Buckets:
Title: Concentrating solutions of the fractional (๐,๐)-Choquard equation with exponential growth
URL Source: https://arxiv.org/html/2506.00412
Markdown Content: Abstract 1Introduction 2Preliminaries 3The autonomous problem ( ๐ฌ ๐ ) 4The auxiliary problem ( ๐ฌ ๐ ) 5Multiplicity and concentration of positive solutions of problem ( โข ๐ฌ โข ) References Concentrating solutions of the fractional ( ๐ , ๐ ) -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 ) -Choquard equation with exponential growth of the form:
๐ ๐ โข ๐ โข ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ ๐ โข ๐ โข ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
๐ ๐ โ ๐ โข [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) in โ ๐ ,
where ๐ โ ( 0 , 1 ) , ๐ > 0 is a parameter, 2 โค ๐
๐ ๐ < ๐ , and 0 < ๐ < 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
0 small enough. In a certain sense, we generalize some previously known results.
โ 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 ) -Choquard problem in โ ๐ :
๐ ๐ โข ๐ โข ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ ๐ โข ๐ โข ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
๐ ๐ โ ๐ โข [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) ,
( ๐ฌ )
where ๐ is small positive parameter, 0 < ๐ < ๐ , 0 < ๐ < 1 , 2 โค ๐
๐ ๐ < ๐ , the continuous potential ๐ is bounded from below by ๐ 0
0 , the nonlinearity ๐ has an exponential critical growth at infinity, and ( โ ฮ ) โ ๐
( โ โ { ๐ , ๐ } ) is the fractional โ -Laplace operator defined by
( โ ฮ ) โ ๐ โข ๐ข โข ( ๐ฅ )
2 โข lim ๐ โ 0 + โซ โ ๐ โ ๐ต ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) | โ โ 2 โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ ๐ฆ โข for every โข ๐ฅ โ โ ๐ ,
up to a normalization constant in the integral, where ๐ข โ ๐ถ 0 โ โข ( โ ๐ ) and ๐ต ๐ โข ( ๐ฅ ) denotes the ball with center ๐ฅ of radius ๐
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:
( ๐ต 1 )
There exists ๐ 0
0 such that ๐ โข ( ๐ฅ ) โฅ ๐ 0 , for every ๐ฅ โ โ ๐ ;
( ๐ต 2 )
There exists an open bounded set ฮฉ โ โ ๐ such that
๐ 0
inf ๐ฅ โ ฮฉ ๐ โข ( ๐ฅ ) < min ๐ฅ โ โ ฮฉ ๐ โข ( ๐ฅ ) .
( ๐ 1 )
๐ is a continuous function such that ๐ โข ( ๐ก )
0 and for every ๐ก โค 0 and every ๐ 1 , ๐ 2 , such that
๐ 1 โฅ ๐ , ๐ 2 โฅ ๐ ๐ ,
there exist real numbers ๐ 1
0 , ๐ 2
0 , and ๐ฝ 0 , with 0 < ๐ฝ 0 < ๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ ) , such that
๐ โฒ โข ( ๐ก ) โค ๐ 1 โข | ๐ก | ๐ 1 โ 2 + ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข | ๐ก | ๐ 2 โ 2 โข for every โข ๐ก โฅ 0 ,
where (see Parini and Ruf [32] and Zhang [40])
โ ๐ , ๐ โข ( ๐ก )
๐ ๐ก โ โ ๐
0 ๐ ๐ โ 2 ๐ก ๐ ๐ ! , ๐ ๐
min
{
๐
โ
โ
:
๐
โฅ
๐
}
,
and
๐ผ
โ
๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ )
๐ โข [ 2 โข ( ๐ โข ๐ ๐ ) 2 โข ฮ โข ( ๐ + 1 ) ๐ ! โข โ ๐
0 โ ( ๐ + ๐ โ 1 ) ! ๐ ! โข 1 ( ๐ + 2 โข ๐ ) ๐ ] ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ,
๐ ๐
๐ ๐ / 2 ฮ โข ( 1 + ๐ / 2 ) .
(1.1) ( ๐ 2 )
lim ๐ก โ 0 + ๐ โฒ โข ( ๐ก ) ๐ก ๐ โ 2
0 .
( ๐ 3 )
There exists ๐ > ๐ such that ๐ โข ( ๐ก ) โข ๐ก โฅ ๐ โข ๐น โข ( ๐ก ) > 0 , for every ๐ก > 0 , where ๐น โข ( ๐ก )
โซ 0 ๐ก ๐ โข ( ๐ ) โข ๐ ๐ .
( ๐ 4 )
There exists ๐พ 1
0 large enough such that ๐น โข ( ๐ก ) โฅ ๐พ 1 โข | ๐ก | ๐ , for every ๐ก โฅ 0 , where ๐ is as given in ( ๐ 3 ) .
( ๐ 5 )
The function ๐ก โฆ ๐ โข ( ๐ก ) โข ๐ก 1 โ ๐ is strictly increasing on โ +
( 0 , + โ ) .
Once ๐
1 , problem ( ๐ฌ ) reduces to a typical ( ๐ , ๐ ) -elliptic equation:
โ ฮ ๐ โข ๐ข โ ฮ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
๐ป โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐ ,
(1.2)
where ๐ป is nonlinear reaction, ฮ โ โข ๐ข
div โข ( | โ ๐ข | โ โ 2 โข โ ๐ข ) , and โ โ { ๐ , ๐ } . 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 Ilโyasov [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
โ div โข ( โ ๐ข ( 1 โ 2 โข | โ ๐ข | 2 ) 1 / 2 )
โ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐ .
When ๐
๐ , problem ( ๐ฌ ) becomes the fractional ๐ -Laplace Choquard equation of the form:
๐ ๐ โข ๐ โข ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข
๐ ๐ โ ๐ โข [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข in โข โ ๐ ,
(1.3)
where ๐ > 0 is a sufficiently small parameter, typically the Planck constant and ๐น โข ( ๐ก )
โซ 0 ๐ก ๐ โข ( ๐ ) โข ๐ ๐ . We say that a solution of problem (1.3) is semi-classical if ๐ โ 0 + . From the physics point of view, the semi-classical solution is also a solutions of problem (1.3), when ๐ 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
โ ๐ 2 โข ฮ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ข
๐ ๐ โ ๐ โข [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐ โข for every โข 0 < ๐ < 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 ๐น โข ( ๐ข )
| ๐ข | ๐ in problem (1.4), one obtains the following Choquard equation
โ ฮ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ข
( ๐ผ ๐ผ โ | ๐ข | ๐ ) โข | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข โข in โข โ ๐ ,
(1.5)
where ๐ผ ๐ผ is the Riesz potential, ฮ is the Gamma function, and ๐ is a potential function.
When ๐
๐ผ
2 , ๐
3 , and ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ , problem (1.5) reduces to the Choquard-Pekar type equation
โ ฮ โข ๐ข + ๐ โข ๐ข
( ๐ผ 2 โ ๐ข 2 ) โข ๐ข , for every โข ๐ฅ โ 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
โ ฮ โข ๐ข
๐ โข ๐ โข ( ๐ฅ ) โข | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ( ๐ผ ๐ผ โ โข ( ๐ โข | ๐ข | 2 ๐ผ โ ) ) โข | ๐ข | 2 ๐ผ โ โ 2 โข ๐ข โข for every โข ๐ฅ โ ฮฉ ,
where ๐
0 is a parameter, ๐
4 , 0 < ๐ผ < ๐ , ๐ผ ๐ผ is the Riesz potential, ๐ ๐ โ 2 < ๐ < 2 , ฮฉ is a bounded domain with smooth boundary, and ๐ and ๐ are continuous functions. For ๐ 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 2 โข ๐ โข ( โ ฮ ) ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ข
๐ ๐ โ 3 โข ( โซ โ 3 | ๐ข โข ( ๐ฆ ) | 2 ๐ , ๐ โ + ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ ) โข ( | ๐ข | 2 ๐ , ๐ โ โ 2 โข ๐ข + 1 2 ๐ , ๐ โ โข ๐ โข ( ๐ข ) ) โข in โข โ ๐ ,
(1.7)
where 2 ๐ , ๐ โ
6 โ ๐ 3 โ 2 โข 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 ) -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 โ ๐ถ 1 โข ( 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 ) -fractional Choquard equation
( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
( | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ) โข ๐ โข ( ๐ข ) in โ ๐ ,
(1.8)
where ๐ โ [ 0 , ๐ โข ๐ ) , 0 < ๐ < 1 ,
1 < ๐ < ๐ < 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 โข ( ๐ฅ ) 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 ) fractional Choquard equation with exponential growth.
To the best of our knowledge, there are no known results concerning problem ( ๐ฌ ), 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 ( ๐ฌ ) 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 ( ๐ฌ ). Whereas Liang et al. [24] have ๐ โ ๐ถ 1 โข ( โ ) , we need to apply some other techniques to overcome this difficulty.
In addition, this is the first time that problem ( ๐ฌ ) with the Trudinger-Moser nonlinearities has been studied in both cases: ๐ โ ( 0 , 1 ) and ๐ โ 1 โ . Comparing with Ambrosio [5], he studied the subcritical growth ๐ < ๐ ๐ and the local case. We obtain the Sobolev embedding from ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) into ๐ฟ ๐ก โข ( โ ๐ ) , for every ๐ก โ [ ๐ , ๐ ๐ โ ] . However, in this paper we consider the case ๐
๐ โข ๐ , so the embedding ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ โ โข ( 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 ( ๐ฌ ) and ( ๐ฌ ๐ ), so we use certain analytical techniques to overcome this obstacle.
Definition 1.1.
We denote the category of a set ๐ด with respect to a set ๐ต by cat ๐ต โข ( ๐ด ) as the least integer ๐ such that ๐ด โ ๐ด 1 โช โฏ โช ๐ด ๐ , where each ๐ด ๐ , ๐
1 , โฏ , ๐ , is a closed and contractible subset of ๐ต . We set cat ๐ต โข ( โ )
0 and cat ๐ต โข ( ๐ด )
โ if there is no integer with the above property.
Let
โณ
{ ๐ฅ โ โ ๐ : ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ 0 }
(1.9)
and for every ๐ฟ
0 define
โณ ๐ฟ
{ ๐ฅ โ โ ๐ : dist โข ( ๐ฅ , โณ ) โค ๐ฟ } .
We are now ready to state the main results of this paper.
Theorem 1.1.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) , ( ๐ต 2 ) , and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) are satisfied. Then for every ๐ฟ > 0 , there exists ๐ ๐ฟ > 0 such that problem ( ๐ฌ ) has at least cat โณ ๐ฟ โข ( โณ ) positive (weak) solutions for every ๐ > 0 satisfying ๐ < ๐ ๐ฟ . Furthermore, let ๐ค ๐ be a solution of problem ( ๐ฌ ) and ๐ ๐ its global maximum. Then, up to a subsequence, ๐ ๐ โ ๐ฆ โ โณ and lim ๐ โ 0 + ๐ โข ( ๐ ๐ )
๐ 0 .
Theorem 1.2.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) , ( ๐ต 2 ) , and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) are satisfied. Let ๐ค ๐ be a solution of problem ( ๐ฌ ), which exists by Theorem 1.1, and let ๐ ๐ be its global maximum. Then ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ค ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ + ๐ ๐ ) converges strongly in ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) to a ground state solution ๐ข of the following problem
( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ 0 โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐ .
Remark 1.1.
As ๐ โ 1 โ 1 , condition ( ๐ 1 ) reduces to the following condition
( ๐ 1 ) โฒ Continuous function ๐ โข ( ๐ก ) vanishes for every ๐ก โ ( โ โ , 0 ) and for every ๐ 1 , ๐ 2 , with
๐ 1 โฅ ๐ , ๐ 2
๐ ,
there exist constants ๐ 1
0 , ๐ 2
0 and ๐ผ 0 , with 0 < ๐ฝ 0 < ๐ผ โ , such that
๐ โข ( ๐ก ) โค ๐ 1 โข | ๐ก | ๐ 1 โ 1 + ๐ 2 โข โ ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ 1 ) ) โข | ๐ก | ๐ 2 โ 1 โข for every โข ๐ก โ โ 0 + ,
where
โ ๐ โข ( ๐ก )
๐ ๐ก โ โ ๐
0 ๐ โ 2 ๐ก ๐ ๐ ! , 0 < ๐ผ โ โค ๐ผ โ โข ( 1 , ๐ )
lim ๐ โ 1 โ ๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ )
and ๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ ) is given in (1.1).
Invoking Theorem 1.1 and Theorem 1.2 for the case when ๐ โ 1 โ 1 , we get the following results for problem ( ๐ฌ ), respectively.
Corollary 1.3.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) , ( ๐ต 2 ) , ( ๐ 1 ) โฒ , and ( ๐ 2 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then for every ๐ฟ > 0 , there exists ๐ ๐ฟ > 0 such that problem ( ๐ฌ ) has at least cat โณ ๐ฟ โข ( โณ ) positive (weak) solutions for every ๐ โ ( 0 , ๐ ๐ฟ ) . Furthermore, let ๐ค ๐ be a solution of problem ( ๐ฌ ) and ๐ ๐ its global maximum. Then, up to a subsequence, ๐ ๐ โ ๐ฆ โ โณ and lim ๐ โ 0 + ๐ โข ( ๐ ๐ )
๐ 0 .
Corollary 1.4.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) , ( ๐ต 2 ) , ( ๐ 1 ) โฒ , and ( ๐ 2 ) โ ( ๐ 5 ) hold. If ๐ค ๐ is a solution of problem ( ๐ฌ ), which exists by Corollary 1.3, and ๐ ๐ is its global maximum, then ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ค ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ + ๐ ๐ ) converges strongly in ๐ 1 , ๐ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ 1 , ๐ โข ( โ ๐ ) to a ground state solution ๐ข of
โ ฮ ๐ โข ๐ข โ ฮ ๐ โข ๐ข + ๐ 0 โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐
and there exist ๐
0 , ๐ถ
0 such that | ๐ค ๐ โข ( ๐ฅ ) | โค ๐ถ โข ๐ โ ๐ โข | ๐ฅ โ ๐ ๐ | / ๐ , for every ๐ฅ โ 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 ( ๐ฌ ๐ ) associated to problem ( ๐ฌ ). In Section 4, we deal with the auxiliary problem ( ๐ฌ ๐ ). 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 ( ๐ฌ ). For 1 < ๐ < โ , we define the fractional Sobolev space ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) as
๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
{ ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) : [ ๐ข ] ๐ , ๐
( โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) | ๐ | ๐ฅ โ ๐ฆ | 2 โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ ) 1 / ๐ < โ }
and we endow it with the norm
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
( โ ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + [ ๐ข ] ๐ , ๐ ๐ ) 1 / ๐ .
By Pucci et al. [33, Lemma 10], the fractional Sobolev space ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) is a uniformly convex Banach space.
