐‘› โ†’ โˆž . Then there exists a sequence { ๐‘ฆ ~ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ โ„ ๐‘ such that the sequence ๐”ณ ๐‘›

๐”ฒ ๐‘› ( โ‹… + ๐‘ฆ ~ ๐‘› ) has a subsequence which strongly converges in ๐’ฒ . Furthermore, up to a subsequence, ๐‘ฆ ๐‘›

๐œ€ โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ .

Proof.

Since โŸจ โ„ ๐œ€ ๐‘› โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

0 and โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐‘ 0 , we can see that { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is a bounded sequence in ๐’ฒ . Indeed, by ( ๐‘” 3 ) โˆ’ ( ๐‘– โข ๐‘– ) , we have

โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› )

โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž โข โŸจ โ„ ๐œ€ ๐‘› โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

( 1 ๐‘ โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž ) โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘ , ๐‘Š ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘ , ๐‘Š ๐œ€ ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

  • 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ( 1 ๐‘ž โข ๐‘” โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ , ๐‘ข ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โˆ’ ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ , ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ 1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐’ฒ ๐œ€ ๐‘› .

Therefore

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐’ฒ ๐œ€ โ‰ค 2 โข ๐‘ž โข ๐‘ ๐‘ 0 .

(5.2)

By conditions ( ๐’ต 1 ) and ( ๐’ต 2 ) , we obtain that

โ€– ๐‘ข โ€– ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค min { 1 , ๐‘‰ 0 } 1 ๐‘ โข โ€– ๐‘ข โ€– ๐’ฒ ๐œ€ .

(5.3)

Together with the continuous embedding ๐’ฒ ๐œ€ ๐‘› โ†ช ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) , we get that { ๐”ฒ ๐‘› } ๐‘› is bounded in ๐’ฒ .

Next, we claim that there exist a sequence { ๐‘ฆ ~ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ โ„ ๐‘ and constants ๐‘… , ๐›ฟ

0 such that

lim inf ๐‘› โ†’ + โˆž โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ~ ๐‘› ) | ๐‘ข ๐‘› | ๐‘ž โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ฅ ๐›ฟ

0 .

(5.4)

Suppose to the contrary, that for every ๐‘…

0 , we deduce that

lim ๐‘› โ†’ + โˆž sup ๐‘ฆ โˆˆ โ„ ๐‘ โˆซ ๐ต ๐‘… โข ( ๐‘ฆ ) | ๐”ฒ ๐‘› | ๐‘ž โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

0 .

Together with Lemma 3.8, we obtain that ๐”ฒ ๐‘› โ†’ 0 in ๐ฟ ๐œˆ โข ( โ„ ๐‘ ) , for every ๐œˆ โˆˆ ( ๐‘ , + โˆž ) . Using Lemma 3.1 and (5.2), we get

lim ๐‘› โ†’ โˆž โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฅ , ๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

0 .

Together with ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ ๐‘› , we have ๐”ฒ ๐‘› โ†’ 0 in ๐’ฒ ๐œ€ . Hence โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ข ๐‘› ) โ†’ 0 , which is impossible due to ๐‘ ๐‘ 0 > 0 . We now suppose ๐‘ฃ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ )

๐”ฒ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ~ ๐‘› ) , so { ๐‘ฃ ๐‘› } ๐‘› is bounded in ๐’ฒ ๐œ€ . Therefore, we may assume that ๐‘ฃ ๐‘› โ‡€ ๐‘ฃ in ๐’ฒ , as ๐‘› โ†’ โˆž . It follows from (5.4) that ๐‘ฃ โ‰  0 .

Let ๐‘ก ๐‘› > 0 be such that ๐‘ฃ ~ ๐‘› := ๐‘ก ๐‘› โข ๐‘ฃ ๐‘› โˆˆ ๐’ฉ ๐‘ 0 and ๐‘ฆ ๐‘› := ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› . Applying Lemma 4.4, for every ๐‘› there exists a unique ๐‘ก ๐”ฒ ๐‘› > 0 such that โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ก ๐”ฒ ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› )

sup ๐‘ก โ‰ฅ 0 โข โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ก โข ๐”ฒ ๐‘› ) . Then ๐‘ก ๐”ฒ ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ ๐‘› , which yields ๐‘ก ๐”ฒ ๐‘›

1 , due to ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ ๐‘› . Therefore, sup ๐‘ก โ‰ฅ 0 โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ก โข ๐”ฒ ๐‘› )

โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) . By the change of variable ๐‘ง

๐‘ฅ + ๐‘ฆ ~ ๐‘› , we deduce that

๐‘ ๐‘ 0 โ‰ค โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› )

1 ๐‘ โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค 1 ๐‘ โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆ’ โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ + ๐‘ฆ ๐‘› , ๐‘ฃ ~ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ๐บ โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ๐‘› , ๐‘ฃ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐‘ข ๐‘› ) โ‰ค โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ‰ค ๐‘ ๐‘ 0 + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 )

which yields โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐‘ 0 , as ๐‘› โ†’ + โˆž . By the fact that { ๐‘ฃ ~ ๐‘› } ๐‘› โŠ‚ ๐’ฉ ๐‘ 0 and ( ๐‘“ 3 ) , we can pick ๐ถ 1

