1. 引言
在本文中,我们主要考虑下列分数阶静态Hartree方程
(1)
其中
,
,
,
,
,
,
为奇数并且
分数阶拉普拉斯算子定义为(见 [1] [2])
(2)
Hartree型方程在非相对论玻色子原子和分子大系统的量子理论中有许多有趣的应用,事实上,Hartree型方程是在研究这类系统的平均场极限时产生的,即在玻色子数量非常大,但它们之间的相互作用很弱的情况下,因此,通过数学方法研究Hartree型方程有重要意义,参见文献 [3] - [8] 及其引用的参考文献。近几年来,许多学者都对Hartree型方程产生兴趣并得到一系列结果。例如,当
,
,
,
时,刘书茂 [9] 通过方程(1)的等价积分形式对正解进行了分类。当
,
,
,
时,戴蔚等人 [10] 使用积分形式的移动平面法对于方程(1)的正
弱解进行了分类。后来,戴蔚等人 [11] 通过直接移动平面法对于方程(1)的正解进行了分类,并且给出了解的具体形式。
本文我们扩展了戴蔚等人的系数范围
,
,
,
,通过直接移动平面法来研究当
,
,
,
,
,
,
为奇数时方程(1)
的负解的对称性。首先,我们通过证明无穷远处的衰减性定理来确保移动平面可以起步。然后,我们将平面移到极限位置,通过狭窄区域定理,我们可以得到方程(1)的负解是关于某点径向对称的。
2. 主要结果
本文关于静态Hartree方程的主要结论如下:
定理2.1设
,
,
,
,
,
为奇数。若u是方程(1)的负解,且存在某点
使得
,则u关于点
径向对称。
3. 证明
由方程(1)可以得到
,我们先对u关于点
作Kelvin变换
故
等价于
,从方程(1)中可得
。我们可
以由(1)和(2)推断出
由于方程(1)在旋转下是不变的,所以我们任意选一个方向作为
方向,并沿着
轴进行移动平面的过程。方便起见,我们进行如下定义:
Step 1. 从
附近开始移动平面,我们通过反证法证明
(3)
假设(3)式不成立,那么
且
在
中存在负值,对于任意
,我们有
(4)
引理3.1 [11] 设u是方程(1)的正解,则u满足积分方程
其中
(见 [12])。
对于本文中的负解u,我们令
,再应用引理3.1可以得到u满足同样的结论。
由引理3.1可得
(5)
由引理3.1,当
充分大时,有
因此,对于充分小的
,当
时,有
。又因为当
充分负且
时,
,故此时
。
现在我们需要下列定理:
定理3.2 (无穷远处的衰减性定理)设
,
且
负最小值在
内部达到,则存在
(依赖u且与
无关),使得如果
满足
那么
。
证明:反设对任意
,存在
且
,使得
。
一方面,由(2)我们有
(6)
另一方面,由(4)我们可以得出
(7)
其中
。
下面我们需要估计
的范围,当
充分大时,我们有如下估计:
(8)
以及
(9)
因此,由(8)和(9)我们可以得出
(10)
联合(6) (7) (10)三式,我们有
当
,
充分大时,此不等式不成立,因此导出矛盾假设错误,故定理得证。
通过定理3.2我们可以得到当
充分负且
的时候,(3)式成立。
Step 2. 将平面
向
轴正方向移动并保持
成立至极限位置。令
(11)
我们想要得到
,在这里我们使用反证法,假设
。
若
,则
不是v的奇点,因此
,这与定理
2.1条件矛盾。
若存在
,使得
。
由连续性,存在
充分小及常数
使得
,
。通过(5)和引理3.1我们可以计算得到对任意
,有
(12)
我们可由(12)得到存在
充分小,使得
(13)
这等价于
又因为v在
内是一致连续的,所以存在
充分小,使得对于任意的
,有
这等价于
因此,对任意
,有
,故
并且
(F)若
,则
负最小值在
内部达到。
由此结合定理3.2,我们可以推导出对于任意
,有
(H)
的负最小值不可能在
内取到。
现在,我们需要下列定理
定理3.3 (狭窄区域定理)设
为
中的狭窄区域,l充分小,
且满足
(a)
;
(b) 若
,则
负最小值在
内部达到;
(c)
负最小值不在
内部达到;
则存在
充分小(关于
连续),使得对于任意
,任意
,有
。
证明:反设对任意
充分小,存在
,存在
,使得
。
一方面,类似 [1] 中式子22的计算步骤我们可以得到
(14)
另一方面,由(a)可得
(15)
记
。
下面我们需要估计
的范围,类似(8) (9)的过程,我们可以得到对于任意
有如下估计:
(16)
以及
(17)
故当
时,由(16)和(17)可得
(18)
其中
因此存在
充分小使得
,联合(14) (15) (18),我们有
此不等式矛盾,故假设错误,定理得证。
现在我们定义
(19)
给定
充分小,联合(12)(13)可以得到
,
这等价于
其中
表示
关于超平面
的反射。因为v在闭区域
内一致连续,故存在
充分小,对于任意
,有
这等价于
容易验证
。
因此,对于任意
,我们有
(20)
定义
,我们结合(H)以及(20)可以得到,对于任意
,
(G)
负最小值不能在
内取到。
令
,当给定
时,联合(4) (F) (19) (G)以及定理3.3,我们可以证明对任意
,有
,
,这与(11)矛盾,因此我们得到
,
。
同样的方法,我们将平面从
轴充分正的地方向
轴负方向移动平面。因此我们可以得到
,
。因为方程(1)是旋转不变的,因此我们得到定理2.1。
4. 总结
本文通过使用 [12] 中的移动平面法,增加了新的条件,即存在某点
使得式子
成立,考虑了方程(1)的负解,同时将 [12] 中的系数范围
,
,
,
推广到了
,
,
,
,
,且
为
奇数。最后也得到了解的径向对称性的结论。