Now, fix ๐
0 and endow ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) with the norm
โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
( ๐ โข โ ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + [ ๐ข ] ๐ , ๐ ๐ ) 1 / ๐ .
Obviously, the norm โฅ โ โฅ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) is equivalent to โฅ โ โฅ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) on ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) .
Let conditions ( ๐ต 1 ) and ( ๐ต 2 ) be satisfied. We denote by ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) the completion of ๐ถ 0 โ โข ( โ ๐ ) , with norm
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
( [ ๐ข ] ๐ , ๐ ๐ + โ ๐ข โ ๐ , ๐ , ๐ ๐ ) 1 / ๐ , โ ๐ข โ ๐ , ๐ , ๐ ๐
โซ โ ๐ ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ข โข ( ๐ฅ ) | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข for every โข ๐
0 .
Pucci et al. [33, Lemma 10] showed that ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) is also a uniformly convex Banach space for 1 < ๐ < โ . Moreover, ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) is a reflexive Banach space. Invoking conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) , and Di Nezza et al. [21, Theorem 6.9], we obtain the continuous embedding ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) for arbitrary ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) .
Let ๐ โ ( 0 , 1 ) and ๐ , ๐ โ ( 1 , โ ) . The natural solution space of problem ( ๐ฌ ) is defined as
๐ฒ ๐
๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
and is equipped with the norm
โ ๐ข โ ๐ฒ ๐
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) + โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) .
With the aid of above definitions, assumptions ( ๐ต 1 ) โ ๐ต 2 ) , and the fact that ๐
๐ ๐ , it is easy to get the continuous embeddings
๐ฒ ๐ โช ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) โข for every โข ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) .
Therefore, there exist the best constants
๐ ๐ , ๐
inf ๐ข โ ๐ฒ ๐
๐ข โ 0 โ ๐ข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) โข for every โข ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) .
By a change of variable ๐ฅ โฆ ๐ โข ๐ฅ , problem ( ๐ฌ ) becomes equivalent to the following equation
( โ ฮ ) ๐ / ๐ ๐ โข ๐ข + ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ข | ๐ ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐
( ๐ฌ ๐ )
which is variational and the (weak) solutions of problem ( ๐ฌ ๐ ) satisfy the following definition.
Definition 2.1.
Let ๐ข โ ๐ฒ ๐ . If for every ๐ โ ๐ฒ ๐ , we have
โ
โ
โ
{
๐
,
๐
}
โฌ
โ
2
โข
๐
|
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
|
โ
โ
2
โข
(
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
)
โข
(
๐
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
+
โ
โข
๐
โข
๐
๐ฅ
โข
๐
๐ฆ
+
โซ
โ
๐
๐
โข
(
๐
โข
๐ฅ
)
โข
(
|
๐ข
|
๐
โ
2
โข
๐ข
+
|
๐ข
|
๐
โ
2
โข
๐ข
)
โข
๐
โข
๐
๐ฅ
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ ,
then ๐ข is called a weak solution of problem ( ๐ฌ ๐ ).
3.The autonomous problem ( ๐ฌ ๐ )
Fix ๐
0 . In this section, we shall consider the autonomous problem ( ๐ฌ ๐ ) , associated with problem ( ๐ฌ ), that is
( โ ฮ ) ๐ / ๐ ๐ โข ๐ข + ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( | ๐ข | ๐ ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐ .
( ๐ฌ ๐ )
We consider the Euler-Lagrange functional โฐ ๐ : ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โ โ corresponding to problem ( ๐ฌ ๐ ) as follows
โฐ ๐ โข ( ๐ข )
1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + 1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โ ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ ๐ฅ ,
(3.1)
where
โ ๐ โข ( ๐ข ) โข ( ๐ฅ )
โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ .
Here, ๐ฒ
๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) is the Banach space, with the norm
โ ๐ข โ
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) + โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) .
We also endow ๐ฒ with the equivalent norm
โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ
โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) + โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) .
Thus, ๐ฒ is a uniformly convex Banach space and so ๐ฒ is also a reflexive Banach space. By Di Nezza et al. [21, Theorem 6.9 ], we obtain the continuous embeddings
๐ฒ โช ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) โข for every โข ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) .
Hence, there exists the best constant ๐ด ๐ , ๐
0 given by
๐ด ๐ , ๐
inf ๐ข โ ๐ฒ
๐ข โ 0 โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ โ ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) โข for every โข ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) .
Lemma 3.1.
(see Zhang [40, Theorem 1.1]) Let ๐ โ ( 0 , 1 ) and ๐
๐ โข ๐ . Then for every ๐ผ , with 0 < ๐ผ < ๐ผ โ โค ๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ ) ,
sup ๐ฃ โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
โ
๐ฃ
โ
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
โค
1
โซ
โ
๐
โ
๐
,
๐
โข
(
๐ผ
โข
|
๐ฃ
|
๐
/
(
๐
โ
๐
)
)
โข
๐
๐ฅ
<
โ
,
where
โข
โ
๐
,
๐
โข
(
๐ก
)
๐ ๐ก โ โ ๐
0 ๐ ๐ โ 2 ๐ก ๐ ๐ ! , ๐ ๐
min { ๐ โ โ : ๐ โฅ ๐ } .
Moreover, for ๐ผ
๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ ) ,
sup ๐ฃ โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
โ ๐ฃ โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โค 1 โซ โ ๐ โ ๐ , ๐ โข ( ๐ผ โข | ๐ฃ | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ
โ ,
where
๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ )
๐ โข ( 2 โข ( ๐ โข ๐ ๐ ) 2 โข ฮ โข ( ๐ + 1 ) ๐ ! โข โ ๐
0 + โ ( ๐ + ๐ โ 1 ) ! ๐ ! โข 1 ( ๐ + 2 โข ๐ ) ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ )
๐ โข ( ๐พ ๐ , ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) .
Remark 3.1.
In Lemma 3.1, if we take the norm โฅ . โฅ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) in ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) , then
( max โก { 1 , ๐ } ) โ 1 / ๐ โข โ ๐ฃ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โค โ ๐ฃ โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โค ( min { 1 , ๐ } ) โ 1 / ๐ โข โ ๐ฃ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) , ๐ฃ โ ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) .
Moreover,
sup ๐ฃ โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ )
โ ๐ฃ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โค ( min { 1 , ๐ } ) ๐ / ๐ โซ โ ๐ โ ๐ , ๐ โข ( ๐ผ โข | ๐ฃ | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ < โ โข for every โข ๐ผ , 0 < ๐ผ < ๐ผ โ โค ๐ผ โ โข ( ๐ , ๐ ) .
Lemma 3.2 (The Hardy-Littlewood-Sobolev inequality, see Lieb [26, 27]).
Let ๐ , ๐ก
1 , and 0 < ๐ < ๐ such that
1 ๐ + ๐ ๐ + 1 ๐ก
2 .
Then there exists a sharp constant ๐ถ โข ( ๐ , ๐ , ๐ , ๐ก )
0 such that
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โข ๐ฃ โข ( ๐ฆ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ โค ๐ถ โข ( ๐ , ๐ , ๐ , ๐ก ) โข โ ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) โข โ ๐ฃ โ ๐ฟ ๐ก โข ( โ ๐ ) โข for every โข ๐ข โ ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) , ๐ฃ โ ๐ฟ ๐ก โข ( โ ๐ ) .
Since ๐
๐ก , we can use Lemma 3.2 and the following equality
2 ๐ก + ๐ ๐
2 ,
that is, when ๐ก
2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ , then the integral
โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐น โข ( ๐ข ) โข ๐ ๐ฅ for every โข ๐น โข ( ๐ข )
| ๐ข | ๐
is well-defined on ๐ฟ ๐ก โข ( โ ๐ ) , with ๐ก
2 โข ๐ / ( 2 โข ๐ โ ๐ ) , along every ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) , provided that ๐ โข ๐ก โฅ ๐ ๐ , due to the continuous embedding ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) , for every ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) . Hence,
๐ โฅ ๐ ๐ โข ๐ก
2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐ .
Consequently, Lemma 3.1, assumption ( ๐ 1 ) and the fact that ๐ถ 0 โ โข ( โ ๐ ) is dense in ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) , imply that โฐ ๐ is well-defined on ๐ฒ and of class ๐ถ 1 โข ( ๐ฒ ) . Furthermore, for every ๐ข โ ๐ฒ ,
โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ข ) , ๐ โฉ
โ โ โ { ๐ , ๐ } โซ โ 2 โข ๐ | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) | โ โ 2 โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
- ๐ โข โซ โ ๐ ( | ๐ข | ๐ ๐ โ 2 โข ๐ข
- | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข ) โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ โข for every โข ๐ โ ๐ฒ .
Here โจ โ , โ โฉ is the dual pairing between ๐ฒ and its dual space ๐ฒ โฒ . Consequently, the (weak) solutions of problem (3.1) are also the critical points of ๐ฅ ๐ in ๐ฒ .
Lemma 3.3.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) , ( ๐ 1 ) , and ( ๐ 5 ) hold. Then there exist constants ๐ก 0 , ๐ 0 > 0 such that โฐ ๐ โข ( ๐ข ) โฅ ๐ 0 , for every ๐ข โ ๐ฒ , with โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ
๐ก 0 .
Proof.
By condition ( ๐ 1 ) , with
๐ 1 โฅ ๐
๐ ๐
2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐ , ๐ 2 โฅ ๐ ๐ ,
there exist ๐ 1
0 , ๐ 2
0 such that
๐ โฒ โข ( ๐ก ) โค ๐ 1 โข | ๐ก | ๐ 1 โ 2 + ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข | ๐ก | ๐ 2 โ 2 โข for every โข ๐ก โ โ .
This implies that
๐ โข ( ๐ก ) โค ๐ 1 โข | ๐ก | ๐ 1 โ 1 + ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข | ๐ก | ๐ 2 โ 1 โข for every โข ๐ก โ โ .
Therefore, we get
| ๐น โข ( ๐ก ) | โค ๐ 1 โข | ๐ก | ๐ 1 + ๐ 2 โข | ๐ก | ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข for every โข ๐ก โ โ .
(3.2)
By Lemma 3.2, we obtain that
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ โค ๐ถ โข ( ๐ , ๐ , ๐ ) โข โ ๐น โข ( ๐ข ) โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) 2 โข for every โข ๐ข โ ๐ฒ .
(3.3)
Moreover, (3.2) yields that
โ ๐น โข ( ๐ข ) โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) โค ๐ 1 โข โ ๐ข ๐ 1 โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) + ๐ 2 โข โ | ๐ข | ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ข | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) .
(3.4)
Applying the Hรถlder inequality with ๐ > 1 and ๐ โฒ > 1 close to 1 , 1 / ๐ + 1 / ๐ โฒ
1 , and using the arguments from the proof of Li and Yang [23, Lemma 2.3 ], we can show that for every
๐ฉ
2 โข ๐ โข ๐ โฒ 2 โข ๐ โ ๐ ,
there exists a constant ๐ถ โข ( ๐ฉ )
0 such that
( โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) ) 2 โข ๐ โข ๐ โฒ 2 โข ๐ โ ๐ โค ๐ถ โข ( ๐ฉ ) โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข for every โข ๐ก โ โ .
(3.5)
Hence, (3.5) implies that for every ๐ข โ ๐ฒ ,
โ | ๐ข | ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ข | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ )
( โซ โ ๐ ( | ๐ข | ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฝ 0 โข | ๐ข | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) ) 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ๐ ๐ฅ ) 2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐
โค โ ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ ๐ 2 โข ( โซ โ ๐ ๐ถ โข ( ๐ฉ ) โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข | ๐ข | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ ) 2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐ .
(3.6)
We apply Lemma 3.1, taking โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ small enough, and get
๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) โค ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ผ โ ,
(3.7)
hence
โซ โ ๐ โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข | ๐ข | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ
โซ โ ๐ โ ๐ , ๐ โข ( ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) โข ( | ๐ข | โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ < โ .
(3.8)
Together with (3.3)-(3.8), assuming โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ to be small enough, we conclude that there exist appropriate constants ๐ฅ 1
0 and ๐ฅ 2
0 such that
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ โค ๐ฅ 1 โข โ ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) 2 โข ๐ 1 + ๐ฅ 2 โข โ ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐ 2 .
(3.9)
Thus, by (3.1) and the continuity of the embeddings ๐ฒ โช ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ ๐ก โข ( โ ๐ ) , for every ๐ก โฅ ๐ / ๐ , we obtain that
โฐ ๐ โข ( ๐ข )
โฅ ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ + 1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ ๐ฅ 1 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 1 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 1 โ ๐ฅ 2 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 2 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 2
โฅ 2 1 โ ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ ๐ โ ๐ฅ 1 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 1 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 1 โ ๐ฅ 2 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 2 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 2
(3.10)
for โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ small enough. Let
๐ โข ( ๐ก )
2 1 โ ๐ ๐ โ ๐ 1 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 1 โข ๐ก 2 โข ๐ 1 โ ๐ ๐ โ ๐ฅ 2 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 2 โข ๐ก 2 โข ๐ 2 โ ๐ ๐ , ๐ก โฅ 0 .
We claim that there exists ๐ก 0
0 so small that
๐ โข ( ๐ก 0 ) โฅ 2 1 โ ๐ 2 โข ๐
๐ 0 .
Clearly, ๐ is continuous in โ 0 + and lim ๐ก โ 0 + ๐ โข ( ๐ก )
2 โข ๐ 0 , so there exists ๐ก 0 such that ๐ โข ( ๐ก ) โฅ ๐ 0 , for every ๐ก โ [ 0 , ๐ก 0 ] . We take ๐ก 0 even smaller, if necessary, so that โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ
๐ก 0 satisfies (3.7). This proves the claim. Hence โฐ ๐ โข ( ๐ข ) โฅ ๐ 0 โข ๐ก 0 ๐
๐ 0 , for every ๐ข โ ๐ฒ , with โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ
๐ก 0 . This completes the proof of Lemma 3.3. โ
In the sequel, ๐ ๐ : ๐ฒ โ โ will denote the functional
๐ ๐ โข ( ๐ข )
1 2 โข โซ โ ๐ โ ๐ โข ( ๐ข ) โข ( ๐ฅ ) โข ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ ๐ฅ ,
(3.11)
where โ ๐ is given in (3.1).
Lemma 3.4.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) , ( ๐ต 2 ) , and ( ๐ 4 ) hold. Then there exists a nonnegative function ๐ฃ โ ๐ถ 0 โ โข ( โ ๐ ) , with โ ๐ฃ โ ๐ , ๐ฒ
๐ก 0 , such that โฐ ๐ โข ( ๐ฃ ) < 0 , where ๐ก 0
0 is the number given by Lemma 3.3.
Proof.
