数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (2): 373-380   PDF (277 KB)    
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夏冬
夏铁成
李德生
分数阶超Yang族及其超哈密顿结构
夏冬1,2 , 夏铁成2 , 李德生1     
1. 沈阳师范大学数学与系统科学学院 沈阳 110034;
2. 上海大学数学系 上海 200444
摘要:通过应用分数阶超迹恒等式以及建立在李超代数上的广义零曲率方程, 得到分数阶超Yang族和它的分数阶超哈密顿结构. 应用该方法还可以得到其他分数阶超方程族.
关键词分数阶超迹恒等式     李超代数     分数阶超Yang族     分数阶超哈密顿结构    
Fractional Super-Yang Hierarchy and Its Super-Hamiltonian Structure
Xia Dong1,2 , Xia Tiecheng2 , Li Desheng1     
1. Department of Mathematics, Shenyang Normal University, Shenyang 110034;
2. Department of Mathematics, Shanghai University, Shanghai 200444
Abstract: Base on a fractional supertrace identity presented by Wang and Xia and the generalized zero curvature equation associated with Lie superalgebras, the fractional super-Yang hierarchy and its fractional super Hamiltonian structure are obtained. This method can be used other fractional super hierarchies.
Key words: Fractional supertrace identity     Lie superalgebras     The fractional super-Yang hierarchy     Fractional super Hamiltonian structure    
1 引言

非整数阶微积分理论的研究可以追溯到Leibniz,Liouville,Grunwald, Letnikov和Riemann. 在过去的几十年中,许多学者指出, 因为分数阶导数可以有效的描述物理中的非线性现象, 所以分数阶微积分在动力学理论[1, 2], 统计力学[3, 4]以及其他领域[5, 6, 7]中有广泛地应用.

在孤子理论中,寻找孤子方程新的可积系统是一个重要的课题. 屠格式[8]是获得可积哈密顿系统的 一个有效方法. 应用屠格式, 研究人员已经获得了大量的可积系统及其它们的哈密顿结构. 吴国成和张盛[9]提出了广义 屠格式, 可以构造分数阶可积孤子族的哈密顿结构. 岳超和夏铁成给出了分数阶二次型恒等式[10], 并得到分数阶AKNS族的一个可积耦合的哈密顿结构. 王惠等将超迹恒等式推广为分数阶的超级恒等式,本文中 我们基于李超代数, 应用分数阶超级恒等式构造出分数阶超Yang族以及它的分数阶超哈密顿结构.

2 分数阶超迹恒等式

首先,考虑一组分数阶矩阵等谱问题 Dαxψ=Uψ=U(u,λ)ψ,  Dβtψ=Vψ,(2.1)

, 其中 Dαx是修正导数或者经典分数阶导数意义上的分数阶导数, ψn 维函数向量. 利用相容条件(2.1),可以得到广义零曲率方程 DβtUDαxV+[U,V]=0,(2.2)
其中,[U,V]=UVVU,当 α=β=1, (2.2)式可以化简为经典的零曲率方程.

现在,给定圈李超代数G,我们引进超迹,使其满足

(1)~ 对称性 str(adaadb)=str(adbada),     a,bG;(2.3)

(2)~ 李积不变性 str(adaad[b,c])=str(ad[a,b]adc),     a,b,cG,(2.4)

adaaGG上的伴随表示, 其定义为 adab=[a,b],      bG,(2.5)
此处 [,]G的李超括号.

定义泛函 W=[str(adVadUλ)+str(adΛadDαx[U,V])]dx,(2.6)

其中,Uλ=Uλ,U, V满足(2.1)式,Λ˜G是待定乘子.

从分数导数的意义上,泛函R关于a的梯度aRG定义为 str(adaRadb)dx=ϵR(a+ϵb)|ϵ=0,     a,bG.(2.7)

