带有对数项的临界Kirchhoff⁃Choquard方程解的存在性和多重性

郭晶晶 ,  桑彦彬 ,  马季

中北大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3) : 406 -414.

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中北大学学报(自然科学版) ›› 2026, Vol. 47 ›› Issue (3) : 406 -414. DOI: 10.62756/jnuc.issn.1673-3193.2025.04.0017
应用基础研究

带有对数项的临界Kirchhoff⁃Choquard方程解的存在性和多重性

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Existence and Multiplicity of Solutions for Critical Kirchhoff⁃Choquard Type Equation with Logarithmic Perturbation

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摘要

临界非局部的Choquard方程可用来描述静态极化子理论, 也可作为自引力模型描述单个粒子在自引力场中的运动规律。近年来, 研究Choquard方程解的存在性与多重性以及相关性质成为了非线性分析领域的热点问题。本文研究了一类带有对数项的临界Kirchhoff-Choquard方程解的存在性。首先, 对Hardy-Littlewood-Sobolev指数进行分类, 为了克服由于临界指数带来的非紧性嵌入, 引入适当的截断函数。其次, 由于对数项符号的不确定性以及对数项不满足Ambrosetti-Rabinowitz型条件, 导致验证PS(Palais-Smale)序列的有界性变得困难, 故利用集中紧性原理得到局部的PS条件, 借助对称山路引理, 建立了该问题的无穷多个解的存在性定理。最后, 在适当球(函数空间的一个约束区域)上考虑负能量的局部极小解的存在性, 进而对参数施加附加条件, 证明了该局部极小解也是基态解。本文结果推广了相关文献中关于Kirchhoff-Choquard方程或对数方程的研究, 分析了Kirchhoff算子及对数扰动项中的参数和Hardy-Littlewood-Sobolev嵌入常数对解的个数的影响。

Abstract

The critical nonlocal Choquard equation can be used to describe the theory of the polaron at rest, and can also be used as a self-gravitational model to describe the motion of a single particle in the self-gravitational field. In recent years, the study of the existence, multiplicity and related properties of solutions of Choquard equations has become a hot issue in the field of nonlinear analysis. This paper studied the existence of solutions for a class of critical Kirchhoff-Choquard equations with logarithmic term. Firstly, the Hardy-Littlewood-Sobolev exponent was classified and an appropriate truncation function was introduced to overcome the lack of compactness of the embedding caused by the critical exponent. Secondly, it was difficult to verify the boundedness of the PS(Palais-Smale) sequence due to the uncertainty of the logarithmic term and the fact that the logarithmic term does not satisfy the Ambrosetti-Rabinowitz type condition. Therefore, the local PS condition was obtained by using the concentration compactness principle, and the existence theorem of infinitely many solutions of the problem was established by means of the symmetric mountain pass lemma. Finally, the existence of the local minimal solution with negative energy was considered on the appropriate sphere (a constrained region of function space), and then the additional conditions were applied to the parameters. It is proved that the local minimal solution is also the ground state solution. The results of this paper extend the research on Kirchhoff-Choquard equation or logarithmic equation in the relevant literature, and analyze the influence of the parameters in the Kirchhoff operator and the logarithmic perturbation term and Hardy-Littlewood-Sobolev embedding constants on the number of solutions.

关键词

Kirchhoff-Choquard方程 / 临界指数 / 对数项扰动 / 截断函数 / 对称山路引理

Key words

Kirchhoff-Choquard equation / critical exponent / logarithmic term perturbation / truncation function / symmetric mountain pass lemma

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郭晶晶,桑彦彬,马季. 带有对数项的临界Kirchhoff⁃Choquard方程解的存在性和多重性[J]. 中北大学学报(自然科学版), 2026, 47(3): 406-414 DOI:10.62756/jnuc.issn.1673-3193.2025.04.0017

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本文研究具有对数扰动的临界Kirchhoff-Choquard型椭圆方程

-1+b∫Ω∇u2dxΔu=λu+ωulogu2+∫Ωu2μ*x-yμdyu2μ*-2u ,  x∈Ω,u=0 ,                                   x∈∂Ω,

式中: Ω是RNN≥3中具有光滑边界∂Ω的有界区域; b>0;  λ∈R; ω<0; 2μ*=2N-μN-2是Hardy-Littlewood-Sobolev临界指数。