Fix ๐ข 0 โ ๐ถ 0 โ โข ( โ ๐ ) โ { 0 } , with ๐ข 0 โฅ 0 in โ ๐ . Set
โ ๐ โข ( ๐ก )
๐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข 0 / โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) for every ๐ก
0 ,
where ๐ ๐ is defined in (3.11). Condition ( ๐ 4 ) gives
โ ๐ โฒ โข ( ๐ก )
โ ๐ โฒ โข ( ๐ก โข ๐ข 0 / โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ ) โข ๐ข 0 โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ
โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ก โข ๐ข 0 / โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) ] โข ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข 0 / โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) โข ๐ข 0 โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ โข ๐ ๐ฅ
๐ ๐ก โข โ ๐ โข ( ๐ก ) .
Integrating the above inequality on [ 1 , ๐ก โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ] , with ๐ก
1 / โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ , we get
โ ๐ โข ( ๐ก โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) โฅ โ ๐ โข ( 1 ) โข ( ๐ก โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) ๐
which implies that
๐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข 0 ) โฅ ๐ ๐ โข ( ๐ข 0 โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ๐ โข ๐ก ๐ .
Therefore, we have
โฐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข 0 )
๐ โข ๐ก ๐ / ๐ ๐ โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ โซ โ ๐ โ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข 0 ) โข ( ๐ฅ ) โข ๐น โข ( ๐ก โข ๐ข 0 ) โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ โข ๐ก ๐ / ๐ ๐ โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ โ ๐ โข ( ๐ข 0 โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ ) โข โ ๐ข 0 โ ๐ ๐ โข ๐ก ๐
for every ๐ก > 1 / โ ๐ข 0 โ ๐ , ๐ฒ , choosing ๐ฃ
๐ก โข ๐ข 0 and ๐ก large enough. This completes the proof of Lemma 3.4. โ
Lemmas 3.3 and 3.4 show that โฐ ๐ satisfies the geometric conditions of the Mountain Pass Theorem, therefore there exists a Palais-Smale sequence { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฒ for โฐ ๐ at level ๐ ๐ , briefly ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ , that is,
โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐ and โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 0 โข in ๐ฒ โฒ , as โข ๐ โ โ ,
๐ ๐
inf ๐ โ ฮ max ๐ก โ [ 0 , 1 ] โก โฐ ๐ โข ( ๐ โข ( ๐ก ) ) ,
(3.12)
where ฮ
{ ๐ โ ๐ถ โข ( [ 0 , 1 ] , ๐ฒ ) : ๐ โข ( 0 )
0 , โฐ ๐ โข ( ๐ โข ( 1 ) ) < 0 } . We denote Nehari manifold โณ ๐ related to โฐ ๐ by
โณ ๐
{
๐ข
โ
๐ฒ
{
0
}
:
โจ
โฐ
๐
โฒ
โข
(
๐ข
)
,
๐ข
โฉ
0 } .
Let us define
๐ฏ ๐ + := { ๐ข โ ๐ฒ : | supp โข ( ๐ข + ) |
0 }
(3.13)
and ๐ ๐ 0 +
๐ ๐ 0 โฉ ๐ฏ ๐ + , where ๐ ๐ is the unit sphere in ๐ฒ . We know that ๐ฏ ๐ + is an open subset of ๐ฒ .
Invoking the fact above and the definition of ๐ ๐ + , we obtain that ๐ ๐ + is an incomplete ๐ถ 1 , 1 -manifold of codimension 1 modelled on ๐ฒ and contained in ๐ฏ ๐ + . Therefore, ๐ฒ
๐ ๐ข โข ๐ ๐ 0 + โ โ โข ๐ข for every ๐ข โ ๐ ๐ 0 + , where
๐ ๐ข โข ๐ ๐ +
{
๐ฃ
โ
๐
:
โ
โ
โ
{
๐
,
๐
}
โฌ
โ
2
โข
๐
|
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
|
โ
โ
2
โข
(
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
)
โข
(
๐
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
+
โ
โข
๐
๐
๐ฅ
๐
๐ฆ
+
โซ
โ
๐
๐
(
|
๐ข
|
๐
โ
2
๐ข
+
|
๐ข
|
๐
โ
2
๐ข
)
๐
๐
๐ฅ
0 } .
Since ๐ is only continuous, the following result plays an important role in overcoming the nondifferentiability of โณ ๐ and the incompleteness of ๐ ๐ .
Lemma 3.5.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then
( ๐ )
For every ๐ข โ ๐ฏ ๐ + and โฌ ๐ข : [ 0 , โ ) โ โ , defined as โฌ ๐ข โข ( ๐ก ) := โฐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข ) , there exists a unique ๐ก ๐ข
0 such that โฌ ๐ข โฒ โข ( ๐ก )
0 in ( 0 , ๐ก ๐ข ) and โฌ ๐ข โฒ โข ( ๐ก ) < 0 on ( ๐ก ๐ข , + โ ) .
( ๐ โข ๐ )
โณ ๐ is bounded away from 0 and โณ ๐ is closed in ๐ฒ . There exists ๐
0 independent on ๐ข , such that ๐ก ๐ข โฅ ๐ , for every ๐ข โ ๐ ๐ . Moreover, for each compact set ๐ฆ โ ๐ ๐ , there exists ๐ถ ๐ฆ such that ๐ก ๐ข โค ๐ถ ๐ฆ , for every ๐ข โ ๐ฆ .
( ๐ โข ๐ โข ๐ )
The map ๐ ~ ๐ : ๐ฏ ๐ + โ โณ ๐ , given by ๐ ~ ๐ โข ( ๐ข )
๐ก ๐ข โข ๐ข , is continuous and ๐ ๐ := ๐ ~ ๐ | ๐ ๐ + is a homeomorphism between ๐ ๐ + and โณ ๐ , and ๐ ๐ โ 1 โข ( ๐ข )
๐ข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ .
Proof.
For every ๐ข โ ๐ฏ ๐ + and ๐ก โฅ 0 ,
โฌ ๐ข โข ( ๐ก )
โฐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข )
๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ก โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐ก โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ .
By (3.9), (3) and the continuity of the embeddings ๐ฒ โช ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โช ๐ฟ ๐ก โข ( โ ๐ ) for every ๐ก โ [ ๐ ๐ , + โ ) , we get
โฌ ๐ข โข ( ๐ก )
โฐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข ) โฅ ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ ๐ 1 โข โ ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) 2 โข ๐ 1 โ ๐ท โข โ ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐ 2
โฅ ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ ๐ก 2 โข ๐ 1 โข ๐ 1 โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 1 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 1 โ ๐ก 2 โข ๐ 2 โข ๐ท โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ 2 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 2 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 2
(3.14)
which yields โฌ ๐ข โข ( ๐ก ) โ 0 + , as ๐ก โ 0 + . Moreover, we obtain that โฌ ๐ข โข ( ๐ก ) โ โ โ , as ๐ก โ โ . Therefore, there exists ๐ก ๐ข โ ( 0 , โ ) such that โฌ ๐ข โข ( ๐ก ๐ข )
max ๐ก โฅ 0 โก โฌ ๐ข โข ( ๐ก ) . Furthermore, โฌ ๐ข โฒ โข ( ๐ก ๐ข )
0 . Now we shall verify that ๐ก ๐ข is a unique critical point of โฌ ๐ข in ( 0 , โ ) . Arguing by contradiction, suppose that there exist 0 < ๐ก 1 < ๐ก 2 < โ such that โฌ ๐ข โฒ โข ( ๐ก 1 )
โฌ ๐ข โฒ โข ( ๐ก 2 )
0 . Consequently, we have
๐ก 1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก 1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
and
๐ก 2 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก 2 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ .
By two equalities above and ( ๐ 4 ) , we obtain
0
<
(
1
๐ก
1
๐
โ
๐
โ
1
๐ก
2
๐
โ
๐
)
โฅ
โข
๐ข
โฅ
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ 1 | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข | ๐น โข ( ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ( ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ๐ 2 โข ๐ โข ( ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) ( ๐ก 1 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) ๐ 2 โ 1 โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ๐ 2 โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) ๐ 2 | โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ 1 | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข | ๐น โข ( ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ( ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ๐ 2 โข ๐ โข ( ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) ( ๐ก 2 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) ๐ 2 โ 1 โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ๐ 2 โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) ๐ 2 | โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
< 0
which is impossible. Therefore, we have completed the proof of ( ๐ ) .
( ๐ โข ๐ ) Let ๐ข โ โณ ๐ . We shall prove that the first part of conclusion is true in the following two cases.
Case 1. โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ )
๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข ๐ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) .
In this case we are done.
Case 2. โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข ๐ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) .
Applying the Trudinger-Moser inequality, we obtain
sup ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โซ โ ๐ ฮฆ ๐ , ๐ โข ( ๐ผ 0 โข | ๐ข | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ < + โ โข for every โข 0 โค ๐ผ < ๐ผ โ .
(3.15)
Using the Hardy-Littlewood-Sobolev inequality again and ( ๐ 3 ) , it follows that
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โค ๐ถ โข โ ๐น โข ( ๐ข ) โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข โ ๐ โข ( ๐ข ) โข ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โค ๐ถ โข โ ๐ โข ( ๐ข ) โข ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ 2 .
By ( ๐ 1 ) and ( ๐ 2 ) , for every ๐ โ
0 and ๐ 1 โฅ ๐
๐ ๐
2 โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐ and ๐ 2 โฅ ๐ ๐ , there exists ๐ถ ๐ , ๐ โ
0 such that
โ ๐ โข ( ๐ข ) โข ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โค ๐ โ โข โ | ๐ข | ๐ 1 โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ + ๐ถ ๐ , ๐ โ โข โ | ๐ข | ๐ 2 โข โ ๐ , ๐ โข ( ๐ผ 0 โข | ๐ก | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐
(3.16)
for every ๐ก โฅ 0 . Using inequality (3.16) and the definition of ๐ด ๐ , ๐ , there exists a constant ๐ถ โข ( ๐ โ ) such that
โ ๐ โข ( ๐ข ) โข ๐ข โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ 2 โค ๐ โ โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 1 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 1 + ๐ถ โข ( ๐ , ๐ โ ) โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 2 โข for some โข ๐ 1 โฅ ๐ , ๐ 2 โฅ ๐ ๐ .
(3.17)
In view of โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ข ) , ๐ข โฉ
0 , we get
โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ โ โข ๐ด 2 โข ๐ โข ๐ 1 2 โข ๐ โ ๐ , ๐ โ 2 โข ๐ 1 โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 1 + ๐ถ โข ( ๐ , ๐ โ ) โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ 2 โข ๐ 2 .
Therefore
โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ โฅ ๐ผ for every โข ๐ข โ โณ ๐ .
(3.18)
For any sequence { ๐ฒ ๐ } ๐ โ โณ ๐ , such that ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ , we have to prove that ๐ข โ โณ ๐ . Indeed, by the fact that ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ , we obtain โ ๐ฒ ๐ โ ๐ข โ ๐ , ๐ฒ โ 0 , as ๐ โ โ . Using the discussion as in Willem [37, Lemma A.1], there exists a subsequence { ๐ฒ ๐ } ๐ of { ๐ข ๐ } ๐ satisfying โ ๐ฒ ๐ + 1 โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ฒ โค 2 โ ๐ for every ๐ โฅ 1 . We denote ๐ฐ โข ( ๐ฅ ) := | ๐ฒ 1 โข ( ๐ฅ ) | + โ ๐
1 โ | ๐ฒ ๐ + 1 โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | . Together with the fact that ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ , we obtain | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โค ๐ฐ โข ( ๐ฅ ) for every ๐ฅ โ โ ๐ and | ๐ข โข ( ๐ฅ ) | โค ๐ฐ โข ( ๐ฅ ) in โ ๐ . Clearly, โ ๐ฐ โ ๐ , ๐ฒ โค โ ๐ฒ 1 โ ๐ , ๐ฒ + โ ๐
1 โ 2 โ ๐ < + โ , hence ๐ฐ โ ๐ฒ .
Since { ๐ฒ ๐ } ๐ is a subsequence of { ๐ฒ ๐ } ๐ , we have
โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
lim ๐ โ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
(3.19)
We shall now prove
lim ๐ โ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ฒ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
(3.20)
We have
| | ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โ | ๐น โข ( ๐ฒ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ | โค 2 โข | ๐น โข ( ๐ฐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ .
Now we shall show that
| ๐น โข ( ๐ฐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฐ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โ ๐ฟ 1 โข ( โ ๐ ) .
(3.21)
By Zhang et al. [39, Lemma 2.4], we have
โซ โ ๐ โ ๐ , ๐ โข ( ๐ผ 0 โข | ๐ฐ | ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ < + โ .
(3.22)
Together with (3.16)-(3.17), we deduce (3.21). Therefore,
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โ ๐ฟ 1 โข ( โ ๐ ) .
Furthermore,
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ 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 ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ โข ( โ ๐ ) , we have
โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) | | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
which yields ๐ข โ โณ ๐ .
In the sequel, we shall verify that the second part of the conclusion is also true.
Applying ( ๐ ) , there exists ๐ก ๐ข
0 such that ๐ก ๐ข โข ๐ข โ โณ ๐ for every ๐ข โ ๐ ๐ . Therefore, it follows from (3.18) that ๐ก ๐ข โฅ ๐ผ . We shall argue by contradiction that ๐ฒ ๐ โ ๐ฆ satisfies ๐ก ๐ := ๐ก ๐ฒ ๐ โ โ . Due to the compactness of ๐ฆ , we may suppose that ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ . Then ๐ข โ ๐ฆ โ ๐ ๐ . By ( ๐ 4 ) , we obtain
โฐ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ )
1 ๐ โข ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + 1 ๐ โข ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โฅ 1 ๐ โข ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + 1 ๐ โข ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ ๐พ 1 2 โข ๐ก ๐ 2 โข ๐ โข โ | ๐ฒ ๐ | ๐ โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) 2 โ โ โ
due to ๐
๐ . However, since ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โ โณ ๐ , we have
โฐ ๐ | โณ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ )
1 ๐ โข ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + 1 ๐ โข ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
โค โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข [ 1 ๐ โข ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ 1 2 โข ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) ] โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โฅ 0
which is impossible.
By ( ๐ ) โ ( ๐ โข ๐ ) and the arguments from the proof of Szulkin and Weth [34, Proposition 3.1], we obtain ( ๐ โข ๐ โข ๐ ) . This completes the proof of Lemma 3.5. โ
Remark 3.2.
By Lemma 3.5, the least energy ๐ ๐ 0 satisfies the following equality:
๐ ๐
inf ๐ข โ โณ ๐ โฐ ๐ โข ( ๐ข )
inf
๐ข
โ
๐ฒ
{
0
}
max
๐ก
>
0
โก
โฐ
๐
โข
(
๐ก
โข
๐ข
)
inf ๐ข โ ๐ ๐ max ๐ก
0 โก โฐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข ) .