显然,由Killing型的非退化性,可得 bstr(adaadb)dx=a,   bstr(adaadDαxb)dx=Dαxa.(2.8)
所以,我们有关于泛函W的变分运算的约束条件,如下 VW=UλDαxΛ+[U,Λ],(2.9)
ΛW=DαxV[U,V],(2.10)
方程(2.9),(2.10)决定VΛ,这意味着VΛU都与势函数u有关. 而且满足 δδustr(adVadUλ)dx=δWδu,(2.11)
其中,δδu是关于u的变分导数. 显然, 计算δWδu仅需考虑独立变量u, 而且如果aR(a)=0,则 (δδu)R(a(u))=0.
因此由(2.4)式不变性,我们有 δδustr(adVadUλ)dx=δWδu=str(adVaduλu)+str(ad[Λ,V]adUu).(2.12)
利用方程(2.9),(2.10)和 Jacobi恒等式,可得 Dαx[Λ,V]=[DαxΛ,V]+[Λ,DαxV]=[Uλ+[U,Λ],V]+[Λ,[U,V]]=[Uλ,V]+[V,[Λ,U]]+[Λ,[U,V]]=[Uλ,V]+[U,[Λ,V]],(2.13)
同时,从(2.10)式有, DαxV=[Uλ,V]+[U,Vλ].(2.14)
因此,Z=[Λ,V]Vλ满足 DαxZ=[U,Z].(2.15)
根据唯一性以及rank(Z)=rank(Vλ)=rank(Vλ), 则存在一个常数γ满足 [Λ,V]Vλ=γλV,(2.16)
因为VλDαx=[U,V]的根. 最后,(2.12)式可以表示为 δδustr(adVadUλ)dx=str(adVadUλ/u)+str(adVλadU/u)+γλstr(adVadU/u)=λstr(adVadU/u)+(λγλλγ)(str(adVadU/u))=λγλλγ(str(adVadU/u)).(2.17)
这样我们得到了李超代数上的分数阶的超迹恒等式[11].

定理2.1[11]} 设U=U(u,λ)G是齐次秩的n阶矩阵, 且定态零曲率方程Dαx=[U,V]除常数因子外有唯一解VG, 则有如下分数阶超迹恒等式 δδustr(adVadUλ)dx=λγλλγ(str(adVadU/u)),    γ=常数.(2.18)

(2.18)式中的变分导数是修正Riemman-Liouville意义下的分数阶导数.

定理2.[11]} 设V是定态零曲率方程Dαx=[U,V]的解,则分数阶超级恒等式中的常数γ由下列式子给出 γ=λ2ddλln|str(adVadV)|,   str(adVadV)0.(2.19)

3 分数阶超Yang族

我们考虑下面的李超代数 G2={5i=1λieii=1,2,3,4,5} (参见文献[12]). e1=(0101  0  0000),e2=(0  1  0100000),e3=(1  0  0010000),

e4=(0  0  1000010),e5=(0  0  0001100).
满足 [e1,e2]=2e3,[e1,e3]=2e2,[e2,e3]=2e1,[e1,e4]=[e5,e3]=[e4,e2]=e5,
[e1,e5]=[e2,e5]=[e3,e4]=e4,[e4,e4]+=(e1+e2),[e5,e5]+=e1e2,
[e4,e5]+=[e5,e4]+=e3,
其中,e1,e2,e3是偶元,e4,e5是奇元, [,][,]+表示交换子和反交换子. 对应的圈李超代数 ~G2定义为 ei(n)=λnei,  [ei(m),ej(n)]=[ei,ej]λm+n,  i,j=1,2,3,4,5, m,nZ.

我们考虑分数阶超Yang等谱问题 Dαxψ=Uψ,

U=(s  λ+q+r  u1λq+rsu2u2u10),u=(qrsu1u2),λt=0.(3.1)

V=ae3+be2+ce1+de4+fe5. 则解定态零曲率方程DαxV=[U,V]可得 Dαxam=2cm+1+2qcm2rbm+u1fm+u2dm,

Dαxbm=2ram+2scmu1dmu2fm,
Dαxcm=2am+12qam+2sbmu1dm+u2fm,
Dαxdm=fm+1+qfm+rfm+sdmu1amu2bmu2cm,
Dαxfm=dm+1qdm+rdmsfm+u2am+u1bmu1cm,
a0=c0=d0=e0=0,b0=1,a1=s,c1=r,d1=u1,e1=u2,b1=0.

