Ground state of some variational problems in Hilbert spaces and applications to P.D.E.

Abstract We prove the existence of a ground state for some variational problems in Hilbert spaces, following the approach of Berestycki and Lions. Next, we examine the problem of constructing ground state solutions $$u:\mathbb {R}^{d+k}\rightarrow \mathbb {R}^m$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>m</mml:mi> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> of the system $$\Delta u(x)=\nabla W(u(x))$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>Δ</mml:mi> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mi>∇</mml:mi> <mml:mi>W</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>(</mml:mo> <mml:mi>x</mml:mi> <mml:mo>)</mml:mo> <mml:mo>)</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> (with $$W:\mathbb {R}^m\rightarrow \mathbb {R}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>W</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>m</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> </mml:math> ), corresponding to some nontrivial stable solutions $$e:\mathbb {R}^k\rightarrow \mathbb {R}^m$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>k</mml:mi> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>m</mml:mi> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> . The method we propose is based on a reduction to a ground state problem in a space of functions $$\mathcal {H}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>H</mml:mi> </mml:math> , where e is viewed as a local minimum of an effective potential defined in $$\mathcal {H}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>H</mml:mi> </mml:math> . As an application, by considering a heteroclinic orbit $$e:\mathbb {R}\rightarrow \mathbb {R}^m$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>e</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:mi>R</mml:mi> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>m</mml:mi> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , we obtain nontrivial solutions $$u:\mathbb {R}^{d+1}\rightarrow \mathbb {R}^m$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>u</mml:mi> <mml:mo>:</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>R</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mi>m</mml:mi> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ( $$d\ge 2$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>d</mml:mi> <mml:mo>≥</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> </mml:mrow> </mml:math> ), converging asymptotically to e , which can be seen as the homoclinic analogs of the heteroclinic double layers, initially constructed by Alama-Bronsard-Gui and Schatzman.