(3.23)
Considering the functional ฮฆ ๐ : ๐ฎ ๐ โ โ given by
ฮฆ ๐ โข ( ๐ ) := โฐ ๐ โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ ) )
(3.24)
similarly to Szulkin and Weth [34, Corollary 3.3], we have:
Lemma 3.6.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then the following statements are true:
( ๐ )
If { ๐ฒ ๐ } ๐ is a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for ฮฆ ๐ , then { ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) } is a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for โฐ ๐ . If { ๐ฒ ๐ } ๐ โ โณ ๐ is a bounded ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for โฐ ๐ , then { ๐ ๐ โ 1 โข ( ๐ฒ ๐ ) } ๐ is a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for ฮฆ ๐ .
( ๐ โข ๐ )
๐ข is a critical point of ฮฆ ๐ if and only if ๐ ๐ โข ( ๐ข ) is a nontrivial critical point of โฐ ๐ . Moreover, inf โณ ๐ โฐ ๐
inf ๐ฎ ๐ ฮฆ ๐ .
Lemma 3.7.
(see Liang et al. [25, Lemma 5]) Let ( ๐ 1 ) be satisfied. We suppose that { ๐ฒ ๐ } ๐ is a sequence in ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) such that
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข ๐ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) for some ๐ฉ
1 ,
where ๐
min { 1 , ๐ } . Then there exists ๐ถ 0
0 such that
| | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) | โค ๐ถ 0 โข for every โข ๐ .
Lemma 3.8.
(see Molica Bisci et al. [30, Lemma 4]) Let ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) . If { ๐ฒ ๐ } ๐ is a bounded sequence in ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) and
lim ๐ โ โ sup ๐ฆ โ โ ๐ โซ ๐ต ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ โข ๐ ๐ฅ
0
for some ๐
0 , then ๐ฒ ๐ โ 0 in ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) , for every ๐ โ ( ๐ , โ ) .
As in the proof of Molica Bisci et al. [30, Theorem 7], we get
Lemma 3.9.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) hold. Then
lim sup ๐ก โ 0 + ๐ โข ( ๐ก ) โข ๐ก 1 โ ๐
0
for some ๐ โฅ ๐ / ๐ . Let { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฒ be weakly convergent to 0 and such that
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข ๐ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ,
where ๐ฝ 0 , ๐ผ โ are given in ( ๐ 1 ) and (1.1), ๐
min { 1 , ๐ } , and ๐ฉ
1 is a suitable constant. If there exists ๐
0 such that
lim inf ๐ โ โ sup ๐ฆ โ โ ๐ โซ ๐ต ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ฒ ๐ | ๐ โข ๐ ๐ฅ
0 ,
then
โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โข ๐ฒ ๐ โ 0 and โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 0 โข as โข ๐ โ โ .
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 ๐ถ ๐พ 1 such that ๐ 0 โค ๐ ๐ โค ๐ถ ๐พ 1 , where ๐ 0 is the number determined by Lemma 3.3 ,
๐พ 1 is the constant given in ( ๐ 4 ) ,
๐ถ ๐พ 1
๐ โข ( 1 โ ๐ 2 โข ๐ โข ๐ ) โข ( ๐ โข ๐ 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ ) ๐ / ( 2 โข ๐ โข ๐ โ ๐ ) ,
and
๐
๐ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ ๐ + 1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ .
Proposition 3.1.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then problem ( ๐ฌ ๐ ) has a nontrivial nonnegative (weak) solution.
Proof.
By Lemmas 3.3 and 3.4, there exists a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฒ , satisfying (3.12). We shall divide the proof into two steps.
Step 1. { ๐ฒ ๐ } ๐ is a bounded sequence in ๐ฒ .
Up to a subsequence, we may suppose that { ๐ฒ ๐ } ๐ is strongly convergent in ๐ฒ . From (3.12), we have
โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 1 ๐ โข โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
๐ ๐ + ๐ ๐ โข ( 1 ) + ๐ ๐ โข ( 1 ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ฒ โข as โข ๐ โ โ ,
(3.25)
where ๐ is given in ( ๐ 3 ) . Moreover,
โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 1 ๐ โข โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
( ๐ ๐ โ 1 ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ + ( 1 ๐ โ 1 ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
- โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข [ 1 ๐ โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โข ๐ฒ ๐ โ 1 2 โข ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ .
Condition ( ๐ 2 ) implies that
โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 1 ๐
โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ โฅ ( ๐ ๐ โ 1 ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ + ( 1 ๐ โ 1 ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ .
(3.26)
Combining (3.25) and (3.26), we get as ๐ โ โ ,
( ๐ ๐ โ 1 ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ + ( 1 ๐ โ 1 ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โค ๐ ๐ + ๐ ๐ โข ( 1 ) + ๐ ๐ โข ( 1 ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ฒ .
(3.27)
Observing that lim ๐ฅ โ โ , ๐ฆ โ โ ๐ โข ๐ฅ ๐ / ๐ + ๐จ โข ๐ฆ ๐ ๐ฅ + ๐ฆ
โ , for fixed numbers ๐
0 , ๐จ
0 , we conclude that { ๐ฒ ๐ } ๐ is a bounded sequence in ๐ฒ . Since โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 1 ๐ โข โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ โ ๐ ๐ as ๐ โ โ , it follows that
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐ โค ๐ ๐ 1 ๐ โ 1 ๐ โค ๐ถ ๐พ 1 1 ๐ โ 1 ๐
(3.28)
and
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โค ๐ ๐ 1 ๐ โ 1 ๐ โค ๐ถ ๐พ 1 1 ๐ โ 1 ๐ .
(3.29)
From (3.28), we have
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข ๐ ๐ / ( ๐ โ ๐ )
(3.30)
for some ๐ฉ
0 and ๐พ 1 large enough such that
๐ถ ๐พ 1 1 ๐ โ 1 ๐ < ( ๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 ) ( ๐ โ ๐ ) / ๐ โข ๐ ,
when ๐พ 1 โฅ ๐พ โ , where
๐พ โ
1 | ๐ โข ๐ต 1 โข ( 0 ) | โข 2 โข ๐ โข ( ๐ โ ๐ ) ๐ โข ( ๐ , ๐ โ ๐ + 1 )
(3.31)
and ๐
โซ 0 1 ๐ก ๐ฅ โ 1 โข ( 1 โ ๐ก ) ๐ฆ โ 1 โข ๐ ๐ก , ๐ฅ
0 , ๐ฆ
0 is Beta function. This implies that
๐พ 1 โฅ 1 | ๐ โข ๐ต 1 โข ( 0 ) | โข ๐ โข ๐ โข ( ๐ โ ๐ ) ๐ โข ๐ โข ๐ โข ( ๐ , ๐ โ ๐ + 1 ) โข [ ๐ โข ( 1 โ ๐ 2 โข ๐ โข ๐ ) ( ๐ ๐ โ 1 ๐ ) โข ๐ โข ( ๐ผ โ ๐ โข ๐ฝ 0 ) ( ๐ โ ๐ ) / ๐ ] 2 โข ๐ โข ๐ โ ๐ 2 โข ๐
๐พ โ โ .
Hence, (3.30) holds for every ๐พ 1 โฅ max โก { ๐พ โ , ๐พ โ โ } .
Step 2. We shall show that there exist ๐
0 , ๐ฟ
0 and a sequence { ๐ฆ ๐ } ๐ โ โ ๐ such that
lim inf ๐ โ โ โซ ๐ต ๐ โข ( ๐ฆ ๐ ) | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โฅ ๐ฟ
0 , โ โ { ๐ , ๐ } .
(3.32)
Arguing by contradiction, we assume that for some ๐
0 , we have
lim ๐ โ โ sup ๐ฆ โ โ ๐ โซ ๐ต ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ
0 , โ โ { ๐ , ๐ } .
(3.33)
Then Lemma 3.8 yields that ๐ฒ ๐ โ 0 in ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) , for every ๐
โ . Condition (3.33), Lemma 3.9 and the Trudinger-Moser inequality imply that
โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โข ๐ฒ ๐ โข ๐ ๐ฅ โ 0 โข as โข ๐ โ โ .
Therefore,
๐ ๐ โข ( 1 )
โจ โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โข ๐ฒ ๐ โข ๐ ๐ฅ
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ ๐ โข ( 1 ) โข as โข ๐ โ โ .
So ๐ฒ ๐ โ 0 in ๐ ๐ , ๐ / ๐ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) . Passing to the limit as ๐ โ โ , we have
โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ )
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ ๐ + โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ ๐ โ โซ โ ๐ [ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐น โข ( ๐ฒ ๐ ) โข ๐ ๐ฅ โ 0
which contradicts with the fact that โฐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐
0 , as ๐ โ โ . Thus (3.32) holds.
Put ๐ณ ๐
๐ฒ ๐ ( โ + ๐ฆ ๐ ) , then from (3.32) we have
โซ ๐ต ๐ โข ( 0 ) | ๐ณ ๐ | โ โข ๐ ๐ฅ โฅ ๐ฟ / 2
0 , โ โ { ๐ , ๐ } โข for some โข ๐ฟ
0 .
(3.34)
Because โฐ ๐ and โฐ ๐ โฒ are invariant under translation, we have
โฐ ๐ โข ( ๐ณ ๐ ) โ ๐ ๐ and โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ณ ๐ ) โ 0 in โข ๐ฒ โฒ .
Since โ ๐ณ ๐ โ ๐ , ๐ฒ
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ฒ for every ๐ , then { ๐ณ ๐ } ๐ is also bounded in ๐ฒ and
lim sup ๐ โ โ โ ๐ณ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ )
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ผ โ ๐ฉ โข ๐ฝ 0 โข ๐ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) .
(3.35)
Hence, choosing a subsequence if necessary, we may assume that there exists ๐ณ โ ๐ฒ such that ๐ณ ๐ โ ๐ณ in ๐ ,
๐ณ ๐ โ ๐ณ in ๐ฟ ๐ โข ( ๐ต ๐ โข ( 0 ) ) , for every ๐ โ [ ๐ / ๐ , โ ) and ๐
0 , and ๐ณ ๐ โ ๐ณ a.e. in โ ๐ . Clearly, (3.34) implies that
โซ ๐ต ๐ โข ( 0 ) | ๐ณ | โ โข ๐ ๐ฅ โฅ ๐ฟ / 2
0 , โ โ { ๐ , ๐ } ,
hence, ๐ณ โข 0 .
Arguing similarly to the proof of Thin et al. [36, Lemma 13], we get that โฐ ๐ โฒ โข ( ๐ณ )
0 and ๐ณ is indeed a ground state solution of problem ( ๐ฌ ๐ ). This completes the proof of Proposition 3.1. โ
4.The auxiliary problem ( ๐ฌ ๐ )
Using the transformation ๐ฅ โฆ ๐ โข ๐ฅ , problem ( ๐ฌ ) can be rewritten as follows
( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) .
( ๐ฌ ๐ )
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 โ ฮฉ and ๐ โข ( 0 )
๐ 0 . Fix โ 0
0 . We define
๐ ^ โข ( ๐ก ) := {
๐ โข ( ๐ก ) if โข ๐ก โค ๐ ,
๐ 0 โ 0 โข ๐ก ๐ โ 1 if โข ๐ก
๐ ,
and
๐
^
โข
(
๐ก
)
:=
{
๐
โข
(
๐ฅ
,
๐ก
)
๐ ฮฉ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ โข ( ๐ก ) + ( 1 โ ๐ ฮฉ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ ^ โข ( ๐ก ) if โข ๐ก
0 ,
0 if โข ๐ก โค 0 .
To study problem ( ๐ฌ ๐ ), we introduce the Euler-Lagrange functional โ ๐ : ๐ฒ ๐ โ โ by
โ ๐ โข ( ๐ข )
โ โ โ { ๐ , ๐ } 1 โ โข โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , โ โข ( โ ๐ ) โ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐บ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
By conditions ( ๐ต 1 ) , ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) , the functional โ ๐ is well defined on ๐ฒ ๐ and of class ๐ถ 2 โข ( ๐ฒ ๐ ) . Moreover, the critical points of โ ๐ are exactly the (weak) solutions of problem ( ๐ฌ ๐ ). Associated to the energy functional โ ๐ , we denote the Nehari manifold ๐ฉ ๐ by
๐ฉ ๐
{ ๐ฃ โ ๐ฒ ๐ โ { 0 } : โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ฃ ) , ๐ฃ โฉ
0 } ,
where
โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ฃ ) , ๐ โฉ
โ โ โ { ๐ , ๐ } โซ โ 2 โข ๐ | ๐ฃ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฃ โข ( ๐ฆ ) | โ โ 2 โข ( ๐ฃ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฃ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
- โซ โ ๐ ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ฃ | ๐ โ 2 โข ๐ฃ
- | ๐ฃ | ๐ โ 2 โข ๐ฃ ) โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ฃ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฃ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
for every ๐ฃ , ๐ โ ๐ฒ ๐ .
Lemma 4.1.
Suppose that conditions ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. The the following statements hold:
( ๐ 1 )
lim ๐ก โ 0 + ๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) ๐ก ๐ โ 1
0 uniformly with respect to ๐ฅ โ โ ๐ ;
( ๐ 2 ) ( ๐ )
0 < ๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โค ๐ โข ( ๐ก ) for every ๐ก
0 , for every ๐ฅ โ โ ๐ ;
( ๐ โข ๐ )
๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก )
0 for every ๐ก โค 0 , for every ๐ฅ โ โ ๐ ;
( ๐ 3 ) ( ๐ )
0 < ๐ โข ๐บ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โค ๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โข ๐ก , for every ๐ฅ โ ฮฉ and ๐ก
0 ;
( ๐ โข ๐ )
0 โค ๐ โข ๐บ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โค ๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โข ๐ก โค ๐ 0 โ 0 โข ( ๐ก ๐ + ๐ก ๐ ) for every ๐ฅ โ โ ๐ โ ฮฉ and ๐ก
0 ;
( ๐ 4 )
for every ๐ฅ โ ฮฉ , the function ๐ก โฆ ๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) ๐ก ๐ 2 โ 1 is strictly increasing on ( 0 , + โ ) ;
( ๐ 5 )
for every ๐ฅ โ โ ๐ โ ฮฉ , function ๐ก โฆ ๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) ๐ก ๐ 2 โ 1 is strictly increasing on ( 0 , ๐ ) .
Proof.
We shall only give the proof of ( ๐ 3 ) โ ( ๐ โข ๐ ) . The rest of the properties can be verified by the definition of ๐ . Using ( ๐ 5 ) , we obtain that
๐ โข ( ๐ก ) ๐ก ๐ โค ๐ โข ( ๐ ) ๐ ๐
๐ 0 โ 0 for every ๐ก โ [ 0 , ๐ ] .
Consequently,
๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โข ๐ก
๐ โข ( ๐ก ) โข ๐ก โค ๐ 0 โ 0 โข ๐ก ๐ โค ๐ 0 โ 0 โข ( ๐ก ๐ + ๐ก ๐ ) โข for every โข ๐ก โ [ 0 , ๐ ] .