Kirchhoff方程通常描述弹性杆或弹性系统运动, 广泛应用于结构力学、 材料科学, 以及非线性波动理论中。Choquard方程是一类重要的椭圆型偏微分方程, 在诸多领域有着非常广泛的应用, 例如量子力学、 激光束物理学以及多粒子物理系统等[1‐2], 因此该方程受到了众多学者的广泛关注[3‐6]。Duan等[7]研究了有界区域上临界Choquard方程的Kirchhoff型问题

-1+bu2Δu=∫Ωu2yx-y4dyu+λu,x∈Ω,u=0,x∈∂Ω,

式中: Ω∈RNN≥5是光滑有界域,   ⋅  是H01Ω的标准范数。在对常数b≥0施加一定假设下, 证明了当0<λ≤λ1时问题(2)解的存在性, 其中λ1>0是Ω上-Δ的第一特征值。此外, 还证明了当λ>λ1和b>0时, 在适当区间内解的多重性。对于带有Sobolev-Hardy-Littlewood临界指数的Kirchhoff-Choquard型问题, Fei等[8]研究了如下含有线性扰动的Kirchhoff方程

-a+b∫R3∇u2dxΔu=λu+      μIα*upup-2u+ωu4u,x∈R3,u>0, ∫R3∇u2=m2,x∈R3,

式中: a,b,m,μ,ω>0; α∈(0,3); p∈2,7+α3;λ∈R; Iα为Riesz势。利用逼近方法和Schwartz对称化重排, 证明了问题(3)的正规化基态解的存在性。对于带有Schrödinger项和对数项的Kirchhoff-Choquard型问题, 徐武波等[9]考虑了如下方程解的存在性

-a+b∫Ω∇u2dxΔu+Vxu=λulogu+β∫Ωuypx-yμdyup-2u , x∈Ω,u=0 ,                                         x∈∂Ω,

式中: Ω⊂RN光滑有界; a>0, b≥0, N≥3; λ, β为正实参数; 2<p<2μ*, 2μ*为Sobolev-Hardy-Littlewood临界指数, 利用山路引理和PS条件得出了问题(4)至少存在一个非平凡解。

对于不含对数项的Kirchhoff-Choquard型问题, Liang等[10]研究了具有临界指数的Choquard-Kirchhoff型方程, 利用第二集中紧性原理证明了PS条件的存在性, 再利用变分方法得到了问题的多重解。Wang[11]研究了离散的Kirchhoff-Choquard方程, 通过变分方法得到问题非平凡解和基态解的存在性。Gao等[12]研究了具有临界非线性项的Choquard方程正规化解的存在性问题, 利用截断函数证明了正规化解的多重性。近年来, 越来越多的数学工作者研究Kirchhoff-Choquard型问题[13‐15]。

受上述工作的启发, 本文主要研究非局部项、 临界非线性项和对数项之间的相互作用对问题(1)弱解的存在性和多重性的影响。由于对应问题(1)能量泛函的几何结构随着Hardy-Littlewood-Sobolev指数的变化将发生显著变化, 因此分两种情况讨论, 即, 2μ*=2, 1<2μ*<2。对于2μ*=2的情形, 当bSH,L2-1≥0时, 能量泛函在H01Ω中是强制的, 并且满足全局PS条件。利用对称山路引理, 对λ∈R且ω<0, 得到了问题(1)的无穷多个解的存在性。当bSH,L2-1<0时, 能量泛函的性质发生变化。该能量泛函并非下方有界的, 并且不满足全局PS条件。为了克服这些困难, 首先在临界项上引入适当的截断函数, 应用集中紧性原理得到局部PS条件。利用对称山路引理, 得到了问题(1)的无穷多个解的存在性。对于1<2μ*<2的情形, 临界Hardy-Littlewood-Sobolev指数严格小于2, 再加上对数项的符号不确定以及对数项不满足Ambrosetti-Rabinowitz型条件, 使得PS序列的紧性证明变得困难。通过对能量泛函结构的分析, 证明问题(1)有局部极小解。通过对参数施加附加条件, 证明了它也是一个基态解。

1 主要结果

定理 1 若2μ*=2, 并且以下条件之一成立:

1)  λ∈R, ω<0且bSH,L2-1≥0;

2) bSH,L2-1<0且b , λ , ω∈C0,

其中,

C0=b,λ,ω:b>0 , λ∈R, ω<0,SH,L241-bSH,L2+ω4e1-λωΩ>0,

则问题(1)存在解序列uk, 满足Iuk≤0, 且当k→∞时, 有ukH01Ω→0。这里的I由式(6)给出。

定理 2 若1<2μ*<2且b , λ , ω∈D0, 其中

D0=b,λ,ω:b>0 , λ∈R, ω<0,
14-12⋅2μ*b2μ*2μ*-2SH,L2μ*22μ*-2+ω2e-λωΩ>0,

则问题(1)存在一个负能量的局部极小解, 且该局部极小解也是基态解。

2 预备知识

贯穿全文, 将使用 ⋅ p1≤p≤∞表示LpΩ范数。Sobolev空间H01Ω具有范数 ⋅ :=∇⋅2, 其对偶空间用H-1Ω表示。⋅ , ⋅表示H01Ω和H-1Ω之间的对偶积。对于Banach空间B, 分别用→和⇀表示强收敛性和弱收敛性。符号Ω表示RN中Ω的勒贝格测度。符号Ot表示Ott≤Ct→0, on1是n→∞时的无穷小。大写字母C表示通用的正常数。SH,L表示Hardy-Littlewood-Sobolev最佳嵌入常数, 即

SH,LΩ≔infu∈H01Ω\0∫Ω∇u2dx∫Ω∫Ωu2μ*xu2μ*yx-yμdxdyN-2/2N-μ。

定义 1(弱解) 若满足

1+bu2∫Ω∇u⋅∇ϕdx-λ∫Ωuϕdx-ω∫Ωuϕlogu2dx-∫Ω∫Ωux2μ*uy2μ*-1ϕyx-yμdxdy=0,∀ϕ∈H01Ω,

则函数u∈H01Ω被称为问题(1)的弱解。

用Iu和I'u分别表示与问题(1)相关的能量泛函及其Fréchet导数, 即∀u,ϕ∈H01Ω, 有

Iu=12u2+b4u4-λ2u22+ω2u22-ω2∫Ωu2logu2dx-12⋅2μ*∫Ω∫Ωux2μ*uy2μ*x-yμdxdy, 
I'u ,  ϕ=1+bu2∫Ω∇u⋅∇ϕdx-λ∫Ωuϕdx-ω∫Ω∫Ωuϕlogu2dx-∫Ω∫Ωux2μ*uy2μ*-1ϕyx-yμdxdy。

众所周知, Iu是定义合理的, 并且是H01Ω中的C1泛函。I的每一个临界点对应问题(1)的一个弱解。由于Iu=Iu, 可以假设u≥0。

定义 2[16] 设E是一个实Banach空间, 并且ℰ表示集合A∈E\0的族, 使得A是E的闭子集且关于0对称, 即x∈A意味着-x∈A。对A∈ℰ, 用最小整数k(记为γA=k)定义A的亏格, 使得存在从A到Rk\0的奇连续映射。若不存在这样的有限k, 则设γA=+∞。最后, 设γ∅=0。此外, 令ℰk表示E的闭对称子集A的族, 使得0∈A且γA≥k。

为了处理对数型非线性ulogu2, 需要下列基本不等式和对数项的收敛性。

引理 1[17]

1) 对于所有t>0, 有

tlogt≥-1e。

2) 对于任意δ,σ>0, 存在常数Cδ, σ, 使得

logt≤Cδ,σtδ+t-σ,     ∀t>0。

3) 对于任意δ>0, 有

logttδ≤1δe,      ∀t>0。

引理 2[18] 设un是H01Ω中的有界序列, 使得当n→∞时, un→u在Ω上处处成立, 则

limn→∞∫Ωun2logun2dx=∫Ωu2logu2dx,
limn→∞∫Ωunϕlogun2dx=∫Ωuϕlogu2dx, ∀ϕ∈H01Ω。

3 定理1的证明

3.1 bSH,L2-1≥0的情况

由文献[19]的定理1.3, 可证得引理 3~5。

引理 3 若bSH,L2-1≥0, λ∈R且ω<0, 则Iu在H01Ω中是强制的, 即limu→+∞Iu=+∞。

引理 4 若bSH,L2-1≥0, λ∈R且ω<0, 则Iu满足全局PS条件, 即任意满足Iun是有界的, 且当n→∞时, I'un→0的序列un存在强收敛的子列。