0 such that โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 โ‰ค ๐ถ 1 , for every ๐‘› โˆˆ โ„• . In addition, since ๐‘ฃ ๐‘› โ†’ฬธ 0 in ๐’ฒ , there exists ๐ถ ~ 1

0 such that โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 โ‰ฅ ๐ถ ~ 1

0 , for every ๐‘› โˆˆ โ„• . Therefore,

๐ถ ~ 1 โข ๐‘ก ๐‘› โ‰ค โ€– ๐‘ก ๐‘› โข ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ

โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ โ‰ค ๐ถ 1

which yields ๐‘ก ๐‘› โ‰ค ๐ถ 1 ๐ถ ~ 1 , for every ๐‘› โˆˆ โ„• . Consequently, going to a subsequence if necessary, we suppose that ๐‘ก ๐‘› โ†’ ๐‘ก 0 โ‰ฅ 0 and ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ‡€ ๐‘ฃ ~ := ๐‘ก 0 โข ๐‘ฃ โ‰ข 0 in ๐’ฒ and ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฃ ~ a.e. in โ„ ๐‘ . If ๐‘ก 0

0 , then ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ†’ 0 in ๐’ฒ . Therefore โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ ) โ†’ 0 , which is impossible since ๐‘ ๐‘ 0 > 0 , so we get that ๐‘ก 0 > 0 . Arguing as Proposition 3.1, we obtain โ„ฐ ๐‘ 0 โ€ฒ โข ( ๐‘ฃ ~ )

0 .

In the sequel, we shall prove that

lim ๐‘› โ†’ + โˆž โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ

โ€– ๐‘ฃ ~ โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ .

(5.5)

Invoking the Fatou lemma, we can deduce

โ€– ๐‘ฃ ~ โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ โ‰ค lim inf ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ .

(5.6)

Assume to the contrary, that

โ€– ๐‘ฃ ~ โ€– ๐‘ 0 , ๐’ฒ โข < lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โˆฅ โข ๐‘ฃ ~ ๐‘› โˆฅ ๐‘ 0 , ๐’ฒ .

In such a case we would get

๐‘ ๐‘ 0 + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 )

โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž โข โŸจ โ„ฐ ๐‘ 0 โ€ฒ โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) , ๐‘ฃ ~ ๐‘› โŸฉ

( 1 ๐‘ โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž ) โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž + 1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

  • 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ( 1 ๐‘ž โข ๐‘“ โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) โข ๐‘ฃ ~ ๐‘› โˆ’ ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

and, by ( ๐‘“ 3 ) and the Fatou lemma, we would have

๐‘ ๐‘ 0
โ‰ฅ lim sup ๐‘› โ†’ + โˆž [ ( 1 ๐‘ โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž ) โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž + 1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž ]

+ 1 2 โข lim inf ๐‘› โ†’ + โˆž โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ( 1 ๐‘ž โข ๐‘“ โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) โข ๐‘ฃ ~ ๐‘› โˆ’ ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

> ( 1 ๐‘ โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž ) โข โ€– ๐‘ฃ ~ โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž + 1 2 โข ๐‘ž โข โ€– ๐‘ฃ ~ โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

+ 1 2 โข โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ( 1 ๐‘ž โข ๐‘“ โข ( ๐‘ฃ ~ ) โข ๐‘ฃ ~ โˆ’ ๐น โข ( ๐‘ฃ ~ ) ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ ) โˆ’ 1 2 โข ๐‘ž โข โ„ฐ ๐‘ 0 โ€ฒ โข ( ๐‘ฃ ~ ) โข ( ๐‘ฃ ~ )

โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ ) โ‰ฅ ๐‘ ๐‘ 0

which is a contradiction. Therefore, ๐‘ค ๐‘› โ‡€ ๐‘ค in ๐’ฒ and (5.5) implies ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฃ ~ in ๐’ฒ . Moreover, ๐‘ฃ ๐‘› โ†’ ๐‘ฃ in ๐’ฒ , as ๐‘› โ†’ + โˆž .

In order to complete the proof of this lemma, we explore ๐‘ฆ ๐‘›

๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ๐‘› . We claim that { ๐‘ฆ ๐‘› } ๐‘› allows a subsequence, still denoted the same, such that ๐‘ฆ ๐‘› โ†’ ๐‘ฆ 0 , for some ๐‘ฆ 0 โˆˆ โ„ณ . In the sequel, we have to verify that the following two claims hold.

Claim 1. { ๐‘ฆ ๐‘› } ๐‘› is bounded.

We shall argue by contradiction. Assume that, up to a subsequence, | ๐‘ฆ ๐‘› | โ†’ โˆž , as ๐‘› โ†’ โˆž . Since โŸจ โ„ ๐œ€ ๐‘› โ€ฒ โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) , ๐”ฒ ๐‘› โŸฉ

0 and โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐‘‰ 0 , by Lemma 3.7, we can infer that there exists ๐ถ 0 ^ โˆˆ ( 0 , โ„ 0 2 ) such that

| 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐”ฒ ๐‘› ) | < ๐ถ 0 ^ .