If ๐ก โ ( ๐ , + โ ) , we have
๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก )
๐ 0 โ 0 โข ๐ก ๐ < ๐ 0 โ 0 โข ( ๐ก ๐ + ๐ก ๐ ) .
From ( ๐ 2 ) and ( ๐ 2 ) , we obtain that
๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โข ๐ก
๐ โข ( ๐ก ) โข ๐ก โฅ ๐ โข ๐น โข ( ๐ก )
๐ โข ๐น โข ( ๐ก ) โฅ ๐ โข ๐บ โข ( ๐ฅ , ๐ก )
0 โข for every โข ๐ก โ [ 0 , ๐ ] .
In addition, if ๐ก โ ( ๐ , + โ ) , we have
๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก )
๐ ^ โข ( ๐ก )
๐ 0 โ 0 โข ๐ก ๐ โ 1 .
Hence
๐บ โข ( ๐ฅ , ๐ก )
๐ 0 ๐ โข โ 0 โข ๐ก ๐
and
๐ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) โข ๐ก
๐ 0 โ 0 โข ๐ก ๐
๐ โข ๐บ โข ( ๐ฅ , ๐ก ) .
This completes the proof of Lemma 4.1. โ
Lemma 4.2.
(see [24, Proposition 3.1]) Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ๐ต 2 and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 3 ) hold. Then there is a real number ๐ฏ โ
0 such that
โ ๐ข โ ๐ฒ ๐ โฅ ๐ฏ โ
0 โข for every โข ๐ข โ ๐ฉ ๐ .
Lemma 4.3.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then โ ๐ satisfies the following the geometric conditions:
( ๐ )
There exist real numbers ๐ผ โ > 0 , ๐ โ > 0 such that for every ๐ข โ ๐ฒ ๐ : โ ๐ข โ ๐ฒ ๐
๐ โ , we have โ ๐ โข ( ๐ข ) โฅ ๐ผ โ
0 ;
( ๐ โข ๐ )
There exists ๐ข โ ๐ฒ ๐ such that โ ๐ข โ ๐ฒ ๐
๐ โ and โ ๐ โข ( ๐ข ) < 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. โ
By virtue of Lemma 4.2 and the Mountain Pass Theorem, there exists a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฒ ๐ , that is,
โ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐ and โ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 0 ,
where
๐ ๐ := inf ๐พ โ ฮ max ๐ก โ [ 0 , 1 ] โก โ ๐ โข ( ๐พ โข ( ๐ก ) )
and ฮ
{ ๐พ โ ( ๐ถ 0 โข [ 0 , 1 ] , ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) ) : ๐พ โข ( 0 )
0 , โ ๐ โข ( ๐พ โข ( 1 ) ) } < 0 .
We give the definition of ๐ฏ ๐ + as follows:
๐ฏ ๐ + := { ๐ข โ ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) : | supp โข ( ๐ข + ) โฉ ฮฉ ๐ |
0 } โ ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) ,
ฮฉ ๐ := { ๐ฅ โ โ ๐ : ๐ โข ๐ฅ โ ฮฉ } . Let ๐ ๐ be a the unit sphere in ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) and denote by ๐ ๐ +
๐ ๐ โฉ ๐ฏ ๐ + . Note that ๐ ๐ + is an incomplete ๐ถ 1 , 1 -manifold of codimension 1, modelled on ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) and contained in the open ๐ฏ ๐ + . Thus, ๐ฒ ๐
๐ ๐ข โข ๐ ๐ + โ โ โข ๐ข , for every ๐ข โ ๐ ๐ + , where
๐ ๐ข โข ๐ ๐ +
{
๐ฃ
โ
๐ฒ
:
โ
โ
โ
{
๐
,
๐
}
โฌ
โ
2
โข
๐
|
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
|
โ
โ
2
โข
(
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
)
โข
(
๐
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
+
โ
โข
๐
๐
๐ฅ
๐
๐ฆ
+
โซ
โ
๐
๐
(
๐
๐ฅ
)
(
|
๐ข
|
๐
โ
2
๐ข
+
|
๐ข
|
๐
โ
2
๐ข
)
๐
๐
๐ฅ
0 } .
As in Lemmas 3.5 and 3.6, the following results can be obtained.
Lemma 4.4.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then the following statements are true:
( ๐ )
There exists a unique ๐ก ๐ข โข ๐ข โ ๐ฉ ๐ and โ ๐ โข ( ๐ก ๐ข โข ๐ข )
max ๐ก
0 โก โ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข ) for every ๐ข โ ๐ฏ ๐ + . Moreover, we have ๐ ๐ โฅ ๐
0 and
๐ ๐
inf ๐ข โ ๐ฉ ๐ โ ๐ โข ( ๐ข )
inf ๐ข โ ๐ฏ ๐ + max ๐ก > 0 โก โ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข )
inf ๐ข โ ๐ ๐ + max ๐ก
0 โก โ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข ) .
( ๐ โข ๐ )
๐ฉ ๐ is bounded away from 0, and there exists ๐ผ
0 such that ๐ก ๐ข โฅ ๐ผ , for every ๐ข โ ๐ ๐ . Moreover, for every compact subset ๐ฆ โ ๐ ๐ + , there exists ๐ถ ๐ฆ
0 such that ๐ก ๐ข โค ๐ถ ๐ฆ , for every ๐ข โ ๐ฆ .
( ๐ โข ๐ โข ๐ )
The continuous map ๐ ^ ๐ : ๐ฒ ๐ โ ๐ฉ ๐ is given by ๐ ^ ๐ โข ( ๐ข )
๐ก ๐ข โข ๐ข and ๐ ๐ := ๐ ^ ๐ | ๐ ๐ + is a homeomorphism between ๐ ๐ + and ๐ฉ ๐ , and ๐ ๐ โ 1 โข ( ๐ข )
๐ข โ ๐ข โ ๐ฒ ๐ .
Exploring the functional ฮ ๐ โข ( ๐ข ) := โ ๐ โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ข ) ) , 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 ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold. Then the following statements are true:
( ๐ )
If { ๐ฒ ๐ } ๐ is a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for ฮ ๐ , then { ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) } ๐ is a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for โ ๐ . Moreover, if { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฉ ๐ is a bounded ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for โ ๐ , then { ๐ ๐ โ 1 โข ( ๐ฒ ๐ ) } ๐ is a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for ฮ ๐ .
( ๐ โข ๐ )
๐ข is a critical point of ฮ ๐ if and only if ๐ ๐ โข ( ๐ข ) is a nontrivial critical point of โ ๐ . Furthermore, inf ๐ฉ ๐ โ ๐
inf ๐ ๐ + ฮ ๐ .
Lemma 4.6.
๐ ๐ and ๐ ๐ satisfy the following inequalities
lim sup ๐ โ 0 + ๐ ๐ โค ๐ ๐ โค ๐ถ ๐พ 1 .
(4.1) Proof.
Let ๐ โ ๐ถ 0 โ โข ( โ ๐ ) such that ๐ โก 1 on ๐ต ๐ฟ / 2 โข ( 0 ) , supp ( ๐ ) โ ๐ต ๐ฟ โข ( 0 ) โ ฮฉ for some ๐ฟ
0 and ๐ โก 0 on ๐ต ๐ฟ โข ( 0 ) ๐ . We define
๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) := ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) for every ๐
0 ,
where ๐ข is the ground state solution of problem ( ๐ฌ ๐ ) obtained in Proposition 3.1. We know that supp ( ๐ข ๐ ) โ ฮฉ ๐ and ๐ข ๐ โ ๐ข in ๐ฒ (see Ambrosio and Isernia [6, Lemma 2.4]). If we assume that ๐ก ๐
0 with ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โ ๐ฉ ๐ , then
๐ ๐ โค โ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฃ ๐ )
๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐บ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
Since ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โ ๐ฉ ๐ , we have
๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
(4.2)
Moreover, it follows from ( ๐ 3 ) that
โ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ฃ ๐ )
๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ 1 2 โข โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
โฅ โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น ( ๐ก ๐ ๐ข ๐ ( ๐ฆ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข [ 1 ๐ โข ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ ) โข ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ๐ โข ๐ฅ โ 1 2 โข ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ ) ] โข ๐ ๐ฅ โฅ 0 .
(4.3)
This fact implies that { ๐ก ๐ } is bounded, as ๐ โ 0 + . Indeed, suppose to the contrary, that { ๐ก ๐ } is unbounded when ๐ โ 0 + . Consequently, together with ( ๐ 4 ) , we would have
โ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ ) โฅ ๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ข ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ ๐ โข โ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ โ ๐พ 1 2 โข ๐ก ๐ 2 โข ๐ โข โ | ๐ข ๐ | ๐ โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ 2 โ โ โ
which is a contradiction with (4). Thus, we may suppose that ๐ก ๐ โ ๐ก 0 , as ๐ โ 0 + . Using the Vitaliโs Theorem, we obtain
lim sup
๐
โ
0
+
๐
๐
โค
๐ก
0
๐
๐
โข
โ
๐ข
โ
๐
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
๐ก
0
๐
๐
โข
โ
๐ข
โ
๐
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โ
1
2
โข
โซ
โ
๐
โซ
โ
๐
๐น
โข
(
๐ก
0
โข
๐ข
โข
(
๐ฆ
)
)
โข
๐น
โข
(
๐ก
0
โข
๐ข
โข
(
๐ฅ
)
)
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
โข
๐
๐ฆ
โข
๐
๐ฅ
โฐ ๐ โข ( ๐ก 0 โข ๐ข ) .
We shall now verify that ๐ก 0
1 . For every ๐
0 , there exists ๐ก ๐
0 such that
โ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ )
max ๐ก โฅ 0 โก โ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ข ๐ ) .
Therefore, โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ ) , ๐ข ๐ โฉ
0 and we have
๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ โข โ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
which means that
โ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก ๐ ๐ โ ๐ โข โ ๐ข ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ๐ก ๐ ๐ โ 1 โข | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
(4.4)
Passing to the limit as ๐ โ 0 in (4.4) and using the fact that ๐ข ๐ โ ๐ข in ๐ ๐ , ๐ ๐ โข ( โ ๐ ) (see Ambrosio and Isernia [6, Lemma 2.4]), we obtain
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + ๐ก 0 ๐ โ ๐ โข โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐น โข ( ๐ก 0 โข ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ก 0 โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ข โข ( ๐ฅ ) ๐ก 0 ๐ โ 1 โข | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
Together with this fact, ๐ข โ โณ ๐ and ( ๐ 5 ) , we deduce that ๐ก 0
1 . Therefore,
lim sup ๐ โ 0 + ๐ ๐ โค โฐ ๐ โข ( ๐ฃ )
๐ ๐ .
Combining with Lemma 3.10, we can obtain that the last inequality hold in (4.1). This completes the proof of Lemma 4.6. โ
Lemma 4.7.
The functional โ ๐ satisfies the Palais-Smale condition at level ๐ ๐ , for every ๐ โ ( 0 , ๐ 0 ) .
Proof.
Let { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) be a ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ sequence for โ ๐ , i.e.,
โ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐ and โ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 0 as ๐ โ โ .
We shall complete the proof of this lemma by the following two claims.
Claim 1. { ๐ฒ ๐ } ๐ is bounded in ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) .
Indeed, by ( ๐ 3 ) , we have
๐ ๐ + ๐ ๐ โข ( 1 )
โ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 1 2 โข ๐ โข โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
(
1
๐
โ
1
2
โข
๐
)
โข
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
2
โข
๐
โข
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
2
โข
โซ
โ
๐
โซ
โ
๐
๐น
โข
(
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
โข
[
1
๐
โข
๐
โข
(
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
)
โข
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐น
โข
(
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
)
]
โข
๐
๐ฆ
โข
๐
๐ฅ
โฅ
1
2
โข
๐
โข
(
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
)
1 2 โข ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ฒ ๐
which implies that { ๐ฒ ๐ } ๐ is bounded in ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) . Moreover, we obtain
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ฒ ๐ ๐ โค 2 โข ๐ โข ๐ ๐ .
(4.5)
Together with this fact and Lemma 3.10, we obtain that
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ฒ ๐ โค 2 โข ๐ โข ๐ ๐ โค 2 โข ๐ โข ๐ถ ๐พ 1
2 โข ๐ โข ๐ โข ( 1 โ ๐ 2 โข ๐ โข ๐ ) โข ( ๐ โข ๐ 2 โข ๐ โข ๐ โข ๐ ) ๐ / ( 2 โข ๐ โข ๐ โ ๐ ) := ๐ข
(4.6)
for ๐พ 1 โฅ max โก { ๐พ โ , ๐ } , where ๐พ โ , ๐ are given in (3.31) and Lemma 3.10, respectively. Therefore, going to a subsequence if necessary, we may assume that ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ ๐ ,
๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฟ ๐ โข ๐ โข ๐ ๐ โข ( โ ๐ ) for every ๐ โ [ ๐ ๐ , + โ ) and ๐ฒ ๐ โ ๐ข a.e. in โ ๐ .
Claim 2. ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ condition holds in ๐ฒ ๐ .
We shall divide the proof into three steps. We first verify that ๐ข is a critical point of โ ๐ . For every ๐ โ ๐ถ ๐ โ โข ( โ ๐ ) , we have
โ โ โ { ๐ , ๐ } โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ โ 2 โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โ โ โ โ { ๐ , ๐ } โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) | โ โ 2 โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
and
โซ โ ๐ ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ฒ ๐ | โ โ 2 โข ๐ฒ ๐ โข ๐ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ข | โ โ 2 โข ๐ข โข ๐ โข ๐ ๐ฅ for every โ โ { ๐ , ๐ } .
Step 1. We prove that
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
(4.7)
Since the boundedness of { ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฅ , ๐ฒ ๐ ) } ๐ in ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) ,
๐ฒ ๐ โ ๐ข a.e. in โ ๐ , and ๐ก โฆ ๐บ โข ( โ , ๐ก ) is continuous, hence
๐บ โข ( ๐ โข ๐ฅ , ๐ฒ ๐ ) โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฅ , ๐ข ) โข in โข ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) .
From Lemma 3.2, we obtain the linear bounded operator
1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐น โ ๐ฟ 2 โข ๐ ๐ โข ( โ ๐ ) for every โข ๐น โ ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) ,
from ๐ฟ 2 โข ๐ 2 โข ๐ โ ๐ โข ( โ ๐ ) to ๐ฟ 2 โข ๐ ๐ โข ( โ ๐ ) . Therefore, 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ , ๐ฒ ๐ ) โ 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ , ๐ข ) in ๐ฟ 2 โข ๐ ๐ โข ( โ ๐ ) . Since ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ โข ( ๐ข ) in ๐ฟ ๐ โข ๐ โข ๐ ๐ โข ( โ ๐ ) , for every ๐ โ [ ๐ , + โ ) , we deduce that (4.7) is true. Consequently, in view of โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ โฉ
๐ ๐ โข ( 1 ) , for every ๐ โ ๐ถ ๐ โ โข ( โ ๐ ) , we obtain โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ข ) , ๐ โฉ
0 , for every ๐ โ ๐ถ ๐ โ โข ( โ ๐ ) . Since ๐ถ ๐ โ โข ( โ ๐ ) is dense in ๐ฒ ๐ , we obtain that ๐ข is a critical point of โ ๐ .
