Multiple normalized solutions for the planar Schrödinger–Poisson system with critical exponential growth
Sitong Chen, Vicenţiu D. Rădulescu, Xianhua Tang
Abstract
Abstract The paper deals with the existence of normalized solutions for the following Schrödinger–Poisson system with $$L^2$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> -constraint: $$\begin{aligned} \left\{ \begin{array}{ll} -\Delta u+\lambda u+\mu \left( \log |\cdot |*u^2\right) u=\left( e^{u^2}-1-u^2\right) u, &{} x\in {\mathbb {R}}^2, \\ \int _{{\mathbb {R}}^2}u^2\textrm{d}x=c, \\ \end{array} \right. \end{aligned}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:mtable> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mfenced> <mml:mrow> <mml:mo>log</mml:mo> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mo>·</mml:mo> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mrow/> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:mrow> <mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mfenced> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mfenced> <mml:msup> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:msup> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:mfenced> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mrow/> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> <mml:mtr> <mml:mtd> <mml:mrow> <mml:mrow/> <mml:msub> <mml:mo>∫</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:msub> <mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> <mml:mtext>d</mml:mtext> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>c</mml:mi> <mml:mo>,</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:mfenced> </mml:mtd> </mml:mtr> </mml:mtable> </mml:mrow> </mml:math> where $$\mu >0$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>></mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> , $$\lambda \in {\mathbb {R}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>λ</mml:mi> <mml:mo>∈</mml:mo> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> will arise as a Lagrange multiplier and the nonlinearity enjoys critical exponential growth of Trudinger-Moser type. By specifying explicit conditions on the energy level c , we detect a geometry of local minimum and a minimax structure for the corresponding energy functional, and prove the existence of two solutions, one being a local minimizer and one of mountain-pass type. In particular, to catch a second solution of mountain-pass type, some sharp estimates of energy levels are proposed, suggesting a new threshold of compactness in the $$L^2$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mi>L</mml:mi> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:msup> </mml:math> -constraint. Our study extends and complements the results of Cingolani–Jeanjean (SIAM J Math Anal 51(4): 3533-3568, 2019) dealing with the power nonlinearity $$a|u|^{p-2}u$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>a</mml:mi> <mml:mo>|</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>|</mml:mo> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mi>u</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> in the case of $$a>0$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>a</mml:mi> <mml:mo>></mml:mo> <mml:mn>0</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> and $$p>4$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>p</mml:mi> <mml:mo>></mml:mo> <mml:mn>4</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> , which seems to be the first contribution in the context of normalized solutions. Our model presents some new difficulties due to the intricate interplay between a logarithmic convolution potential and a nonlinear term of critical exponential type and requires a novel analysis and the implementation of new ideas, especially in the compactness argument. We believe that ou