自对偶Yang-Mills (SDYM)方程[1]}$是最重要的偏微分方程之一, 无论是在数学物理领域还是在拓朴和几何领域[2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]考虑到许多著名的可积方程如Korteweg-de Vries (KdV)方程、 非线性Schr\"{o}dinger方程、Kadomtsev-Petviashvili (KP) 方程和Davey-Stewartson (DS)方程能够从SDYM方程约化得到, 我们自然希望该类方程能包含“所有”的可积方程[5] 近年来,SDYM方程已经被推广到时空非交换的情形[17, 18, 19, 20, 21]
对于偏微分方程来说,特别是SDYM方程及各种推广形式, 达布变换提供了一种纯代数的方法用于构造精确解[6, 8, 9, 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17, 18, 19] 我们首先构造一类新的带负幂次谱参数的广义SDYM (gSDYM)方程. 对于如下的微分算子
本文安排如下: 在第二节中,我们将构造gSDYM方程(1.4)--(1.7) 的达布变换. 第三节包括一些结论并且给出文献[11]提到的一个公 开问题的解答.
方便起见,我们重新记谱问题(1.2)为 $$ L_i(\lambda)\Psi=\left(\frac{\partial}{\partial p_i}- a_i(\lambda)\frac{\partial}{\partial x_i}\right)\Psi= -A_i(\lambda)\Psi,\qquad 1\leq i \leq n. $$ 达布变换问题指的是我们需要从方程的精确解 $$ \Psi,\qquad A_i(\lambda)=\sum_{l=-M}^M A_{il}\lambda^l, 1\leq i\leq n $$ 出发构造新的精确解
下面我们推导达布变换所需要满足的条件,首先有 \begin{eqnarray*} L_i(\lambda)\widetilde{\Psi} &=&L_i(\lambda)\left[(\lambda I+\alpha)\Psi\right] \\ &=&(L_i(\lambda)\alpha)\Psi+(\lambda I+\alpha)L_i(\lambda)\Psi \\ &=&(L_i(\lambda)\alpha)\Psi-(\lambda I+\alpha)A_i(\lambda)\Psi \\ &=&\left(\frac{\partial \alpha}{\partial p_i}-\sum_{k=-M}^Ma_{ik} \lambda^{k+1}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}\right)\Psi -(\lambda I+\alpha)\left(\sum_{l=-M}^MA_{il}\lambda^l\right)\Psi, 1\leq i \leq n \end{eqnarray*} 和 $$ -\widetilde{A}_i(\lambda)\widetilde{\Psi}= -\left(\sum_{l=-M}^M\widetilde{A}_{il}\lambda^l\right) (\lambda I+\alpha)\Psi,\qquad 1\leq i \leq n, $$ 平衡$L_i(\lambda)\widetilde{\Psi}=-\widetilde{A}_i(\lambda) \widetilde{\Psi},~ 1\leq i\leq n$关于$\lambda^{-M}$; $ \lambda^m,~ -M+1 \leq m \leq -1 $ 或$ 1\leq m\leq M$; $ \lambda^0$和$\lambda^{M+1}$的系数,得到对于$1\leq i\leq n$有 \begin{eqnarray*} & & -\alpha A_{i,-M}=-\widetilde{A}_{i,-M}\alpha,\\ & & -a_{i,m-1}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}-A_{i,m-1}-\alpha A_{i,m}=-\widetilde{A}_{i,m-1}-\widetilde{A}_{i,m}\alpha,\\ & & \qquad \qquad \qquad -M+1 \leq m \leq -1 {\mbox{或}} 1\leq m\leq M,\\ & & \frac{\partial \alpha}{\partial p_i}-a_{i,-1}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}-A_{i,-1}-\alpha A_{i,0}=-\widetilde{A}_{i,-1}-\widetilde{A}_{i,0}\alpha,\\ & & -a_{i,M}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}-A_{i,M}=-\widetilde{A}_{i,M}. \end{eqnarray*} 从这些等式中,我们可以得到矩阵$\alpha$的约束条件