Step 2. We shall prove that for every ๐ , there exists ๐
๐ โข ( ๐ )
0 such that
lim sup ๐ โ โ โซ ๐ต ๐ ๐ ( โ โ โ { ๐ , ๐ } โซ โ ๐ | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) | โ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ ๐ฆ + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ฒ ๐ | ๐ + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ฒ ๐ | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ < ๐ .
(4.8)
For every ๐ > 0 , let ๐ ๐ โ ๐ถ ๐ โ โข ( โ ๐ ) such that 0 โค ๐ ๐ โค 1 , ๐ ๐
0 in ๐ต ๐ โข ( 0 ) , ๐ ๐
1 in ๐ต 2 โข ๐ ๐ โข ( 0 ) , and | โ ๐ ๐ | โค ๐ถ ๐ for some constant ๐ถ > 0 independent of ๐ . Since { ๐ ๐ โข ๐ฒ ๐ } ๐ is bounded in ๐ฒ ๐ โข ( โ ๐ ) , it follows that โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ ๐ โข ๐ฒ ๐ โฉ
๐ ๐ โข ( 1 ) , i.e.,
โซ
โ
๐
โซ
โ
๐
|
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฆ
)
|
๐
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
+
๐
โข
๐
โข
๐
๐
โข
(
๐ฅ
)
โข
๐
๐ฆ
โข
๐
๐ฅ
+
โซ
โ
๐
โซ
โ
๐
|
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
โ
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฆ
)
|
๐
|
๐ฅ
โ
๐ฆ
|
๐
+
๐
โข
๐
โข
๐
๐
โข
(
๐ฅ
)
โข
๐
๐ฆ
โข
๐
๐ฅ
+
โซ
โ
๐
๐
โข
(
๐
โข
๐ฅ
)
โข
|
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
|
๐
โข
๐
๐ฅ
+
โซ
โ
๐
๐
โข
(
๐
โข
๐ฅ
)
โข
|
๐ฒ
๐
โข
(
๐ฅ
)
|
๐
โข
๐
๐ฅ
๐ ๐ โข ( 1 ) + โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
โ โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ โ 2 โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + ๐ โข ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โ โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ โ 2 โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + ๐ โข ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ .
(4.9)
By Lemma 3.7, then there exists โ 0
0 such that
sup ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) | | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐บ โข ( ๐ฒ ๐ ) | โ 0 < 1 2 .
(4.10)
Let ๐
0 be such that ฮฉ ๐ โ ๐ต ๐ . By the definition of ๐ ๐ , ( ๐ 3 ) โ ( ๐ โข ๐ ) and (4.10), we get
โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + ๐ โข ๐ โข ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ + โซ โ ๐ โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + ๐ โข ๐ โข ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ
- 1 2 โข โซ โ ๐ ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐
- | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ ๐ โ โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ โ 2 โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + ๐ โข ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โ โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ โ 2 โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + ๐ โข ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ .
(4.11)
For โ โ { ๐ , ๐ } , by virtue of the Hรถlder inequality and the boundedness of { ๐ฒ ๐ } ๐ in ๐ฒ ๐ , we have
โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ โ 2 โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ( ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โค ๐ถ โข ( โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ โข ๐ ๐ฆ ) 1 โ .
(4.12)
Next, by the definition of ๐ ๐ , polar coordinates and the boundedness of { ๐ฒ ๐ } ๐ in ๐ฒ ๐ , we obtain
โฌ โ 2 โข ๐ | ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โซ โ ๐ โซ | ๐ฆ โ ๐ฅ |
๐ | ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ + โซ โ ๐ โซ | ๐ฆ โ ๐ฅ | โค ๐ | ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ ๐ โข ( ๐ฆ ) | โ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โข | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โข ๐ ๐ฆ
โค ๐ถ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ( โซ | ๐ฆ โ ๐ฅ |
๐ ๐ โข ๐ฆ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ ) โข ๐ ๐ฅ + ๐ถ ๐ โ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ( โซ | ๐ฆ โ ๐ฅ | โค ๐ ๐ โข ๐ฆ | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ + โ โข ๐ โ โ ) โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ถ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ( โซ | ๐ง |
๐ ๐ โข ๐ง | ๐ง | ๐ + โ โข ๐ ) โข ๐ ๐ฅ + ๐ถ ๐ ๐ก โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ( โซ | ๐ง | โค ๐ ๐ โข ๐ง | ๐ง | ๐ + โ โข ๐ โ โ ) โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ถ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โข ( โซ ๐ โ ๐ โข ๐ ๐ ๐ โข โ + 1 ) + ๐ถ ๐ โ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โข ( โซ 0 ๐ ๐ โข ๐ ๐ ๐ โข โ โ โ + 1 )
โค ๐ถ ๐ ๐ โข โ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ + ๐ถ ๐ โ โข ๐ โ ๐ โข โ + โ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ โค ๐ถ ๐ ๐ โข โ โข โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) | โ โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ถ ๐ ๐ โข โ โ 0 as ๐ โ โ , where โข โ โ { ๐ , ๐ } .
(4.13)
Gathering (4)-(4), we infer that (4.8) is satisfied.
Step 3. We verify that ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ ๐ as ๐ โ โ .
In view of (4.8), we obtain ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) , for every ๐ โ [ ๐ , + โ ) . Indeed, fixed ๐ > 0 , there exists ๐
๐ โข ( ๐ )
0 such that (4.8) holds. Using the compactness embedding ๐ฒ ๐ โช โช ๐ฟ ๐ โข ๐ โข ๐ ๐ ( โ ๐ ) and ( ๐ต 1 ) , we see
lim sup ๐ โ โ | ๐ฒ ๐ โ ๐ข | ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
lim sup ๐ โ โ [ | ๐ฒ ๐ โ ๐ข | ๐ฟ ๐ โข ( ๐ต ๐ โข ( 0 ) ) ๐ + | ๐ฒ ๐ โ ๐ข | ๐ฟ ๐ โข ( ๐ต ๐ ๐ โข ( 0 ) ) ๐ ]
โค 2 ๐ โ 1 โข lim sup ๐ โ โ ( | ๐ฒ ๐ | ๐ฟ ๐ โข ( ๐ต ๐ ๐ โข ( 0 ) ) ๐ + | ๐ข | ๐ฟ ๐ โข ( ๐ต ๐ ๐ โข ( 0 ) ) ๐ )
โค 2 ๐ โ 1 ๐ 0 โข lim sup ๐ โ โ โซ ๐ต ๐ ๐ โข ( 0 ) ( โซ โ ๐ | ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ | ๐ฅ โ ๐ฆ | 2 โข ๐ โข ๐ ๐ฆ + ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ฒ ๐ | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ
- 2 ๐ โ 1 ๐ 0 โข โซ ๐ต ๐ ๐ โข ( 0 ) ( โซ โ ๐ | ๐ข โข ( ๐ฅ ) โ ๐ข โข ( ๐ฆ ) | ๐ | ๐ฅ โ ๐ฆ | 2 โข ๐ โข ๐ ๐ฆ
- ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข | ๐ข | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ < 2 ๐ ๐ 0 โข ๐ .
Due to the arbitrariness of ๐ ,
๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) . By interpolation, ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) for every ๐ โ [ ๐ , + โ ) , as desired. Arguing similarly as in the proof of [43, Lemma 22], we can obtain that
โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ โ โซ โ ๐ โซ โ ๐ ๐บ โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) โข ๐ โข ( ๐ข โข ( ๐ฅ ) ) | ๐ฅ โ ๐ฆ | ๐ โข ๐ ๐ฆ โข ๐ ๐ฅ .
(4.14)
Therefore, it follows from โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
๐ ๐ โข ( 1 ) and โจ โ ๐ โฒ โข ( ๐ข ) , ๐ข โฉ
๐ ๐ โข ( 1 ) that
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐ + โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐ + โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐ + ๐ ๐ โข ( 1 ) .
By the Brรฉzis-Lieb lemma, we get that
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ข โ ๐ฒ ๐ โ
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , โ โ โ โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , โ โ + ๐ ๐ โข ( 1 ) for every โ โ { ๐ , ๐ } .
Therefore
โ ๐ฒ ๐ โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐ + โ ๐ฒ ๐ โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ ๐ , ๐ ๐
๐ ๐ โข ( 1 ) .
Moreover, we obtain ๐ฒ ๐ โ ๐ข in ๐ฒ ๐ . This completes the proof of Lemma 4.7. โ
Lemma 4.8.
(see Ambrosio [5, Corollary 3.1]) The functional ฮฆ ๐ satisfies the ( ๐ โข ๐ ) ๐ ๐ condition at level ๐ ๐ , for every ๐ โ ( 0 , ๐ 0 ) on ๐ ๐ .
5.Multiplicity and concentration of positive solutions of problem ( โข Q โข )
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 ๐ฟ > 0 . Let ๐ด be a ground state solution of equation ( ๐ฌ ๐ 0 ) , so that โฐ ๐ 0 โข ( ๐ด )
๐ ๐ 0 and โฐ ๐ 0 โฒ โข ( ๐ด )
0 . Let ๐ be a smooth nonincreasing cut-off function in โ 0 + such that ๐ โข ( ๐ก )
1 if 0 โค ๐ก โค ๐ฟ / 2 and ๐ โข ( ๐ก )
0 if ๐ก โฅ ๐ฟ . For ๐
0 and any ๐ฆ โ โณ , we define
๐ ๐ , ๐ฆ โข ( ๐ฅ )
๐ โข ( | ๐ โข ๐ฅ โ ๐ฆ | ) โข ๐ด โข ( ๐ โข ๐ฅ โ ๐ฆ ๐ ) , ๐ฅ โ โ ๐
and ฮฆ ๐ : โณ โ ๐ฉ ๐ is given by ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ )
๐ก ๐ โข ๐ ๐ , ๐ฆ , when ๐ก ๐
0 satisfies
max ๐ก โฅ 0 โก โ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ ๐ , ๐ฆ )
โ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ ๐ , ๐ฆ ) .
We obtain that ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) has compact support in โ ๐ for every ๐ฆ โ โณ .
Lemma 5.1.
(see Liang et al. [24, Lemma 5.1]) The function ฮฆ ๐ has the following property
lim ๐ โ 0 + โ ๐ โข ( ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) )
๐ ๐ 0 , uniformly in โข ๐ฆ โ โณ .
For any ๐ฟ > 0 , let ๐
๐ โข ( ๐ฟ )
0 be such that โณ ๐ฟ โ ๐ต ๐ โข ( 0 ) . We define the function ๐ณ : โ ๐ โ โ ๐ by
๐ณ โข ( ๐ฅ )
{ ๐ฅ ,
if โข | ๐ฅ | < ๐ ,
๐ โข ๐ฅ | ๐ฅ | ,
if โข | ๐ฅ | โฅ ๐ .
In what follows, let the barycenter map ๐ฝ ๐ : ๐ฉ ๐ โ โ ๐ be defined by
๐ฝ ๐ โข ( ๐ข )
โซ โ ๐ ๐ณ โข ( ๐ โข ๐ฅ ) โข ( | ๐ข โข ( ๐ฅ ) | ๐ + | ๐ข โข ( ๐ฅ ) | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ โซ โ ๐ ( | ๐ข | ๐ + | ๐ข | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ , ๐ข โ ๐ฉ ๐ .
Arguing as in the similar discussion of [35, Lemma 14], we obtain the following result.
Lemma 5.2.
The map ๐ฝ ๐ โ ฮฆ ๐ satisfies the following limit
lim ๐ โ 0 + ๐ฝ ๐ โข ( ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) )
๐ฆ , uniformly in โข ๐ฆ โ โณ .
(5.1) Lemma 5.3.
Let ๐ ๐ โ 0 + and { ๐ฒ ๐ } ๐ โ ๐ฉ ๐ ๐ satisfy โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐ 0 , as ๐ โ โ . Then there exists a sequence { ๐ฆ ~ ๐ } ๐ โ โ ๐ such that the sequence ๐ณ ๐
๐ฒ ๐ ( โ + ๐ฆ ~ ๐ ) has a subsequence which strongly converges in ๐ฒ . Furthermore, up to a subsequence, ๐ฆ ๐
๐ โข ๐ฆ ~ ๐ โ ๐ฆ โ โณ .
Proof.
Since โจ โ ๐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
0 and โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐ 0 , we can see that { ๐ฒ ๐ } ๐ is a bounded sequence in ๐ฒ . Indeed, by ( ๐ 3 ) โ ( ๐ โข ๐ ) , we have
โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ )
โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ 1 2 โข ๐ โข โจ โ ๐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
( 1 ๐ โ 1 2 โข ๐ ) โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + 1 2 โข ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ , ๐ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
- 1 2 โข โซ โ ๐ [ 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ , ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) ] โข ( 1 ๐ โข ๐ โข ( ๐ โข ๐ฅ , ๐ข ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฅ , ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) ) โข ๐ ๐ฅ โฅ 1 2 โข ๐ โข โ ๐ฒ ๐ โ ๐ฒ ๐ ๐ .
Therefore
lim sup ๐ โ โ โ ๐ฒ ๐ โ ๐ฒ ๐ โค 2 โข ๐ โข ๐ ๐ 0 .
(5.2)
By conditions ( ๐ต 1 ) and ( ๐ต 2 ) , we obtain that
โ ๐ข โ ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) โค min { 1 , ๐ 0 } 1 ๐ โข โ ๐ข โ ๐ฒ ๐ .
(5.3)
Together with the continuous embedding ๐ฒ ๐ ๐ โช ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) , we get that { ๐ฒ ๐ } ๐ is bounded in ๐ฒ .
Next, we claim that there exist a sequence { ๐ฆ ~ ๐ } ๐ โ โ ๐ and constants ๐ , ๐ฟ
0 such that
lim inf ๐ โ + โ โซ ๐ต ๐ โข ( ๐ฆ ~ ๐ ) | ๐ข ๐ | ๐ โข ๐ ๐ฅ โฅ ๐ฟ
0 .
(5.4)
Suppose to the contrary, that for every ๐
0 , we deduce that
lim ๐ โ + โ sup ๐ฆ โ โ ๐ โซ ๐ต ๐ โข ( ๐ฆ ) | ๐ฒ ๐ | ๐ โข ๐ ๐ฅ
0 .