Fixed ๐‘…

0 such that ฮ› โŠ‚ ๐ต ๐‘… โข ( 0 ) , and assume that | ๐‘ฆ ๐‘› |

2 โข ๐‘… . Therefore,

| ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ๐‘› | โ‰ฅ | ๐‘ฆ ๐‘› | โˆ’ | ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ |

๐‘… โข  for every  โข ๐‘ฅ โˆˆ ๐ต ๐‘… ๐œ€ ๐‘› โข ( 0 ) .

(5.7)

Note that ๐”ฒ ๐‘› โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ ๐‘› , so we have

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž
โ‰ค โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘› ๐‘  , ๐‘ ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘› ๐‘  , ๐‘ž ๐‘ž

โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐‘” โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ , ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

Using the change of variables ๐‘ฅ โ†ฆ ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ~ ๐‘› and ๐‘ฆ โ†ฆ ๐‘ฆ + ๐‘ฆ ~ ๐‘› , we get

โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘› ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐”ฒ ๐‘› โ€– ๐‘Š ๐‘ , ๐œ€ ๐‘› ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โ‰ค โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ , ๐”ฒ ๐‘› ) ] โข ๐‘” โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ , ๐”ฒ ๐‘› ) โข ๐”ฒ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โˆซ โ„ ๐‘ [ 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ โข ๐‘ฆ + ๐‘ฆ ๐‘› , ๐‘ฃ ๐‘› ) ] โข ๐‘” โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ๐‘› , ๐‘ฃ ๐‘› ) โข ๐‘ฃ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ .

By (5.7), the definition of ๐‘” ,

๐‘“ โข ( ๐‘ก ) โ‰ค ๐‘ 0 โ„ 0 โข ๐‘ก ๐‘ โˆ’ 1 ,

๐ถ 0 ^ โˆˆ ( 0 , โ„ 0 2 ) , ๐‘ฃ ๐‘› โ†’ ๐‘ฃ in ๐’ฒ ๐œ€ , the Dominated Convergence Theorem, we have that

โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โ‰ค ๐ถ 0 ^ โข โˆซ โ„ ๐‘ ๐‘” โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ๐‘› , ๐‘ฃ ๐‘› ) โข ๐‘ฃ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค ๐ถ 0 ^ โข โˆซ ๐ต ๐‘… ๐œ– ๐‘› โข ( 0 ) ๐‘“ ^ โข ( ๐‘ฃ ๐‘› ) โข ๐‘ฃ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + ๐ถ 0 ^ โข โˆซ ๐ต ๐‘… ๐œ– ๐‘› ๐‘ โข ( 0 ) ๐‘“ โข ( ๐‘ฃ ๐‘› ) โข ๐‘ฃ ๐‘› โข ๐‘‘ ๐‘ฅ

โ‰ค 1 2 โข โˆซ ๐ต ๐‘… ๐œ– ๐‘› โข ( 0 ) ๐‘ 0 โข ( | ๐‘ฃ ๐‘› | ๐‘ + | ๐‘ฃ ๐‘› | ๐‘ž ) โข ๐‘‘ ๐‘ฅ + ๐‘œ ๐‘› โข ( 1 )

which gives

โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

๐‘œ ๐‘› โข ( 1 ) .

Therefore, we have that { ๐‘ฆ ๐‘› } ๐‘› is bounded in โ„ ๐‘ .

Claim 2. ๐‘ฆ 0 โˆˆ โ„ณ .

By Claim 1, up to a subsequence, we can suppose that ๐‘ฆ ๐‘› โ†’ ๐‘ฆ 0 . Once ๐‘ฆ 0 โˆ‰ ฮฉ ยฏ , which implies the closure of ฮฉ , we can argue as above to get ๐‘ฃ ๐‘› โ†’ 0 in ๐’ฒ ๐œ€ , which is impossible. Therefore, we obtain ๐‘ฆ 0 โˆˆ ฮฉ ยฏ . Now, suppose by contradiction that ๐‘ โข ( ๐‘ฆ 0 )

๐‘ 0 , then by using ๐‘ฃ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฃ in ๐’ฒ and the Fatou lemma, we can deduce that

๐‘ ๐‘ 0

โ„ฐ ๐‘ 0 โข ( ๐‘ฃ ~ )
< lim inf [ 1 ๐‘ โˆฅ ๐‘ฃ ~ ๐‘› โˆฅ ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ + 1 ๐‘ž โˆฅ ๐‘ฃ ~ ๐‘› โˆฅ ๐‘ 0 , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ž

โˆ’ 1 2 โˆซ โ„ ๐‘ ( 1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐น ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) ) ๐น ( ๐‘ฃ ~ ๐‘› ) ๐‘‘ ๐‘ฅ ]

โ‰ค lim inf ๐‘› โ†’ โˆž โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ก ๐‘› โข ๐”ฒ ๐‘› ) โ‰ค lim inf ๐‘› โ†’ โˆž โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐”ฒ ๐‘› )