引理 5 若bSH,L2-1≥0, λ∈R且ω<0, 则对每个k∈N, 存在Ak∈ℰk使得supu∈AkIu<0。

3.2 bSH,L2-1<0的情况

由于b>0, λ∈R, ω<0且bSH,L2-1<0, 有

Iu≥12u2-1-bSH,L24SH,L2u4+ω2e-λωΩ。

令

Mt=12t2-1-bSH,L24SH,L2t4+ω2e-λωΩ,t≥0。

直接计算表明: 当0<t<t˜时, M't>0; 当t>t˜时, M't<0, 且Mt在t˜处取最大值。这里, t˜≔SH,L21-bSH,L2。令

M˜:=Mt˜=SH,L241-bSH,L2+ω2e-λωΩ,

因为b ,λ ,ω∈C0, 所以, 由

SH,L241-bSH,L2+ω4e1-λωΩ>0,

得出

SH,L241-bSH,L2+ω2e-λωΩ>0,

则M0=12M˜=SH,L281-bSH,L2+ω4e-λωΩ>0。结合ω<0, 存在t0∈0,t˜使得Mt0=M0。

定义截断函数ξx∈C10,∞, 使得

ξx=1,                                 0≤x≤t02,0≤ξx≤1,t02≤x≤t˜2,2SH,L2x+2ωSH,L2e-λωΩ-4SH,L2M˜x2+bSH,L2,                      x∈t˜2,+∞。

考虑在H01Ω中定义的辅助泛函为

Iξ(u)=12u2+b4u4-λ2u22+ω2u22-ω2∫Ωu2logu2dx-14ξu2∫Ω∫Ωux2uy2x-y4dxdy。

∀u , ϕ∈H01Ω, 其Fréchet导数为

Iξ'u ,ϕ=1+bu2∫Ω∇u∇ϕdx-λ∫Ωuϕdx-ω∫Ωuϕlogu2dx-12∫Ω∫Ωunx2uny2x-y4dxdyξ'u2∫Ω∇u∇ϕdx-ξu2∫Ω∫Ωux2uyϕyx-y4dxdy。

接下来证明截断的能量泛函Iξ(u)在H01Ω中下方有界。

引理 6 若b>0,λ∈R,ω<0, 且bSH,L2-1<0。则Iξu在H01Ω中下方有界。

证明 对于任意u∈H01Ω\0, 由于b>0, λ∈R, ω<0, 且bSH,L2-1<0, 根据式(5)和截断函数ξx的定义, 有

Iξ(u)≥12u2+b4u4-14SH,L2ξu2u4+ω2e-λωΩ。

定义  Mξt=12t2+b4t4-14SH,L2ξt2t4+ω2e-λωΩ,t≥0。

从ξx的定义可以推出

Mξt=Mt, 0≤t≤t0;
Mξt≥Mt, t0≤t≤t˜;
Mξt=M˜, t≥t˜。

因此, 对于所有的u∈H01Ω, 有

Iξ(u)≥Mξ(u)≥ω2e-λωΩ。

证毕。

接下来证明Iξ满足PSc条件。

引理 7 令bSH,L2-1<0, 且(b,λ,ω)∈C0。若

c<c*≔minSH,L281-bSH,L2+ω4e-λωΩ,  SH,L241-bSH,L2+ω4e1-λωΩ。

则Iξ满足PSc条件。

证明 由于b,λ, ω∈C0, c*>0。设un ∈H01Ω是Iξ的PSc序列。由于c<M0, 当n充分大时, 有Iξun<M0。结合式(12)和ξx的定义可知, 当n充分大时, ξun2=1, ξ'un2=0。由于b>0, λ∈R, ω<0, 有