Together with Lemma 3.8, we obtain that ๐ฒ ๐ โ 0 in ๐ฟ ๐ โข ( โ ๐ ) , for every ๐ โ ( ๐ , + โ ) . Using Lemma 3.1 and (5.2), we get
lim ๐ โ โ โซ โ ๐ [ 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ , ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) ] โข ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฅ , ๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ ) ) โข ๐ ๐ฅ
0 .
Together with ๐ฒ ๐ โ ๐ฉ ๐ ๐ , we have ๐ฒ ๐ โ 0 in ๐ฒ ๐ . Hence โ ๐ โข ( ๐ข ๐ ) โ 0 , which is impossible due to ๐ ๐ 0 > 0 . We now suppose ๐ฃ ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ฒ ๐ โข ( ๐ฅ + ๐ฆ ~ ๐ ) , so { ๐ฃ ๐ } ๐ is bounded in ๐ฒ ๐ . Therefore, we may assume that ๐ฃ ๐ โ ๐ฃ in ๐ฒ , as ๐ โ โ . It follows from (5.4) that ๐ฃ โ 0 .
Let ๐ก ๐ > 0 be such that ๐ฃ ~ ๐ := ๐ก ๐ โข ๐ฃ ๐ โ ๐ฉ ๐ 0 and ๐ฆ ๐ := ๐ ๐ โข ๐ฆ ~ ๐ . Applying Lemma 4.4, for every ๐ there exists a unique ๐ก ๐ฒ ๐ > 0 such that โ ๐ ๐ โข ( ๐ก ๐ฒ ๐ โข ๐ฒ ๐ )
sup ๐ก โฅ 0 โข โ ๐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ฒ ๐ ) . Then ๐ก ๐ฒ ๐ โข ๐ฒ ๐ โ ๐ฉ ๐ ๐ , which yields ๐ก ๐ฒ ๐
1 , due to ๐ฒ ๐ โ ๐ฉ ๐ ๐ . Therefore, sup ๐ก โฅ 0 โ ๐ ๐ โข ( ๐ก โข ๐ฒ ๐ )
โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) . By the change of variable ๐ง
๐ฅ + ๐ฆ ~ ๐ , we deduce that
๐ ๐ 0 โค โฐ ๐ 0 โข ( ๐ฃ ~ ๐ )
1
๐
โข
โ
๐ฃ
~
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
๐
โข
โ
๐ฃ
~
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โ
โซ
โ
๐
[
1
|
๐ฅ
|
๐
โ
๐น
โข
(
๐ฃ
~
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
]
โข
๐น
โข
(
๐ฃ
~
๐
โข
(
๐ฅ
)
)
โข
๐
๐ฅ
โค
1
๐
โข
โ
๐ฃ
~
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
๐
โข
โ
๐ฃ
~
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โ
โซ
โ
๐
[
1
|
๐ฅ
|
๐
โ
๐บ
โข
(
๐
๐
โข
๐ฆ
+
๐ฆ
๐
,
๐ฃ
~
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
]
โข
๐บ
โข
(
๐
๐
โข
๐ฅ
+
๐ฆ
๐
,
๐ฃ
๐
โข
(
๐ฅ
)
)
โข
๐
๐ฅ
โ ๐ ๐ โข ( ๐ก ๐ โข ๐ข ๐ ) โค โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โค ๐ ๐ 0 + ๐ ๐ โข ( 1 )
which yields โฐ ๐ 0 โข ( ๐ฃ ~ ๐ ) โ ๐ ๐ 0 , as ๐ โ + โ . By the fact that { ๐ฃ ~ ๐ } ๐ โ ๐ฉ ๐ 0 and ( ๐ 3 ) , we can pick ๐ถ 1
0 such that โ ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ 0 โค ๐ถ 1 , for every ๐ โ โ . In addition, since ๐ฃ ๐ โฬธ 0 in ๐ฒ , there exists ๐ถ ~ 1
0 such that โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 โฅ ๐ถ ~ 1
0 , for every ๐ โ โ . Therefore,
๐ถ ~ 1 โข ๐ก ๐ โค โ ๐ก ๐ โข ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ฒ
โ ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ 0 , ๐ฒ โค ๐ถ 1
which yields ๐ก ๐ โค ๐ถ 1 ๐ถ ~ 1 , for every ๐ โ โ . Consequently, going to a subsequence if necessary, we suppose that ๐ก ๐ โ ๐ก 0 โฅ 0 and ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ฃ ~ := ๐ก 0 โข ๐ฃ โข 0 in ๐ฒ and ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ฃ ~ a.e. in โ ๐ . If ๐ก 0
0 , then ๐ฃ ~ ๐ โ 0 in ๐ฒ . Therefore โฐ ๐ 0 โข ( ๐ฃ ~ ) โ 0 , which is impossible since ๐ ๐ 0 > 0 , so we get that ๐ก 0 > 0 . Arguing as Proposition 3.1, we obtain โฐ ๐ 0 โฒ โข ( ๐ฃ ~ )
0 .
In the sequel, we shall prove that
lim ๐ โ + โ โ ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ 0 , ๐ฒ
โ ๐ฃ ~ โ ๐ 0 , ๐ฒ .
(5.5)
Invoking the Fatou lemma, we can deduce
โ ๐ฃ ~ โ ๐ 0 , ๐ฒ โค lim inf ๐ โ โ โ ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ 0 , ๐ฒ .
(5.6)
Assume to the contrary, that
โ ๐ฃ ~ โ ๐ 0 , ๐ฒ โข < lim sup ๐ โ โ โฅ โข ๐ฃ ~ ๐ โฅ ๐ 0 , ๐ฒ .
In such a case we would get
๐ ๐ 0 + ๐ ๐ โข ( 1 )
โฐ ๐ 0 โข ( ๐ฃ ~ ๐ ) โ 1 2 โข ๐ โข โจ โฐ ๐ 0 โฒ โข ( ๐ฃ ~ ๐ ) , ๐ฃ ~ ๐ โฉ
( 1 ๐ โ 1 2 โข ๐ ) โข โ ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + 1 2 โข ๐ โข โ ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
- 1 2 โข โซ โ ๐ [ 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐น โข ( ๐ฃ ~ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) ] โข ( 1 ๐ โข ๐ โข ( ๐ฃ ~ ๐ ) โข ๐ฃ ~ ๐ โ ๐น โข ( ๐ฃ ~ ๐ ) ) โข ๐ ๐ฅ
and, by ( ๐ 3 ) and the Fatou lemma, we would have
๐
๐
0
โฅ
lim sup
๐
โ
+
โ
[
(
1
๐
โ
1
2
โข
๐
)
โข
โ
๐ฃ
~
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
2
โข
๐
โข
โ
๐ฃ
~
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
]
+
1
2
โข
lim inf
๐
โ
+
โ
โซ
โ
๐
[
1
|
๐ฅ
|
๐
โ
๐น
โข
(
๐ฃ
~
๐
โข
(
๐ฆ
)
)
]
โข
(
1
๐
โข
๐
โข
(
๐ฃ
~
๐
)
โข
๐ฃ
~
๐
โ
๐น
โข
(
๐ฃ
~
๐
)
)
โข
๐
๐ฅ
>
(
1
๐
โ
1
2
โข
๐
)
โข
โ
๐ฃ
~
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
2
โข
๐
โข
โ
๐ฃ
~
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
2
โข
โซ
โ
๐
[
1
|
๐ฅ
|
๐
โ
๐น
โข
(
๐ฃ
~
โข
(
๐ฆ
)
)
]
โข
(
1
๐
โข
๐
โข
(
๐ฃ
~
)
โข
๐ฃ
~
โ
๐น
โข
(
๐ฃ
~
)
)
โข
๐
๐ฅ
โฐ ๐ 0 โข ( ๐ฃ ~ ) โ 1 2 โข ๐ โข โฐ ๐ 0 โฒ โข ( ๐ฃ ~ ) โข ( ๐ฃ ~ )
โฐ ๐ 0 โข ( ๐ฃ ~ ) โฅ ๐ ๐ 0
which is a contradiction. Therefore, ๐ค ๐ โ ๐ค in ๐ฒ and (5.5) implies ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ฃ ~ in ๐ฒ . Moreover, ๐ฃ ๐ โ ๐ฃ in ๐ฒ , as ๐ โ + โ .
In order to complete the proof of this lemma, we explore ๐ฆ ๐
๐ ๐ โข ๐ฆ ๐ . We claim that { ๐ฆ ๐ } ๐ allows a subsequence, still denoted the same, such that ๐ฆ ๐ โ ๐ฆ 0 , for some ๐ฆ 0 โ โณ . In the sequel, we have to verify that the following two claims hold.
Claim 1. { ๐ฆ ๐ } ๐ is bounded.
We shall argue by contradiction. Assume that, up to a subsequence, | ๐ฆ ๐ | โ โ , as ๐ โ โ . Since โจ โ ๐ ๐ โฒ โข ( ๐ฒ ๐ ) , ๐ฒ ๐ โฉ
0 and โ ๐ ๐ โข ( ๐ฒ ๐ ) โ ๐ ๐ 0 , by Lemma 3.7, we can infer that there exists ๐ถ 0 ^ โ ( 0 , โ 0 2 ) such that
| 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ , ๐ฒ ๐ ) | < ๐ถ 0 ^ .
Fixed ๐
0 such that ฮ โ ๐ต ๐ โข ( 0 ) , and assume that | ๐ฆ ๐ |
2 โข ๐ . Therefore,
| ๐ ๐ โข ๐ฅ + ๐ฆ ๐ | โฅ | ๐ฆ ๐ | โ | ๐ ๐ โข ๐ฅ |
๐ โข for every โข ๐ฅ โ ๐ต ๐ ๐ ๐ โข ( 0 ) .
(5.7)
Note that ๐ฒ ๐ โ ๐ฉ ๐ ๐ , so we have
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โค
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
๐
,
๐
๐
+
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
๐
,
๐
๐
โซ โ ๐ [ 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ , ๐ฒ ๐ ) ] โข ๐ โข ( ๐ ๐ โข ๐ฅ , ๐ฒ ๐ ) โข ๐ฒ ๐ โข ๐ ๐ฅ .
Using the change of variables ๐ฅ โฆ ๐ฅ + ๐ฆ ~ ๐ and ๐ฆ โฆ ๐ฆ + ๐ฆ ~ ๐ , we get
โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
โ
๐ฒ
๐
โ
๐
๐
,
๐
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โค
โซ
โ
๐
[
1
|
๐ฅ
|
๐
โ
๐บ
โข
(
๐
โข
๐ฆ
,
๐ฒ
๐
)
]
โข
๐
โข
(
๐
๐
โข
๐ฅ
,
๐ฒ
๐
)
โข
๐ฒ
๐
โข
๐
๐ฅ
โซ โ ๐ [ 1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ โข ๐ฆ + ๐ฆ ๐ , ๐ฃ ๐ ) ] โข ๐ โข ( ๐ ๐ โข ๐ฅ + ๐ฆ ๐ , ๐ฃ ๐ ) โข ๐ฃ ๐ โข ๐ ๐ฅ .
By (5.7), the definition of ๐ ,
๐ โข ( ๐ก ) โค ๐ 0 โ 0 โข ๐ก ๐ โ 1 ,
๐ถ 0 ^ โ ( 0 , โ 0 2 ) , ๐ฃ ๐ โ ๐ฃ in ๐ฒ ๐ , the Dominated Convergence Theorem, we have that
โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
โค ๐ถ 0 ^ โข โซ โ ๐ ๐ โข ( ๐ ๐ โข ๐ฅ + ๐ฆ ๐ , ๐ฃ ๐ ) โข ๐ฃ ๐ โข ๐ ๐ฅ
โค ๐ถ 0 ^ โข โซ ๐ต ๐ ๐ ๐ โข ( 0 ) ๐ ^ โข ( ๐ฃ ๐ ) โข ๐ฃ ๐ โข ๐ ๐ฅ + ๐ถ 0 ^ โข โซ ๐ต ๐ ๐ ๐ ๐ โข ( 0 ) ๐ โข ( ๐ฃ ๐ ) โข ๐ฃ ๐ โข ๐ ๐ฅ
โค 1 2 โข โซ ๐ต ๐ ๐ ๐ โข ( 0 ) ๐ 0 โข ( | ๐ฃ ๐ | ๐ + | ๐ฃ ๐ | ๐ ) โข ๐ ๐ฅ + ๐ ๐ โข ( 1 )
which gives
โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ + โ ๐ฃ ๐ โ ๐ 0 , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐
๐ ๐ โข ( 1 ) .
Therefore, we have that { ๐ฆ ๐ } ๐ is bounded in โ ๐ .
Claim 2. ๐ฆ 0 โ โณ .
By Claim 1, up to a subsequence, we can suppose that ๐ฆ ๐ โ ๐ฆ 0 . Once ๐ฆ 0 โ ฮฉ ยฏ , which implies the closure of ฮฉ , we can argue as above to get ๐ฃ ๐ โ 0 in ๐ฒ ๐ , which is impossible. Therefore, we obtain ๐ฆ 0 โ ฮฉ ยฏ . Now, suppose by contradiction that ๐ โข ( ๐ฆ 0 )
๐ 0 , then by using ๐ฃ ~ ๐ โ ๐ฃ in ๐ฒ and the Fatou lemma, we can deduce that
๐ ๐ 0
โฐ
๐
0
โข
(
๐ฃ
~
)
<
lim inf
[
1
๐
โฅ
๐ฃ
~
๐
โฅ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
+
1
๐
โฅ
๐ฃ
~
๐
โฅ
๐
0
,
๐
๐
,
๐
โข
(
โ
๐
)
๐
โ
1
2
โซ
โ
๐
(
1
|
๐ฅ
|
๐
โ
๐น
(
๐ฃ
~
๐
)
)
๐น
(
๐ฃ
~
๐
)
๐
๐ฅ
]
โค
lim inf
๐
โ
โ
โ
๐
๐
โข
(
๐ก
๐
โข
๐ฒ
๐
)
โค
lim inf
๐
โ
โ
โ
๐
๐
โข
(
๐ฒ
๐
)
๐ ๐ 0
which is impossible. Therefore, ๐ โข ( ๐ฆ 0 )
๐ 0 and ๐ฆ 0 โ ฮฉ ยฏ . Thanks to ( ๐ต 2 ) , ๐ฆ 0 โ โ ฮฉ , and thus ๐ฆ 0 โ โณ . This completes the proof of Lemma 5.3. โ
Let โ โข ( ๐ ) be any positive function satisfying โ โข ( ๐ ) โ 0 , as ๐ โ 0 . Define
๐ฉ ~ ๐
{ ๐ข โ ๐ฉ ๐ : โ ๐ โข ( ๐ข ) โค ๐ ๐ 0 + โ โข ( ๐ ) } .