定理2.1 令$h_s,1\leq s \leq N$是相应于谱参数$\lambda_1,\lambda_2, \cdots,\lambda_N$的$N$维列特征向量,也就是说,$N$维列特征向量 $h_s,1\leq s \leq N$满足
证 由逆矩阵的导数公式 $$ \frac{\partial H^{-1}}{\partial y_i}=-H^{-1}\frac{\partial H}{\partial y_i}H^{-1},\qquad y_i=p_i {\mbox{或}} x_i,1\leq i \leq n, $$ 对于任何$1\leq i \leq n$,有 $$ \frac{\partial \alpha}{\partial p_i}=-\frac{\partial H}{\partial p_i}\Lambda H^{-1}+H\Lambda H^{-1}\frac{\partial H}{\partial p_i}H^{-1}, $$ $$ \frac{\partial \alpha}{\partial x_i}=-\frac{\partial H}{\partial x_i}\Lambda H^{-1}+H\Lambda H^{-1}\frac{\partial H}{\partial x_i}H^{-1}. $$ 另一方面,从式子(2.10)有 \begin{eqnarray*} \frac{\partial H}{\partial p_i}&=&\sum_{k=-M}^M a_{ik}\frac{\partial H}{\partial x_i}\Lambda^{k+1}-\left[A_i(\lambda_1)h_1,A_i(\lambda_2)h_2,\cdots,A_i(\lambda_N)h_N\right]\\ &=&\sum_{k=-M}^M a_{ik}\frac{\partial H}{\partial x_i}\Lambda^{k+1}-\sum_{l=-M}^M A_{il}H\Lambda^{l},\qquad 1\leq i\leq n. \end{eqnarray*} 这样,我们可以计算得到 \begin{eqnarray*} \frac{\partial \alpha}{\partial p_i} &=&-\frac{\partial H}{\partial p_i}\Lambda H^{-1}+H\Lambda H^{-1}\frac{\partial H}{\partial p_i}H^{-1}\\ & =&-\sum_{k=-M}^M a_{ik}\frac{\partial H}{\partial x_i}\Lambda^{k+2}H^{-1}+\sum_{l=-M}^M A_{il}H\Lambda^{l+1}H^{-1}\\ & & +\sum_{k=-M}^M a_{ik}H\Lambda H^{-1}\frac{\partial H}{\partial x_i}\Lambda^{k+1}H^{-1}-H\Lambda H^{-1}\sum_{l=-M}^M A_{il}H\Lambda^{l}H^{-1}\\ & =&-\sum_{k=-M}^M a_{ik}\frac{\partial H}{\partial x_i}H^{-1}(-\alpha)^{k+2}+\sum_{l=-M}^M A_{il}(-\alpha)^{l+1}\\ & & +\sum_{k=-M}^M a_{ik}H\Lambda H^{-1}\frac{\partial H}{\partial x_i}H^{-1}(-\alpha)^{k+1}+\alpha\sum_{l=-M}^M A_{il}(-\alpha)^{l}\\ & =&\sum_{k=-M}^M a_{ik}\left(-\frac{\partial H}{\partial x_i}\Lambda H^{-1}+H\Lambda H^{-1}\frac{\partial H}{\partial x_i}H^{-1}\right)(-\alpha)^{k+1}\\ & & +\sum_{l=-M}^M A_{il}(-\alpha)^{l+1}+\alpha\sum_{l=-M}^M A_{il}(-\alpha)^{l}\\ & =&\sum_{k=-M}^M a_{ik}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}(-\alpha)^{k+1}+\sum_{l=-M}^M A_{il}(-\alpha)^{l+1}+\alpha\sum_{l=-M}^M A_{il}(-\alpha)^{l}. \end{eqnarray*} 这意味着由式子(2.11)定义的矩阵$\alpha$实际上是满足约束条件 (2.9)的.