๐‘ ๐‘ 0

which is impossible. Therefore, ๐‘ โข ( ๐‘ฆ 0 )

๐‘ 0 and ๐‘ฆ 0 โˆˆ ฮฉ ยฏ . Thanks to ( ๐’ต 2 ) , ๐‘ฆ 0 โˆ‰ โˆ‚ ฮฉ , and thus ๐‘ฆ 0 โˆˆ โ„ณ . This completes the proof of Lemma 5.3. โˆŽ

Let โ„Ž โข ( ๐œ€ ) be any positive function satisfying โ„Ž โข ( ๐œ€ ) โ†’ 0 , as ๐œ€ โ†’ 0 . Define

๐’ฉ ~ ๐œ€

{ ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ : โ„ ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) โ‰ค ๐‘ ๐‘ 0 + โ„Ž โข ( ๐œ€ ) } .

For any ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ , we deduce from Lemma 5.1 that โ„Ž โข ( ๐œ€ )

| โ„ ๐œ€ โข ( ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) โˆ’ ๐‘ ๐‘ 0 | โ†’ 0 , as ๐œ€ โ†’ 0 . Thus, ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) โˆˆ ๐’ฉ ๐œ€ ~ and ๐’ฉ ๐œ€ ~ โ‰  ๐œ™ for every ๐œ€

0 .

Lemma 5.4.

(see Thin [35, Lemma 16]) For every ๐›ฟ

0 ,

lim ๐œ€ โ†’ 0 + sup ๐‘ข โˆˆ ๐’ฉ ~ ๐œ€ dist โข ( ๐›ฝ ๐œ€ โข ( ๐‘ข ) , โ„ณ ๐›ฟ )

0 .

Lemma 5.5.

Suppose that conditions ( ๐’ต 1 ) โˆ’ ( ๐’ต 2 ) and ( ๐‘“ 1 ) โˆ’ ( ๐‘“ 5 ) hold and denote by ๐”ณ ๐‘› a nontrivial nonnegative solution in  โ„ ๐‘ of

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ / ๐‘  ๐‘  โข ๐”ณ ๐‘› + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  โข ๐”ณ ๐‘› + ๐‘ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โข ( | ๐”ณ ๐‘› | ๐‘ ๐‘  โˆ’ 2 โข ๐”ณ ๐‘› + | ๐”ณ ๐‘› | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐”ณ ๐‘› )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐”ณ ๐‘› ) ] โข ๐‘” โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› , ๐”ณ ๐‘› ) ,

(5.8)

where ๐‘ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› ) and ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ . Then, if ( ๐”ณ ๐‘› ) ๐‘› is a bounded sequence in ๐’ฒ satisfying

lim sup ๐‘› โ†’ โˆž โ€– ๐‘ข ๐‘› โ€– ๐œ— , ๐‘Š ๐‘  , ๐‘ โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) < ๐›ฝ โˆ— โข ๐”ก โˆ— ๐‘  / ( ๐‘ โˆ’ ๐‘  ) ๐”  โข ๐›ผ 0 , with โข 0 < ๐›ฝ โˆ— < ๐›ผ โˆ—

for a suitable constant ๐” 

1 and if ๐”ณ ๐‘› โ†’ ๐”ณ in ๐’ฒ , then each ๐”ณ ๐‘› โˆˆ ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) and there exists ๐ถ

0 such that โ€– ๐”ณ ๐‘› โ€– ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค ๐ถ for every ๐‘› . Moreover,

lim | ๐‘ฅ | โ†’ โˆž ๐”ณ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ )

0 , uniformly in โข ๐‘› .

Proof.

In view of โ„ ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ข ๐‘› ) โ‰ค ๐‘ ๐‘ 0 + โ„Ž โข ( ๐œ€ ) , with โ„Ž โข ( ๐œ€ ) โ†’ 0 , as ๐‘› โ†’ โˆž . We argue as in the proof of Lemma 5.4 to show that โ„ โข ( ๐œ€ ๐‘› ) โข ( ๐‘ข ๐‘› ) โ†’ ๐‘ ๐‘ 0 . Then by Lemma 5.3, there exists { ๐‘ฆ ~ ๐‘› } โŠ‚ โ„ ๐‘ such that ๐‘ฃ ๐‘›

๐‘ข ๐‘› ( โ‹… + ๐‘ฆ ~ ๐‘› ) strongly converges in ๐’ฒ and ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฆ 0 โˆˆ โ„ณ . By the boundedness of { ๐‘ฃ ๐‘› } ๐‘› in ๐’ฒ , we can proceed as in the proof of Lemma 3.7 to obtain that there exists ๐ถ ^ 0

0 such that

1 | ๐‘ฅ | ๐œ‡ โˆ— ๐บ โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฅ + ๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ , ๐‘ฃ ๐‘› ) โ‰ค ๐ถ ^ 0 .

Repeating the same Moser iteration argument developed in the proof of Liang et al. [24, Lemma 5.5], we have that โ€– ๐”ณ ๐‘› โ€– ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ค ๐ถ for every ๐‘› โˆˆ โ„• . Now, we note that ๐‘ฃ ๐‘› satisfies problem (5.8).