-λ4un22+ω2un22-ω4∫Ωun2log un2dx≥ω4e1-λωΩ。

当n充分大且式(13)成立时, 利用ξ'un2=0, 有

M0+on1un>Iξun-14Iξ'un,un≥14un2+ω4e1-λωΩ。

因此, un在H01Ω中有界。则存在un的子序列(仍记为un)和u∈H01Ω, 使得当n →∞时,

un⇀u,在H01Ω中,un→u,在LpΩ中, 1≤p<4,∫Ωuny2x-y4dyun⇀∫Ωuy2x-y4dyu,在L43Ω中,un→u,在Ω上几乎处处成立。

此外, 根据文献[20]的引理2.5和文献[10]的引理2.3, 存在至多可数的指标集J和点xkk∈J的集合, 使得在测度意义上, 有

∇un2⇀ω≥∇u2+∑k∈Jωkδxk , ωk>0,
∫Ωuny2x-y4dyun2⇀v=∫Ωuy2x-y4dyu2+
∑k∈Jvkδxk,    ∑k∈Jvk1/2<∞,

另外, 也有

ωk≥SH,Lvk1/2 。  k∈J

现在证明J=∅。反证法: 设J≠∅且固定k∈J。定义函数ϕ∈C0∞Ω满足在Bxk,ρ上, ϕx=1; 在Ω\Bxk,2ρ上, ϕx=0; 在其他部分上, 0≤ϕx≤1; 且在Ω中满足∇ϕ≤2ρ(其中ρ>0为合适常数)。由于在H-1Ω中, Iξ'un→0 (n→∞), 且unϕ在H01Ω上有界, 当n充分大时, 有ξun2=1, ξ'un2=0, 有

0=limn→∞Iξ'un ,unϕ=limn→∞1+bun2∫Ω∇un∇unϕdx-λ∫Ωun2ϕdx-ω∫Ωun2ϕlogun2dx-∫Ω∫Ωunx2uny2ϕyx-y4dxdy=limn→∞1+bun2∫Ω∇un2ϕdx-∫Ω∫Ωunx2uny2ϕyx-y4dxdy+o1。

从式(17)得

0≥limn→∞1+b∫Ω∇un2ϕdx∫Ω∇un2ϕdx-  ∫Ω∫Ωunx2uny2ϕyx-y4dxdy+o1。

令n→∞ ,ρ→0, 有

0≥1+bωkωk-vk。

将其与式(16)结合, 且bSH,L2-1<0, 有

ωk≥SH,L21-bSH,L2。

由于当n→∞时, Iξun→c和在H-1Ω中, Iξ'un→0, 利用un的有界性, 式(13)以及当n充分大时, ξun2=1和ξ'un2=0, 有

c=limn→∞Iξun-14Iξ'un,un≥ limn→∞14∫Ω∇un2ϕdx+ω4e1-λωΩ。

在式(19)中令ρ→0, 再由式(18)可得

c≥14ωk+ω4e1-λωΩ≥SH,L241-bSH,L2+ω4e1-λωΩ,

与c<SH,L241-bSH,L2+ω4e1-λωΩ矛盾。因此, 𝒥=∅, 且当n→∞时, 有

∫Ωx-4*un2un2dx→∫Ωx-4*u2u2dx。

利用H-1Ω中的Iξ'un→0n→∞, un的有界性以及当n充分大时ξun2=1和ξ'un2=0, 结合引理2, 式(14)和式(20), 有

on1=Iξ'un,un-u=1+bun2∫Ω∇un∇un-u dx-λ∫Ωunun-udx-ω∫Ωunun-ulogun2dx-∫Ω∫Ωunx2unyun-uyx-y4dxdy=1+bun2∫Ω∇un∇un-u dx+on1,

这意味着

∫Ω∇un2dx-∫Ω∇u2dx=o1 ,n→∞。

结合un在H01Ω中的弱收敛性, 可得在H01Ω中un→un→∞。

证毕。

引理 8 若b>0, λ∈R, ω<0。则对于任意k∈N, 存在一个Ak∈ℰk, 使得supu∈AkIξu<0。

证明 对于任意k∈N, 设Hk是H01Ω的k维子空间。根据ω<0和ξ的定义, 利用式(9)和Sobolev-Hardy-Littlewood嵌入定理, 0<δ<2μ*-1, 对于任意u∈Hk\0且u<1,

