广义拟线性Schrödinger方程的径向解
Radial Solutions for Generalized Quasilinear Schrödinger Equations
DOI: 10.12677/PM.2017.73018, PDF, HTML, XML, 下载: 1,578  浏览: 3,360 
作者: 李青, 姚仰新:华南理工大学数学学院,广东 广州
关键词: Schrödinger方程径向解压缩映像原理延拓定理Schrödinger Equations Radial Solutions Contraction Mappings Continuation Theorem
摘要: 利用ODE方法,本文讨论数学物理中一类广义拟线性Schrödinger方程径向解的存在性。
Abstract: By using the ODE method, we study the existence result of radial solutions for generalized quasi-linear Schrödinger equations arising from mathematical physics.
文章引用:李青, 姚仰新. 广义拟线性Schrödinger方程的径向解[J]. 理论数学, 2017, 7(3): 149-154. https://doi.org/10.12677/PM.2017.73018

1. 引言

本文研究下列一类广义拟线性Schrödinger方程:

(1.1)

其中div为散度算子,为光滑有正下界的偶函数。

方程(1.1)来源于对以下拟线性Schrödinger方程驻波解的研究:

(1.2)

其中是实函数。对于不同形式的非线性项,方程(1.2)对应了不同的物理现象模型。例如:当时,方程(1.2)是凝波函数在超流体膜中时间演变的模型。当时,方程(1.2)是大功率超短激光在物质中传输的模型。令,其中为实函数,

。把代入方程(1.2)后消去含t的项,便得到方程(1.1)。

时,文献 [1] [2] 通过约束极小化讨论了(1.1)解的存在性。当时,文献 [3] 证明了(1.1)非平凡解的存在性。对于一般的的研究,可参考文献 [4] 。

若进一步,当关于非减时,利用山路定理,文献 [4] 证明了(1.1)非平凡解的存在性。本文在没有非减这一条件下,拟利用ODE方法研究方程(1.1)径向解的存在性。本文的主要结论为:

定理1:在的条件下,方程(1.1)存在径向解,且解是有界的。

2. 定理的证明

,根据的条件,反函数存在。

代入方程(1.1),则有:

(2.1)

因此,对方程(1.1)径向解的研究可以转化成对方程(2.1)的径向解的研究。

事实上,(1.1)等价于

(2.2)

由于,(2.2)两边除以,得:

(2.3)

由于,把代入方程(2.3)便可以得到(2.1)。反之,把代入(2.2)便得到(2.1)。

为了简化符号,记,则方程(2.1)写成如下形式:

(2.4)

引理2.1:在的条件下,关于是局部利普希茨连续的。

证明:由于光滑,故是局部有界的,即,对于任意的,存在使得。另一方面,由于,故也是局部有界的。则对上述,存

使得。由的表达式可知,是局部有界的。即对上述,存在使得。令

对于(),利用中值定理可知:

其中介于之间。

对于,同样利用中值定理可知:

其中介于介于之间。

由此可知:

关于是局部利普希茨连续的。

由于本文研究方程(2.4)的径向解,故方程(2.4)可以写成如下的形式:

(2.5)

由于,因此。对函数限定一个初始条件,不妨令。因此对问题(2.4)径向解的研究转化成研究如下的柯西问题:

(2.6)

定理2.2:对于任意的,存在常数,使得问题(2.6)有唯一的解

证明:方程可以写成如下的形式:

(2.7)

对(2.7)两边两次积分可得

(2.8)

显然对(2.8)进行微分可以得到(2.7)。

根据引理2.1,存在,使得是局部有界的,存在,使得。取,则对于任意,有:

(2.9)

由(2.9)知,对任意,有。利用压缩映像原理可知方程(2.8)有唯一的解。故问题(2.6)有唯一的解

类似地,有

引理2.3:对于任意的为实数,存在常数,使得

(2.10)

有唯一的解

下面研究上的整体解。为了研究局部解和整体解的关系,首先给出延拓的定义。

定义2.1:设函数是问题(2.6)的解。若存在函数,其中,使得对于,有,那么称函数的延拓。

下面引理的证明可参看文献 [5] [6] 。

引理2.4:设对变量是局部利普希茨连续的,是问题(2.6)的解。则局部解有唯一的延拓需满足下列条件之一:

(1)是整体解;

(2) 存在一点,使得:

定理的证明:由引理2.1,定理2.2知方程(1.1)具有局部解。下面证明此局部解可以延拓成为整体解。令

则存在常数使得成立不等式

(2.11)

此外,

(2.12)

假设是问题(2.6)的局部解。在两边同时乘以,并在上进行积分,可以得到:

(2.13)

定义函数

(2.14)

可知

因此是非增函数。故

(2.15)

由(2.11),(2.14)和(2.15)可知:

因此是有界的。根据引理2.4可知,局部解可以延拓成为整体解。

根据公式(2.14)和(2.15)可知:

。如果公式(2.12)成立,由的有下界性可以得出的有界性。

NOTES

*通讯作者。

参考文献

[1] Liu, J.Q. and Wang, Z.Q. (2002) Soliton Solutions for Quasilinear Schrödinger Equations I. Proceedings of the American Mathematical Society, 131, 441-448.
https://doi.org/10.1090/S0002-9939-02-06783-7
[2] Poppenberg, M., Schmitt, K. and Wang, Z.Q. (2002) On the Existence of Soliton Solutions to Quasilinear Schrödinger Equations. Calculus of Variations and Partial Differential Equations, 14, 329-344.
https://doi.org/10.1007/s005260100105
[3] Shen, Y.T. and Wang, Y.J. (2016) Standing Waves for a Class of Quasilinear Schrödinger Equations. Complex Variables and Elliptic Equations, 61, 817-842.
https://doi.org/10.1080/17476933.2015.1119818
[4] Shen, Y.T. and Wang, Y.J. (2013) Soliton Solutions for Generalized Quasilinear Schrödinger Equations. Nonlinear Analysis: Theory, Methods & Applications, 80, 194-201.
https://doi.org/10.1016/j.na.2012.10.005
[5] Sobolev, G. (1964) Non-Linear Differential Equations. Pergamon Press, Oxford.
[6] Kuzin, I. and Pohozaev, S. (1997) Entire Solutions of Semilinear Elliptic Equations. Birkhauser, Basel, Boston and Berlin.