Using Ambrosio and R a ห˜ dulescu [7, Corollary 2.1 ] and the fact that ๐”ณ ๐‘› is uniformly bounded in ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) โˆฉ ๐’ฒ , we can conclude that ๐”ณ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ ) โ†’ 0 as | ๐‘ฅ | โ†’ โˆž uniformly in ๐‘› โˆˆ โ„• . This completes the proof of Lemma 5.5. โˆŽ

Proof of Theorem 1.1.

Using the similar arguments to the proof of Ambrosio [3, Theorem 5.2] and [2, Theorem 1.1]. We define ๐›ผ ๐œ€ : โ„ณ โ†’ ๐•Š ๐œ€ by setting ๐›ผ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ )

๐‘š ๐œ€ โˆ’ 1 โข ( ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) ) for every ๐œ€

0 . Applying Lemma 5.1 and the definition of ฮฆ ๐œ€ , we obtain that

lim ๐œ€ โ†’ 0 ๐œ“ ๐œ€ โข ( ๐›ผ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) )

lim ๐œ€ โ†’ 0 โ„ ๐œ€ โข ( ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) )

๐‘ ๐‘ 0 , uniformly in ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ .

Therefore, there exists ๐œ€ ~ > 0 such that ๐•Š ยฏ ๐œ€ := { ๐‘ค โˆˆ ๐•Š ๐œ€ : ๐œ“ ๐œ€ โข ( ๐‘ค ) โ‰ค ๐‘ ๐‘ 0 + โ„Ž โข ( ๐œ€ ) } โ‰  ๐œ™ , for every ๐œ€ โˆˆ ( 0 , ๐œ€ ~ ) . With the aid of Lemma 4.4- ( ๐‘– โข ๐‘– โข ๐‘– ) , Lemma 5.1 and Lemma 5.4, for every ๐›ฟ > 0 , there exists ๐œ€ ~

๐œ€ ~ ๐›ฟ

0 such that the diagram of continuous mappings

โ„ณ โข โ†’ ฮฆ ๐œ€ ๐’ฉ ~ ๐œ€ โข โ†’ ๐‘š ๐œ€ โˆ’ 1 ๐•Š ๐œ€ โข โ†’ ๐‘š ๐œ€ ๐’ฉ ~ ๐œ€ โข โ†’ ๐›ฝ ๐œ€ โ„ณ ๐›ฟ

๐œ€ ~ ๐›ฟ

0

is well-defined, for every ๐œ€ โˆˆ ( 0 , ๐œ€ ~ ) . Invoke Lemma 5.2 and take a function ๐œ› โข ( ๐œ€ , ๐‘ฆ ) with | ๐œ› โข ( ๐œ€ , ๐‘ฆ ) | < ๐›ฟ 2 uniformly in ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ , for every ๐œ€ โˆˆ ( 0 , ๐œ€ ~ ) such that ๐›ฝ ๐œ€ โข ( ฮฆ ๐œ€ โข ( ๐‘ฆ ) )

๐‘ฆ + ๐œ› โข ( ๐œ€ , ๐‘ฆ ) , for every ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ . Therefore, we obtain that โ„ฑ โข ( ๐‘ก , ๐‘ฆ )

๐‘ฆ + ( 1 โˆ’ ๐‘ก ) โข ๐œ› โข ( ๐œ€ , ๐‘ฆ ) with ( ๐‘ก , ๐‘ฆ ) โˆˆ [ 0 , 1 ] ร— โ„ณ is a homotopy between ๐›ฝ ๐œ€ โˆ˜ ฮฆ ๐œ€

( ๐›ฝ ๐œ€ โˆ˜ ๐‘š ๐œ€ ) โˆ˜ ๐›ผ ๐œ€ and the inclusion map id: โ„ณ โ†’ โ„ณ ๐›ฟ . Together with [4, Lemma 6.3.21], we obtain that

๐‘ โข ๐‘Ž โข ๐‘ก ๐•Š ~ ๐œ€ โข ( ๐•Š ๐œ€ ~ ) โ‰ฅ ๐‘ โข ๐‘Ž โข ๐‘ก โ„ณ ๐›ฟ โข ( โ„ณ ) .

(5.9)

In what follows, we choose a function โ„Ž โข ( ๐œ€ )

0 such that โ„Ž โข ( ๐œ€ ) โ†’ 0 , as ๐œ€ โ†’ 0 and such that ๐‘ ๐‘ 0 + โ„Ž โข ( ๐œ€ ) is not a critical level for โ„ ๐œ€ . From Lemma 4.8, we see that โ„ ๐œ€ satisfies the Palais-Smale condition in ๐•Š ~ ๐œ€ as ๐œ€

0 . Invoking Ambrosio [4, Theorem 6.3.20], we get that ๐œ“ ๐œ€ has at least ๐‘ โข ๐‘Ž โข ๐‘ก ๐•Š ~ ๐œ€ โข ( ๐•Š ~ ๐œ€ ) critical points on ๐•Š ~ ๐œ€ . Consequently, by Lemma 4.5 and (5.9), we deduce that โ„ ๐œ€ has at least ๐‘ โข ๐‘Ž โข ๐‘ก โ„ณ ๐›ฟ โข ( โ„ณ ) critical points.