For any ๐ฆ โ โณ , we deduce from Lemma 5.1 that โ โข ( ๐ )
| โ ๐ โข ( ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) โ ๐ ๐ 0 | โ 0 , as ๐ โ 0 . Thus, ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) โ ๐ฉ ๐ ~ and ๐ฉ ๐ ~ โ ๐ for every ๐
0 .
Lemma 5.4.
(see Thin [35, Lemma 16]) For every ๐ฟ
0 ,
lim ๐ โ 0 + sup ๐ข โ ๐ฉ ~ ๐ dist โข ( ๐ฝ ๐ โข ( ๐ข ) , โณ ๐ฟ )
0 .
Lemma 5.5.
Suppose that conditions ( ๐ต 1 ) โ ( ๐ต 2 ) and ( ๐ 1 ) โ ( ๐ 5 ) hold and denote by ๐ณ ๐ a nontrivial nonnegative solution in โ ๐ of
( โ ฮ ) ๐ / ๐ ๐ โข ๐ณ ๐ + ( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ณ ๐ + ๐ ๐ โข ( ๐ฅ ) โข ( | ๐ณ ๐ | ๐ ๐ โ 2 โข ๐ณ ๐ + | ๐ณ ๐ | ๐ โ 2 โข ๐ณ ๐ )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ณ ๐ ) ] โข ๐ โข ( ๐ ๐ โข ๐ฅ + ๐ ๐ โข ๐ฆ ~ ๐ , ๐ณ ๐ ) ,
(5.8)
where ๐ ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ โข ( ๐ ๐ โข ๐ฅ + ๐ ๐ โข ๐ฆ ~ ๐ ) and ๐ ๐ โข ๐ฆ ~ ๐ โ ๐ฆ โ โณ . Then, if ( ๐ณ ๐ ) ๐ is a bounded sequence in ๐ฒ satisfying
lim sup ๐ โ โ โ ๐ข ๐ โ ๐ , ๐ ๐ , ๐ โข ( โ ๐ ) ๐ / ( ๐ โ ๐ ) < ๐ฝ โ โข ๐ก โ ๐ / ( ๐ โ ๐ ) ๐ โข ๐ผ 0 , with โข 0 < ๐ฝ โ < ๐ผ โ
for a suitable constant ๐
1 and if ๐ณ ๐ โ ๐ณ in ๐ฒ , then each ๐ณ ๐ โ ๐ฟ โ โข ( โ ๐ ) and there exists ๐ถ
0 such that โ ๐ณ ๐ โ ๐ฟ โ โข ( โ ๐ ) โค ๐ถ for every ๐ . Moreover,
lim | ๐ฅ | โ โ ๐ณ ๐ โข ( ๐ฅ )
0 , uniformly in โข ๐ .
Proof.
In view of โ ๐ ๐ โข ( ๐ข ๐ ) โค ๐ ๐ 0 + โ โข ( ๐ ) , with โ โข ( ๐ ) โ 0 , as ๐ โ โ . We argue as in the proof of Lemma 5.4 to show that โ โข ( ๐ ๐ ) โข ( ๐ข ๐ ) โ ๐ ๐ 0 . Then by Lemma 5.3, there exists { ๐ฆ ~ ๐ } โ โ ๐ such that ๐ฃ ๐
๐ข ๐ ( โ + ๐ฆ ~ ๐ ) strongly converges in ๐ฒ and ๐ ๐ โข ๐ฆ ~ ๐ โ ๐ฆ 0 โ โณ . By the boundedness of { ๐ฃ ๐ } ๐ in ๐ฒ , we can proceed as in the proof of Lemma 3.7 to obtain that there exists ๐ถ ^ 0
0 such that
1 | ๐ฅ | ๐ โ ๐บ โข ( ๐ ๐ โข ๐ฅ + ๐ ๐ โข ๐ฆ ~ , ๐ฃ ๐ ) โค ๐ถ ^ 0 .
Repeating the same Moser iteration argument developed in the proof of Liang et al. [24, Lemma 5.5], we have that โ ๐ณ ๐ โ ๐ฟ โ โข ( โ ๐ ) โค ๐ถ for every ๐ โ โ . Now, we note that ๐ฃ ๐ satisfies problem (5.8).
Using Ambrosio and R a ห dulescu [7, Corollary 2.1 ] and the fact that ๐ณ ๐ is uniformly bounded in ๐ฟ โ โข ( โ ๐ ) โฉ ๐ฒ , we can conclude that ๐ณ ๐ โข ( ๐ฅ ) โ 0 as | ๐ฅ | โ โ uniformly in ๐ โ โ . This completes the proof of Lemma 5.5. โ
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 ๐ผ ๐ : โณ โ ๐ ๐ by setting ๐ผ ๐ โข ( ๐ฆ )
๐ ๐ โ 1 โข ( ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) ) for every ๐
0 . Applying Lemma 5.1 and the definition of ฮฆ ๐ , we obtain that
lim ๐ โ 0 ๐ ๐ โข ( ๐ผ ๐ โข ( ๐ฆ ) )
lim ๐ โ 0 โ ๐ โข ( ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) )
๐ ๐ 0 , uniformly in ๐ฆ โ โณ .
Therefore, there exists ๐ ~ > 0 such that ๐ ยฏ ๐ := { ๐ค โ ๐ ๐ : ๐ ๐ โข ( ๐ค ) โค ๐ ๐ 0 + โ โข ( ๐ ) } โ ๐ , for every ๐ โ ( 0 , ๐ ~ ) . With the aid of Lemma 4.4- ( ๐ โข ๐ โข ๐ ) , Lemma 5.1 and Lemma 5.4, for every ๐ฟ > 0 , there exists ๐ ~
๐ ~ ๐ฟ
0 such that the diagram of continuous mappings
โณ โข โ ฮฆ ๐ ๐ฉ ~ ๐ โข โ ๐ ๐ โ 1 ๐ ๐ โข โ ๐ ๐ ๐ฉ ~ ๐ โข โ ๐ฝ ๐ โณ ๐ฟ
๐ ~ ๐ฟ
0
is well-defined, for every ๐ โ ( 0 , ๐ ~ ) . Invoke Lemma 5.2 and take a function ๐ โข ( ๐ , ๐ฆ ) with | ๐ โข ( ๐ , ๐ฆ ) | < ๐ฟ 2 uniformly in ๐ฆ โ โณ , for every ๐ โ ( 0 , ๐ ~ ) such that ๐ฝ ๐ โข ( ฮฆ ๐ โข ( ๐ฆ ) )
๐ฆ + ๐ โข ( ๐ , ๐ฆ ) , for every ๐ฆ โ โณ . Therefore, we obtain that โฑ โข ( ๐ก , ๐ฆ )
๐ฆ + ( 1 โ ๐ก ) โข ๐ โข ( ๐ , ๐ฆ ) with ( ๐ก , ๐ฆ ) โ [ 0 , 1 ] ร โณ is a homotopy between ๐ฝ ๐ โ ฮฆ ๐
( ๐ฝ ๐ โ ๐ ๐ ) โ ๐ผ ๐ and the inclusion map id: โณ โ โณ ๐ฟ . Together with [4, Lemma 6.3.21], we obtain that
๐ โข ๐ โข ๐ก ๐ ~ ๐ โข ( ๐ ๐ ~ ) โฅ ๐ โข ๐ โข ๐ก โณ ๐ฟ โข ( โณ ) .
(5.9)
In what follows, we choose a function โ โข ( ๐ )
0 such that โ โข ( ๐ ) โ 0 , as ๐ โ 0 and such that ๐ ๐ 0 + โ โข ( ๐ ) is not a critical level for โ ๐ . From Lemma 4.8, we see that โ ๐ satisfies the Palais-Smale condition in ๐ ~ ๐ as ๐
0 . Invoking Ambrosio [4, Theorem 6.3.20], we get that ๐ ๐ has at least ๐ โข ๐ โข ๐ก ๐ ~ ๐ โข ( ๐ ~ ๐ ) critical points on ๐ ~ ๐ . Consequently, by Lemma 4.5 and (5.9), we deduce that โ ๐ has at least ๐ โข ๐ โข ๐ก โณ ๐ฟ โข ( โณ ) critical points.
Let ๐ข ๐ ๐ be a solution of problem ( ๐ฌ ๐ ๐ ) , then ๐ณ ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ข ๐ ๐ โข ( ๐ฅ + ๐ฆ ~ ๐ ) is also a solution of problem (5.8). Moreover, there exists ๐ณ โ ๐ฒ , such that, up to a subsequence, ๐ณ ๐ โ ๐ณ in ๐ฒ and ๐ฆ ๐
๐ ๐ โข ๐ฆ ~ ๐ โ ๐ฆ โ โณ by Lemma 5.3.
We claim that there exists ๐ฟ ยฏ
0 such that โ ๐ฃ ๐ โ ๐ฟ โ โข ( โ ๐ ) โฅ ๐ฟ ยฏ , for every ๐ large enough. In fact, (5.4) in the proof of Lemma 5.3 implies
0 < ๐ฝ 2 โค โซ ๐ต ๐ โข ( 0 ) | ๐ณ ๐ | ๐ / ๐ โข ๐ ๐ฅ โค | ๐ต ๐ โข ( 0 ) | โข โ ๐ณ ๐ โ ๐ฟ โ โข ( โ ๐ ) ๐ / ๐
(5.10)
for every ๐ large enough. Therefore, we choose ๐ฟ ยฏ
( ๐ฝ 2 โข | ๐ต ๐ โข ( 0 ) | ) ๐ / ๐ . Applying the fact that ๐ณ ๐ โ ๐ณ in ๐ฒ , we have lim | ๐ฅ | โ โ ๐ณ ๐ โข ( ๐ฅ )
0 , uniformly in ๐ by Lemma 5.5.
Let ๐ฎ ๐ be a global maximum point of ๐ณ ๐ . Invoking Lemma 5.5, we see that there exists ๐ > 0 such that | ๐ฎ ๐ | โค ๐ , for every ๐ . Consequently, the maximum point of ๐ข ๐ ๐ is denoted by ๐ท ๐ ๐
๐ฎ ๐ + ๐ฆ ~ ๐ . Furthermore, problem ( ๐ฌ ) possesses a nontrivial nonnegative solution ๐ค ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ข ๐ โข ( ๐ฅ / ๐ ) . Therefore, the maximum points ๐ ๐ of ๐ค ๐ and ๐ท ๐ of ๐ข ๐ satisfy ๐ ๐
๐ โข ๐ท ๐ . We see that
lim ๐ โ 0 + ๐ โข ( ๐ ๐ )
lim ๐ โ โ ๐ โข ( ๐ ๐ โข ๐ท ๐ ๐ )
๐ 0 .
This completes the proof of Theorem 1.1. โ
Proof of Theorem 1.2.
We know that ๐ค ๐ โข ( ๐ฅ )
๐ข ๐ โข ( ๐ฅ / ๐ ) is a nontrivial nonnegative solution of problem ( ๐ฌ ). Set
๐ณ ๐ ๐
๐ค ๐ ๐ ( ๐ ๐ โ + ๐ ๐ ๐ )
๐ข ๐ ๐ ( โ + ๐ท ๐ ๐ ) .
Therefore, Lemma 5.3 yields that ( ๐ณ ๐ ๐ ) ๐ โ ๐ณ in ๐ฒ and ๐ณ is a ground state solution of the following equation
( โ ฮ ) ๐ ๐ โข ๐ข + ( โ ฮ ) ๐ ๐ + ๐ 0 โข ( | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ฃ + | ๐ข | ๐ โ 2 โข ๐ข )
[ | ๐ฅ | โ ๐ โ ๐น โข ( ๐ข โข ( ๐ฆ ) ) ] โข ๐ โข ( ๐ข ) โข in โข โ ๐ .
This completes the proof of Theorem 1.2. โ
Proofs of Corollaries 1.3 and 1.4.
Apply a similar discussion as in Liang et al. [24]. โ
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) 1933โ1972. [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) 2593โ2617. [3] V. Ambrosio, Multiplicity and concentration results for a fractional Choquard equation via penalization method, Potential Anal. 50 (2019) 55โ82. [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 ) -Choquard equation, Adv. Nonlinear Stud. 24 (2024) 510โ541. [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) 5835โ5881. [7] V. Ambrosio, V.D. Rฤdulescu, Fractional double-phase patterns: concentration and multiplicity of solutions, J. Math. Pures Appl. 142 (2020) 101โ145. [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) 722โ755. [9] V. Benci, P. DโAvenia, D. Fortunato, L. Pisani, Solitons in several space dimensions: Derrickโs problem and infinitely many solutions, Arch. Ration. Mech. Anal. 154 (2000) 297โ324. [10] D. Bonheure, P. dโAvenia, A. Pomponio, On the electrostatic Born-Infeld equation with extended charges, Commun. Math. Phys. 346 (2016) 877โ906. [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) 486โ490. [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) 448โ480. [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. Ilโyasov, On the stationary solutions of generalized reaction diffusion equations with ๐ & ๐ -Laplacian, Commun. Pure Appl. Anal. 1 (2004) 1โ14. [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) 1885โ1924. [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) 121โ137. [21] E. Di Nezza, G.Palatucci, E.Valdinoci, Hitchhikerโs guide to the fractional Sobolev spaces, Bull. Sci. Math. 136 (2012) 521โ573. [22] A. Floer, A. Weinstein, Non spreading wave packets for the cubic Schrรถdinger equation with a bounded potential, J. Funct. Anal. 69 (1986) 397โ408. [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) 969โ983. [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 Choquardโs nonlinear equation, Stud. Appl. Math. 57 (1976/77) 93โ105. [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) 1063โ1072. [29] G. Molica Bisci, N.V. Thin, V.D. Rฤdulescu, 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) 571โ610. [31] N.S. Papageorgiou, V.D. Rฤdulescu, 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) 315โ319. [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) 2785โ2806. [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. 597โ632. [35] N.V. Thin, Multiplicity and concentration of solutions to a fractional ๐ -Laplace problem with exponential growth, Ann. Fenn. Math. 47 (2022) 603โ639. [36] N.V. Thin, P.T. Thuy. T.T.D. Linh, Existence of solution for the ( ๐ , ๐ ) -fractional Laplacian equation with nonlocal Choquard reaction and exponential growth, Complex Var. Elliptic Equ. 69 (2024) 1949โ1972. [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) 732โ774. [39] B. Zhang, X. Han, N. Thin, Schrรถdinger-Kirchhoff-type problems involving the fractional ๐ -Laplacian with exponential growth, Appl. Anal. 102 (2023) 1942โ1974. [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) 197โ217. [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) 551โ562. [42] W. Zhang, J. Zhang, V.D. Rฤdulescu, Concentrating solutions for singularly perturbed double phase problems with nonlocal reaction, J. Differential Equations 347 (2023) 56โ103. [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
- Xet hash:
- 1d0e6bc5bb83a2c63402a0020bbc4e5da71cc0af197773f8cdd166a12c8d8b1e
Xet efficiently stores files, intelligently splitting them into unique chunks and accelerating uploads and downloads. More info.