这里需要指出的是我们要求特征值集合$\{\lambda_1, \lambda_2,\cdots,\lambda_N\}$中至少有两个不同的值. 否则只能得到原始解而不能构造出新解,因为矩阵$\alpha$变 为一个带常系数的单位矩阵. 方程(2.10)是线性的, 从而是精确可解的. 即给定一个精确解如平凡的零解, 我们也能依次利用达布变换构造一系列新的精确解. 事实上, 文献[11]构造的Vandermonde行列式型和广义Cauchy行列式 型解也适用于本文的定理.
本文从谱问题(1.2)出发构造了带负幂次谱参数的gSDYM方程(1.4)--(1.7). 此类方程的达布变换的显式表达式由定理2.1给出. 利用达布变换, 文献[11]给出的Vandermonde行列式和广义Cauchy行列式可以用来 构造精确解. 总之,本文直接推广了文献[11]的结果. 另外,令 $$M=\max (M_1,M_2), $$ 则以下的谱问题 $$ \left[\frac{\partial}{\partial p_i}-\left(\sum_{k=-M_1}^{M_2} a_{ik}\lambda^{k+1}\right)\frac{\partial}{\partial x_i}\right]\Psi=-\left(\sum_{l=-M_1}^{M_2} A_{il}\lambda^l\right)\Psi,\qquad 1\leq i \leq n, $$ 可以看作问题(1.2)的一种简化.
文献[11]提出了一个公开问题,即如下$2n$维SDYM型方程
方程(3.1)--(3.2)可由谱问题 $$ \left[\frac{\partial}{\partial p_i}-\left(\sum_{k=-M}^{M} a_{ik}\lambda^{k}\right)\frac{\partial}{\partial x_i}\right]\Psi=-\left(\sum_{l=-M}^{M} A_{il}\lambda^l\right)\Psi,\qquad 1\leq i \leq n $$ 的相容性条件得到. 达布变换有形式 $$ \widetilde{\Psi}=(\lambda I+\alpha)\Psi,\qquad I={\mbox{diag}}\Big(\underbrace{1,1,\cdots,1}_N\Big), $$ 这里 $$ \widetilde{A}_{i,M}= A_{i,M} ,\qquad 1\leq i\leq n, $$ $$ \widetilde{A}_{i,-M}=\alpha A_{i,-M}\alpha^{-1}+a_{i,-M}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}\alpha^{-1},\qquad 1\leq i\leq n, $$ \begin{eqnarray*} \widetilde{A}_{im}&=&-\sum_{k=0}^{M+m-1}A_{i,m-k-1}\left(-\alpha^{-1}\right)^{k+1}-\sum_{k=0}^{M+m}\left(a_{i,m-k}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}+\alpha A_{i,m-k}\right)(-\alpha^{-1})^{k+1},\nonumber\\ & & -M+1\leq m\leq -1,1\leq i\leq n. \end{eqnarray*} \begin{eqnarray*} \widetilde{A}_{i,m-1}&=&\sum_{k=0}^{M-m+1}A_{i,m+k-1}\left(-\alpha\right)^k+\sum_{k=0}^{M-m}\left(a_{i,m+k}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}+\alpha A_{i,m+k}\right)(-\alpha)^{k},\nonumber\\ & & 1\leq m\leq M,1\leq i\leq n. \end{eqnarray*} 矩阵$\alpha$的约束条件为 \begin{eqnarray*} \frac{\partial \alpha}{\partial p_i} &=&a_{i0}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}+A_{i,-1}+\alpha A_{i0}-\widetilde{A}_{i,-1}-\widetilde{A}_{i0}\alpha\nonumber\\ &=&\sum_{k=-M}^MA_{ik}(-\alpha)^{k+1}+\sum_{k=-M}^Ma_{ik}\frac{\partial \alpha}{\partial x_i}(-\alpha)^{k}+\sum_{k=-M}^{M}\alpha A_{ik}(-\alpha)^{k}, \end{eqnarray*} 并且对于$\alpha=-H\Lambda H^{-1}$,定理2.1同样有效.