Let ๐‘ข ๐œ€ ๐‘› be a solution of problem ( ๐’ฌ ๐œ€ ๐‘› ) , then ๐”ณ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ข ๐œ€ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ + ๐‘ฆ ~ ๐‘› ) is also a solution of problem (5.8). Moreover, there exists ๐”ณ โˆˆ ๐’ฒ , such that, up to a subsequence, ๐”ณ ๐‘› โ†’ ๐”ณ in ๐’ฒ and ๐‘ฆ ๐‘›

๐œ€ ๐‘› โข ๐‘ฆ ~ ๐‘› โ†’ ๐‘ฆ โˆˆ โ„ณ by Lemma 5.3.

We claim that there exists ๐›ฟ ยฏ

0 such that โ€– ๐‘ฃ ๐‘› โ€– ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) โ‰ฅ ๐›ฟ ยฏ , for every ๐‘› large enough. In fact, (5.4) in the proof of Lemma 5.3 implies

0 < ๐›ฝ 2 โ‰ค โˆซ ๐ต ๐‘Ÿ โข ( 0 ) | ๐”ณ ๐‘› | ๐‘ / ๐‘  โข ๐‘‘ ๐‘ฅ โ‰ค | ๐ต ๐‘Ÿ โข ( 0 ) | โข โ€– ๐”ณ ๐‘› โ€– ๐ฟ โˆž โข ( โ„ ๐‘ ) ๐‘ / ๐‘ 

(5.10)

for every ๐‘› large enough. Therefore, we choose ๐›ฟ ยฏ

( ๐›ฝ 2 โข | ๐ต ๐‘Ÿ โข ( 0 ) | ) ๐‘  / ๐‘ . Applying the fact that ๐”ณ ๐‘› โ†’ ๐”ณ in ๐’ฒ , we have lim | ๐‘ฅ | โ†’ โˆž ๐”ณ ๐‘› โข ( ๐‘ฅ )

0 , uniformly in ๐‘› by Lemma 5.5.

Let ๐”ฎ ๐‘› be a global maximum point of ๐”ณ ๐‘› . Invoking Lemma 5.5, we see that there exists ๐‘… > 0 such that | ๐”ฎ ๐‘› | โ‰ค ๐‘… , for every ๐‘› . Consequently, the maximum point of ๐‘ข ๐œ€ ๐‘› is denoted by ๐”ท ๐œ€ ๐‘›

๐”ฎ ๐‘› + ๐‘ฆ ~ ๐‘› . Furthermore, problem ( ๐’ฌ ) possesses a nontrivial nonnegative solution ๐‘ค ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ / ๐œ€ ) . Therefore, the maximum points ๐œ ๐œ€ of ๐‘ค ๐œ€ and ๐”ท ๐œ€ of ๐‘ข ๐œ€ satisfy ๐œ ๐œ€

๐œ€ โข ๐”ท ๐œ€ . We see that

lim ๐œ€ โ†’ 0 + ๐‘ โข ( ๐œ ๐œ€ )

lim ๐‘› โ†’ โˆž ๐‘ โข ( ๐œ€ ๐‘› โข ๐”ท ๐œ€ ๐‘› )

๐‘ 0 .

This completes the proof of Theorem 1.1. โˆŽ

Proof of Theorem 1.2.

We know that ๐‘ค ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ )

๐‘ข ๐œ€ โข ( ๐‘ฅ / ๐œ€ ) is a nontrivial nonnegative solution of problem ( ๐’ฌ ). Set

๐”ณ ๐œ€ ๐‘›

๐‘ค ๐œ€ ๐‘› ( ๐œ€ ๐‘› โ‹… + ๐œ‚ ๐œ€ ๐‘› )

๐‘ข ๐œ€ ๐‘› ( โ‹… + ๐”ท ๐œ€ ๐‘› ) .

Therefore, Lemma 5.3 yields that ( ๐”ณ ๐œ€ ๐‘› ) ๐‘› โ†’ ๐”ณ in ๐’ฒ and ๐”ณ is a ground state solution of the following equation

( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ ๐‘  โข ๐‘ข + ( โˆ’ ฮ” ) ๐‘ž ๐‘  + ๐‘ 0 โข ( | ๐‘ข | ๐‘ โˆ’ 2 โข ๐‘ฃ + | ๐‘ข | ๐‘ž โˆ’ 2 โข ๐‘ข )

[ | ๐‘ฅ | โˆ’ ๐œ‡ โˆ— ๐น โข ( ๐‘ข โข ( ๐‘ฆ ) ) ] โข ๐‘“ โข ( ๐‘ข ) โข in โข โ„ ๐‘ .

This completes the proof of Theorem 1.2. โˆŽ

Proofs of Corollaries 1.3 and 1.4.

