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 Li(λ)Ψ=(∂∂pi−ai(λ)∂∂xi)Ψ=−Ai(λ)Ψ,1≤i≤n. 达布变换问题指的是我们需要从方程的精确解 Ψ,Ai(λ)=M∑l=−MAilλl,1≤i≤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 Li(λ)˜Ψ=Li(λ)[(λI+α)Ψ]=(Li(λ)α)Ψ+(λI+α)Li(λ)Ψ=(Li(λ)α)Ψ−(λI+α)Ai(λ)Ψ=(∂α∂pi−M∑k=−Maikλk+1∂α∂xi)Ψ−(λI+α)(M∑l=−MAilλl)Ψ,1≤i≤n 和 −˜Ai(λ)˜Ψ=−(M∑l=−M˜Ailλl)(λI+α)Ψ,1≤i≤n, 平衡Li(λ)˜Ψ=−˜Ai(λ)˜Ψ, 1≤i≤n关于λ−M; λm, −M+1≤m≤−1 或1≤m≤M; λ0和λM+1的系数,得到对于1≤i≤n有 −αAi,−M=−˜Ai,−Mα,−ai,m−1∂α∂xi−Ai,m−1−αAi,m=−˜Ai,m−1−˜Ai,mα,−M+1≤m≤−1或1≤m≤M,∂α∂pi−ai,−1∂α∂xi−Ai,−1−αAi,0=−˜Ai,−1−˜Ai,0α,−ai,M∂α∂xi−Ai,M=−˜Ai,M. 从这些等式中,我们可以得到矩阵α的约束条件
定理2.1 令hs,1≤s≤N是相应于谱参数λ1,λ2,⋯,λN的N维列特征向量,也就是说,N维列特征向量 hs,1≤s≤N满足
证 由逆矩阵的导数公式 ∂H−1∂yi=−H−1∂H∂yiH−1,yi=pi或xi,1≤i≤n, 对于任何1≤i≤n,有 ∂α∂pi=−∂H∂piΛH−1+HΛH−1∂H∂piH−1, ∂α∂xi=−∂H∂xiΛH−1+HΛH−1∂H∂xiH−1. 另一方面,从式子(2.10)有 ∂H∂pi=M∑k=−Maik∂H∂xiΛk+1−[Ai(λ1)h1,Ai(λ2)h2,⋯,Ai(λN)hN]=M∑k=−Maik∂H∂xiΛk+1−M∑l=−MAilHΛl,1≤i≤n. 这样,我们可以计算得到 ∂α∂pi=−∂H∂piΛH−1+HΛH−1∂H∂piH−1=−M∑k=−Maik∂H∂xiΛk+2H−1+M∑l=−MAilHΛl+1H−1+M∑k=−MaikHΛH−1∂H∂xiΛk+1H−1−HΛH−1M∑l=−MAilHΛlH−1=−M∑k=−Maik∂H∂xiH−1(−α)k+2+M∑l=−MAil(−α)l+1+M∑k=−MaikHΛH−1∂H∂xiH−1(−α)k+1+αM∑l=−MAil(−α)l=M∑k=−Maik(−∂H∂xiΛH−1+HΛH−1∂H∂xiH−1)(−α)k+1+M∑l=−MAil(−α)l+1+αM∑l=−MAil(−α)l=M∑k=−Maik∂α∂xi(−α)k+1+M∑l=−MAil(−α)l+1+αM∑l=−MAil(−α)l. 这意味着由式子(2.11)定义的矩阵α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{λ1,λ2,⋯,λN}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α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(M1,M2), 则以下的谱问题 [∂∂pi−(M2∑k=−M1aikλk+1)∂∂xi]Ψ=−(M2∑l=−M1Ailλl)Ψ,1≤i≤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 [∂∂pi−(M∑k=−Maikλk)∂∂xi]Ψ=−(M∑l=−MAilλl)Ψ,1≤i≤n 的相容性条件得到. 达布变换有形式 ˜Ψ=(λI+α)Ψ,I=diag(1,1,⋯,1⏟N), 这里 ˜Ai,M=Ai,M,1≤i≤n, ˜Ai,−M=αAi,−Mα−1+ai,−M∂α∂xiα−1,1≤i≤n, ˜Aim=−M+m−1∑k=0Ai,m−k−1(−α−1)k+1−M+m∑k=0(ai,m−k∂α∂xi+αAi,m−k)(−α−1)k+1,−M+1≤m≤−1,1≤i≤n. ˜Ai,m−1=M−m+1∑k=0Ai,m+k−1(−α)k+M−m∑k=0(ai,m+k∂α∂xi+αAi,m+k)(−α)k,1≤m≤M,1≤i≤n. 矩阵α的约束条件为 ∂α∂pi=ai0∂α∂xi+Ai,−1+αAi0−˜Ai,−1−˜Ai0α=M∑k=−MAik(−α)k+1+M∑k=−Maik∂α∂xi(−α)k+M∑k=−MαAik(−α)k, 并且对于α=−HΛH−1,定理2.1同样有效.