Iξ(u)=12u2+b4u4-λ2u2v22+ω2u2v22-ω2u2∫Ωv2logv2dx-ω2u2logu2v22-
14ξu2u4∫Ω∫Ωvx2vy2x-y4dxdy≤12u2+b4u4+λ2λ1u2-
ω2Cu2v2+δ2+δ-ω2u2logu2v22≤12u2+b4u4+λ2λ1u2-
ω2Cu2v2+δ-ω2Cu2logu2v2=u221+b2u2+λλ1-ωC-ωClogu2。

式中: v≕u/u, λ1为-Δ在Dirichlet边界条件下的第一特征值。注意ω<0, 则对于任意k∈N, 存在适当小的ρk和常数Mk>0, 使得当u∈Hk且u=ρk时, Iξ(u)≤-Mk<0。

证毕。

4 定理2的证明

引理 9 若b, λ, ω∈D0。则存在r˜>0, 使得对所有u∈H01Ω且u=r˜, Iu>0。

证明 对于所有u∈H01Ω\0, 由于b>0, λ∈R, ω<0, 再利用式(5)和式(7), 有

Iu=12u2+b4u4-λ2u22+ω2u22-
ω2∫Ωu2logu2dx-12⋅2μ*∫Ω∫Ωux2μ*uy2μ*x-yμdxdy≥
b4u4+ω2e-λωΩ-12⋅2μ*1SH,L2μ*u2⋅2μ*。

令

ht=b4t4+ω2e-λωΩ-12⋅2μ*1SH,L2μ*t2⋅2μ*,  t≥0,

且r˜=bSH,L2μ*12⋅2μ*-4, 由于b, λ, ω∈D0, 有hr˜>0。因此, 对于所有u∈H01Ω且u=r˜, 有Iu≥hr˜>0。

证毕。

定义cr0=infu≤r0Iu, 其中r0的选择使得r0<r˜且hr0>0。下面证明-∞<cr0<0。

引理 10 若b>0,λ∈R,ω<0, 则-∞<cr0<0。

证明 由Iu∈C1H01Ω,R和cr0的定义易见, cr0>-∞。接下来证明cr0<0, 对于任意的u∈H01Ω\0且t>0, 有

Itu=
t212u2+b4t2u4-λ2u22-ω2logt2u22+
ω2∫Ωu21-logu2 dx-
12⋅2μ*t2⋅2μ*-2∫Ω∫Ωux2μ*uy2μ*x-yμdxdy。

由于ω<0, 存在tu>0适当小, 使得tuu≤r0且Ituu<0, 这意味着cr0<0。

证毕。

在引理9和引理10的基础上, 将证明cr0的极小化序列的紧性, 这在定理2的证明中起着关键作用。

引理 11 若b,λ,ω∈D0。则存在cr0的极小化序列un和u∈H01Ω, 至多选取子列, 使得当n→∞时, 在H01Ω中un→u。

证明 设vn⊂Br0∈ℰ是cr0的一个极小化序列, 使得cr0≤Ivn≤cr0+1n,∀n∈N。由于cr0<0且对于所有u∈H01Ω满足u=r0, Iu>0。从Iu的连续性可以得出, 存在适当小的常数σ>0, 使得对于充分大的n, vn≤r0-σ。类似于文献[21]引理3.3的证明, 可以证明对于cr0, 存在另一个极小化序列un⊂Br0∈ℰ, 使得limn→∞ I'un=0。

由于un在H01Ω中有界, 假设存在u∈H01Ω, 使得当n→∞时,

un⇀u,在H01Ω中,un→u,在LpΩ中,1  ≤  p<2*,un→u,在Ω中几乎处处成立。

当n→∞时, 有

un2μ*⇀u2μ*,在L2N/2N-μΩ中,un2μ*-2un⇀u2μ*-2u,在L2N/N+2-μΩ中。

由于Riesz位势是一个从L2N/2N-μΩ到L2N/μΩ的线性连续映射, 故有

∫Ωuny2μ*x-yμdy⇀∫Ωuy2μ*x-yμdy,

在L2N/μΩ中, n→∞。

要证明当n→∞时, 在H01Ω中, un→u, 令wn=un-u。显然, wn也是H01Ω中的有界序列, 所以, 存在wn的子序列(仍用wn表示), 使得

limn→∞wn2=l≥0。

当n→∞时, 利用在H01Ω中, un⇀u, 有

un2=wn2+u2+on1,       n→∞。

由于当n→∞时, I'un→0, 可以从式(11)、 式(22)和式(24)推出, 当n→∞时,

on1=I'un,u=1+bun2∫Ω∇un∇udx-λ∫Ωunudx-ω∫Ωunulogun2dx-∫Ω∫Ωunx2μ*uny2μ*-1uyx-yμdxdy=u2+bu4+bwn2u2-λu22-ω∫Ωu2logu2dx-∫Ω∫Ωux2μ*uy2μ*x-yμdxdy+on1。