V(n)+=mm=0[ame3(nm)+bme2(nm)+cme1(nm)+dme4(nm)+fme5(nm)]=λnVV(n),

通过计算,我们有如下的结果 DαxV(n)++[U,V(n)+]=2cn+1e3(0)+2an+1e1(0)fn+1e4(0)+dn+1e5(0).
V(n)=V(n)++bn+1e2(0),则有 DαxV(n)+[U,V(n)]=(2cn+12rbn+1)e3(0)+(2an+1+2sbn+1)e1(0)bn+1xe2(0)+(fn+1u2bn+1)e4(0)+(dn+1+u1bn+1)e5(0),(3.2)
因此由分数阶零曲率方程 DβtDαxV(n)+[U,V(n)]=0,(3.3)
决定了如下分数阶方程族 Dβtu=(DβtqDβtrDβtsDβtu1Dβtu2)=(Dαxbn+12an+12sbn+12cn+1+2rbn+1fn+1+u2bn+1dn+1u1bn+1)=(Dαx  s  r  12u2  12u1s0100r100012u20012012u100012)(2bn+12cn+12an+12fn+12dn+1)=JPn+1=JLPn,(3.4)
其中 L=(ABCDErq12Dαx12u112u2s  12Dαx  q12u212u1u2u2u1  (q+r)  Dαx+su1u1u2Dαx+sq+r),
A=Dαx(u21+u22), B=Dαx(2qsu21+u22)DαxrDαx, C=2Dαx(u1u2qr)DαxsDαx, D=Dαxu1Dαx+Dαxqu2, E=Dαxu2DαxDαxqu1. 如果在系统(3.4)式中 取u1=u2=0, 则化简为参考文献[13]中的超Yang族, 所以称系统(3.4)式为分数阶超Yang族.

4 分数阶超Yang族的分数阶超哈密顿结构

下面将应用分数阶超级恒等式构造分数阶超Yang族的哈密顿结构. 对于a=a1e1+a2e2+a3e3+a4e4+a5e5G, 通过计算即有 ada=(0  a3  a2a5a42a22a10  2a4  02a302a102a5a4a50a1a2a50a4a3a1),

这里的ada是由(2.5)式决定的. 如果定义超迹 str(c)=c11+c22c33,    c=ab,     a,bG,(4.1)
其中c=(cij)3×3abab的矩阵积, 则Killing型可按如下公式计算 str(adaadb)=3str(ab),     a,bG.(4.2)
利用(4.2)式可推得 str(adVaduλ)=6b,str(adVaduq)=6b,str(adVadur)=6c,
str(adVadus)=6a,str(adVaduu1)=6e,str(adVaduu2)=6d,
利用分数阶超级恒等式(2.18),即得 δδu(6b)dx=λγλλγ(6b6c6a6e6d).(4.3)
比较λn1的系数,等式满足 δδu(6bn+1)dx=(n+γ)(6bn6cn6an6en6dn),   n0.(4.4)
为了确定γ,我们首先设n=0,由此可得γ=0. 所以,我们有 δδu(6bn+2n+1)dx=(6bn+16cn+16an+16en+16dn+1),   n0.(4.5)
因此,分数阶超Yang族具有如下超哈密顿结构 Dβtu=JδHnδu,    n0,(4.6)
其中分数阶超哈密顿算子J和哈密顿函数Hn分别为 J=(Dαx  s  r  12u2  12u1s0100r100012u20012012u100012),    Hn=6bn+2n+1,     n0.(4.7)
显然,该分数阶超Yang族具有超双哈密顿结构 Dβtu=JδHnδu=MδHn1δu,    n0,(4.8)
其中,M=LJ[12]. 当n=1,我们可得到分数阶非线性超Yang系统 Dβtq=rDαxr+sDαxs+Dαx(u1u2),
Dβtr=Dαxr+2qssr2s32su1u2,
Dβts=Dαxs2qr+r3+rs2+2ru1u2
Dβtu1=Dαxu1qu2+12u2r2+12u2s2,
Dβtu2=Dαxu2+qu112u1r212u1s2.(4.9)

显然,当α=β=1,系统(4.9)式化简为经典非线性超Yang系统 qt=rrx+ssx+u1xu2+u1u2x,

rt=rx+2qssr2s32su1u2,
st=sx2qr+r3+rs2+2ru1u2,
u1t=u1xqu2+12u2r2+12u2s2,
u2t=u2x+qu112u1r212u1s2.(4.10)

5 结论

本文不但从等谱问题(3.1)获得分数阶超Yang族, 而且应用分数阶超迹恒等式构造了分数阶超 Yang族的分数阶超哈密顿结构. 这种构造分数阶孤子方程族的方法可以被推广到其他方程族上.

参考文献
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分数阶超Yang族及其超哈密顿结构
夏冬 , 夏铁成 , 李德生