Apply a similar discussion as in Liang et al. [24]. โˆŽ

Acknowledgements. The first two authors were supported by the Science and Technology Development Plan Project of Jilin Province, China (No. 20230101287JC), the Research Foundation of Department of Education of Jilin Province ( No. JJKH20251034KJ), the Young outstanding talents project of Scientific Innovation and entrepreneurship in Jilin (No. 20240601048RC). The third author was supported by the Slovenian Research and Innovation Agency program P1-0292 and grants J1-4031, J1-4001, N1-0278, N1-0114, and N1-0083. We thank the referee for comments and suggestions.

References [1] C.O. Alves, D. Cassani, C. Tarsi, M. Yang, Existence and concentration of ground state solutions for a critical nonlocal Schrรถdinger equation in โ„ 2 , J. Differential Equations 261 (2016) 1933โ€“1972. [2] V. Ambrosio, On the multiplicity and concentration of positive solutions for a ๐‘ -fractional Choquard equation in โ„ ๐‘ , Comput. Math. Appl. 78 (2019) 2593โ€“2617. [3] V. Ambrosio, Multiplicity and concentration results for a fractional Choquard equation via penalization method, Potential Anal. 50 (2019) 55โ€“82. [4] V. Ambrosio, Nonlinear fractional Schrรถdinger equations in โ„ ๐‘ , Frontiers in Elliptic and Parabolic Problems. Birkhรคuser/Springer, Cham, 2021. [5] V. Ambrosio, Multiple concentrating solutions for a fractional ( ๐‘ , ๐‘ž ) -Choquard equation, Adv. Nonlinear Stud. 24 (2024) 510โ€“541. [6] V. Ambrosio, T. Isernia, Multiplicity and concentration results for some nonlinear Schrรถdinger equations with the fractional ๐‘ -Laplacian, Discrete Contin. Dyn. Syst. 38 (2018) 5835โ€“5881. [7] V. Ambrosio, V.D. Rฤƒdulescu, Fractional double-phase patterns: concentration and multiplicity of solutions, J. Math. Pures Appl. 142 (2020) 101โ€“145. [8] S.N. Antontsev, S.I. Shmarev, Elliptic equations and systems with nonstandard growth conditions: Existence, uniqueness and localization properties of solutions, Nonlinear Anal. 65 (2006) 722โ€“755. [9] V. Benci, P. Dโ€™Avenia, D. Fortunato, L. Pisani, Solitons in several space dimensions: Derrickโ€™s problem and infinitely many solutions, Arch. Ration. Mech. Anal. 154 (2000) 297โ€“324. [10] D. Bonheure, P. dโ€™Avenia, A. Pomponio, On the electrostatic Born-Infeld equation with extended charges, Commun. Math. Phys. 346 (2016) 877โ€“906. [11] M. Born, L. Infeld, Foundations of the new field theory, Nature 132 (1933) 1004. [12] H. Brรฉzis, E. Lieb, A relation between pointwise convergence of functions and convergence of functionals, Proc. Amer. Math. Soc. 88 (1983) 486โ€“490. [13] S. Chen, L. Li, Z. Yang, Multiplicity and concentration of nontrivial nonnegative solutions for a fractional Choquard equation with critical exponent, Rev. R. Acad. Cienc. Exactas Fs. Nat. Ser. A Mat. RACSAM 114(2020) Paper No. 33, 35 pp. [14] S. Chen, M. Shu, X. Tang, L. Wen, Planar Schrรถdinger-Poisson system with critical exponential growth in the zero mass case, J. Differential Equations 327 (2022) 448โ€“480. [15] Y. Chen, Z. Yang, The existence of multiple solutions for a class of upper critical Choquard equation in a bounded domain, Demonstr. Math. 57 (2024) 20230152. [16] L. Cherfil, V. Ilโ€™yasov, On the stationary solutions of generalized reaction diffusion equations with ๐‘ & ๐‘ž -Laplacian, Commun. Pure Appl. Anal. 1 (2004) 1โ€“14. [17] S. Cingolani, K. Tanaka, Semi-classical states for the nonlinear Choquard equations: existence, multiplicity and concentration at a potential well, Rev. Mat. Iberoam. 35 (2019) 1885โ€“1924. [18] R. Clemente, J.C.D. Albuquerque, E. Barboza, Existence of solutions for a fractional Choquard-type equation in โ„ ๐‘ with critical exponential growth, Z. Angew. Math. Phys. 72 (2021) 16 pp. [19] E. de S. Bรถer, O.H. Miyagaki, Existence and multiplicity of solutions for the fractional ๐‘ -Laplacian Choquard logarithmic equation involving a nonlinearity with exponential critical and subcritical growth, J. Math. Phys. 62 (2021) 051507. [20] M. del Pino, P. Felmer, Local mountain passes for semilinear elliptic problems in unbounded domains, Calc. Var. Partial Differential Equations 4 (1996) 121โ€“137. [21] E. Di Nezza, G.Palatucci, E.Valdinoci, Hitchhikerโ€™s guide to the fractional Sobolev