结合I'un→0和un的有界性, 并结合式(10)、 式(22)、 式(24)、 式(25)和Brézis-Lieb引理, 当n→∞时, 有

on1=I'un,un=1+bun2un2-λun22-ω∫Ωun2logun2dx-∫Ω∫Ωunx2μ*uny2μ*x-yμdxdy=wn2+bwn4+bwn2u2-∫Ω∫Ωwnx2μ*wny2μ*x-yμdxdy+on1。

假设l>0。由于当n→∞时Iun→cr0, 由式(10)、 式(22)、 式(24)、 式(26)和Brézis-Lieb引理可以得出, 当n→∞时, 有

cr0+on1=Iun=Iu+12⋅2μ*I'un,un+
12-12⋅2μ*wn2-12⋅2μ*-14bwn4+
12-12⋅2μ*bwn2u2+on1=
Iu+12-12⋅2μ*wn2-12⋅2μ*-14bwn4+
12-12⋅2μ*bwn2u2+on1。

在式(27)中, 令n→∞, 应用式(23), 得

cr0=Iu+12-12⋅2μ*l-12⋅2μ*-14bl2+
12-12⋅2μ*blu2。

通过范数的弱下半连续性, 有u≤r0, 这与式(23)和式(24)一起保证了

0<l≤r02<r˜2=bSH,L2μ*12μ*-2。

由于1<2μ*<2, 通过直接计算, 可以从式(29)推出

cr0=Iu+12-12⋅2μ*l-12⋅2μ*-14bl2+12-12⋅2μ*blu2>Iu,

与cr0≤Iu矛盾。因此, l=0, 即当n→∞时, 在H01Ω中un→u。

证毕。

由引理11和Iu是H01Ω中的C1泛函, 得到u是问题(1)的局部极小解, 满足Iu<0。直接计算式(21)可得, 在0,+∞上h't≥0。结合hr0>0, 可以推出当u≥r0时, 有Iu≥hu>0。因此, 具有负能量的局部极小解u必定是基态解。这就完成了定理2的证明。

5 结 论

本文运用变分方法和非线性分析技术, 研究了一类同时含有Kirchhoff-Choquard非局部项、 临界增长非线性项及对数扰动项的椭圆方程。研究的核心挑战在于临界增长项与对数扰动项耦合导致的紧性缺失问题, 以及对数项符号的不确定性、 不满足Ambrosetti-Rabinowitz条件带来的分析困难。为此, 结合集中紧性原理和对数不等式等工具进行处理。

研究策略与主要结果根据SHL临界指数的不同分为两类情形:

1) 对于较大的SHL临界指数, 当参数较大时, 能量泛函在H01Ω中是强制的且满足全局PS条件, 因此直接应用对称山路引理, 证明了方程存在无穷多个解。当参数较小时, 能量泛函性质发生显著变化。为克服此困难, 引入截断函数以及辅助泛函处理临界项, 应用集中紧性原理获得局部PS条件, 继而再次利用对称山路引理, 同样证明了无穷多个解的存在性。

2) 对于较小的SHL临界指数, 由于临界指数较低, 加之对数项带来的符号不确定性和不满足 Ambrosetti-Rabinowitz 条件, 导致PS序列紧性证明困难。基于此, 本文转而深入分析能量泛函的结构, 证明了方程至少存在一个局部极小解。进一步, 在附加参数条件下, 证明了该解也是基态解。

本文的贡献在于将传统的Kirchhoff方程推广至Kirchhoff-Choquard方程, 并为处理此类兼具非局部项、 临界项及对数扰动的复杂问题提供了新的分析框架。值得指出的是, 研究结果的普适性受到证明过程中所必需的强假设条件的限制, 这是本文的不足之处。

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