spaces, Bull. Sci. Math. 136 (2012) 521โ€“573. [22] A. Floer, A. Weinstein, Non spreading wave packets for the cubic Schrรถdinger equation with a bounded potential, J. Funct. Anal. 69 (1986) 397โ€“408. [23] Q. Li, Z. Yang, Multiple solutions for a class of fractional quasi-linear equations with critical exponential growth in โ„ ๐‘ , Complex Var. Elliptic Equ. 61 (2016) 969โ€“983. [24] S. Liang, P. Pucci, T. Van Nguyen, Multiplicity and concentration results for some fractional double phase Choquard equation with exponential growth, Asymptot. Anal. (2025), publ. online. DOI: 10.1177/09217134251319160 [25] S. Liang, S. Shi, T.V. Nguyen, Multiplicity and concentration properties for fractional Choquard equations with exponential growth, J. Geom. Anal. 34 (2024) 367. [26] E.H. Lieb, Existence and uniqueness of the minimizing solution of Choquardโ€™s nonlinear equation, Stud. Appl. Math. 57 (1976/77) 93โ€“105. [27] E. Lieb, M. Loss, Analysis, Grad. Stud. Math. 14, American Mathematical Society, Providence, RI, 2001. [28] P.L. Lions, The Choquard equation and related questions, Nonlinear Anal.: Theory, Methods Appl. 4 (1980) 1063โ€“1072. [29] G. Molica Bisci, N.V. Thin, V.D. Rฤƒdulescu, Concentration phenomena for fractional double phase equations with Choquard reaction, preprint. [30] G. Molica Bisci, N.V. Thin, L. Vilasi, On a class of nonlocal Schrรถdinger equations with exponential growth, Adv. Differential Equations 27 (2022) 571โ€“610. [31] N.S. Papageorgiou, V.D. Rฤƒdulescu, D.D. Repovลก, Nonlinear Analysis - Theory and Applications, Springer, Cham, 2019. [32] E. Parini, B. Ruf, On the Moser-Trudinger inequality in fractional Sobolev-Slobodeckij spaces, Atti Accad. Naz. Lincei Rend. Lincei Mat. Appl. 29 (2018) 315โ€“319. [33] P. Pucci, M. Xiang, B. Zhang, Multiple solutions for nonhomogeneous Schrรถdinger-Kirchhoff type equations involving the fractional ๐‘ -Laplacian in โ„ ๐‘ , Calc. Var. Partial Differential Equations 54 (2015) 2785โ€“2806. [34] A. Szulkin, T. Weth, The method of Nehari manifold, Handbook of Nonconvex Analysis and Applications, edited by D. Y. Gao and D. Motreanu, International Press, Boston, 2010, pp. 597โ€“632. [35] N.V. Thin, Multiplicity and concentration of solutions to a fractional ๐‘ -Laplace problem with exponential growth, Ann. Fenn. Math. 47 (2022) 603โ€“639. [36] N.V. Thin, P.T. Thuy. T.T.D. Linh, Existence of solution for the ( ๐‘ , ๐‘ž ) -fractional Laplacian equation with nonlocal Choquard reaction and exponential growth, Complex Var. Elliptic Equ. 69 (2024) 1949โ€“1972. [37] M. Willem, Minimax Theorems, Progress in Nonlinear Differential Equations and Their Applications, Birkhรคuser 1996. [38] Z. Yang, F. Zhao, Multiplicity and concentration behaviour of solutions for a fractional Choquard equation with critical growth, Adv. Nonlinear Anal. 10 (2021) 732โ€“774. [39] B. Zhang, X. Han, N. Thin, Schrรถdinger-Kirchhoff-type problems involving the fractional ๐‘ -Laplacian with exponential growth, Appl. Anal. 102 (2023) 1942โ€“1974. [40] C. Zhang, Trudinger-Moser inequalities in Fractional Sobolev-Slobodeckij spaces and multiplicity of weak solutions to the Fractional-Laplacian equation, Adv. Nonlinear Stud. 19 (2019) 197โ€“217. [41] L. Zhang, Y. Liu, J.J. Nieto, G. Wang, Nonexistence of solutions to fractional parabolic problem with general nonlinearities, Rend. Circ. Mat. Palermo, II. Ser 73 (2024) 551โ€“562. [42] W. Zhang, J. Zhang, V.D. Rฤƒdulescu, Concentrating solutions for singularly perturbed double phase problems with nonlocal reaction, J. Differential Equations 347 (2023) 56โ€“103. [43] X. Zhang, X. Sun, S. Liang, V.T. Nguyen, Existence and concentration of solutions to a Choquard equation involving fractional ๐‘ -Laplace via penalization method, J. Geom. Anal. 34 (2024) 90. [44] J. Zuo, C. Liu, C. Vetro, Normalized solutions to the fractional Schrรถdinger equation with potential, Mediterr. J. Math. 20 (2023) 216. Generated on Sat May 31 06:13:19 2025 by LaTeXML Report Issue Report Issue for Selection

Xet Storage Details

Size:
128 kB
ยท
Xet hash:
1d0e6bc5bb83a2c63402a0020bbc4e5da71cc0af197773f8cdd166a12c8d8b1e

Xet efficiently stores files, intelligently splitting them into unique chunks and accelerating uploads and downloads. More info.