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  数学物理学报  2015, Vol. 35 Issue (3): 478-486   PDF (297 KB)    
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沈守枫
于水猛
李春霞
金永阳
2n维空间中的广义自对偶Yang-Mills方程的达布变换
沈守枫1, 于水猛2, 李春霞3, 金永阳1    
1. 浙江工业大学应用数学系 杭州 310023;
2. 江南大学理学院 江苏 无锡 214122;
3. 首都师范大学数学科学学院 北京 100048
摘要:从带负幂次谱参数的谱问题出发,构造了一类广义自对偶Yang-Mills方程. 这类方程包括若干著名的Lax可积方程, 如Takasaki情形、Belavin-Zakharov情形、Ablowitz-Chakravarty-Takhtajan情形和Ma情形. 进而建立了这类方程的达布变换的精确表达式.
关键词达布变换     自对偶Yang-Mills方程     Lax可积     谱问题    
Darboux Transformation for A Generalized Self-Dual Yang-Mills Equation in 2n Dimensions
Shen Shoufeng1, Yu Shuimeng2, Li Chunxia3, Jin Yongyang1    
1. Department of Applied Mathematics, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023;
2. School of Sciences, Jiangnan University, Jiangsu Wuxi 214122;
3. School of Mathematical Sciences, Capital Normal University, Beijing 100048
Abstract: A generalized self-dual Yang-Mills equation with negative powers of the spectral parameter is proposed by a set of spectral problems. It contains some well-known Lax integrable equations such the Takasaki case, the Belavin-Zakharov case, the Ablowitz-Chakravarty-Takhtajan case and the Ma case. The explicit formulation of Darboux transformation is established for this equation.
Key words: Darboux transformation     Self-dual Yang-Mills equation     Lax integrable     Spectral problem    
1 广义自对偶Yang-Mills方程

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

Li(λ)=piai(λ)xi=pi(Mk=Maikλk+1)xi,1in, (1.1)
我们考虑谱问题
Li(λ)Ψ=Ai(λ)Ψ=(Ml=MAilλl)Ψ,1in, (1.2)
这里λ是谱参数,ΨN×N的特征函数矩阵, aik,MkM,1in是常数, p=(p1,p2,,pn),x=(x1,x2,,xn)CnRn是两个向量并且Ail,MlM,1in都是依赖于p,x的关于势函数的 N×N矩阵. 注意到Li(λ),1in都是线性算子,我们计算 Lj(λ)Li(λ)Ψ=Lj(λ)(Ml=MAilλlΨ)=Ml=MAilλlLj(λ)ΨMl=Mλl(Lj(λ)Ail)Ψ=Ml=MλlAilMk=MλkAjkΨMl=Mλl(Ailpjaj(λ)Ailxj)Ψ=2Mm=2Mλm(k+l=mMk,lMAikAjl)ΨMm=MλmAimpjΨ+2Mm=2Mλm+1(k+l=mMk,lMajkAilxj)Ψ. 这样,相容性条件
Lj(λ)Li(λ)Ψ=Li(λ)Lj(λ)Ψ,1i,jn (1.3)
能展开为 2Mm=2Mλmk+l=mMk,lMAikAjlMm=MλmAimpj+2Mm=2Mλm+1k+l=mMk,lMajkAilxj=2Mm=2Mλmk+l=mMk,lMAjkAilMm=MλmAjmpi+2Mm=2Mλm+1k+l=mMk,lMaikAjlxi,1i,jn.λ2M; λm,2M+1mM1,M+1m2M; λm,MmMλ2M+1的系数为零即可得如下的2n维gSDYM方程
[Ai,M,Aj,M]=0,1i,jn, (1.4)
k+l=mMk,lM[Aik,Ajl]+k+l=m1Mk,lM(ajkAilxjaikAjlxi)=0,2M+1mM1M+1m2M,1i,jn, (1.5)
k+l=mMk,lM[Aik,Ajl]Aimpj+Ajmpi+k+l=m1Mk,lM(ajkAilxjaikAjlxi)=0,MmM,1i,jn, (1.6)
ajMAiMxjaiMAjMxi=0,1i,jn, (1.7)
这里的[,]定义为矩阵Lie代数的Lie括号运算. 我们设n,N2,这是因为当N=1时矩阵Aik,Ajl为零矩阵, 而当n=1时上述的gSDYM自动成立. 这类新的gSDYM方程(1.4)--(1.7)包括著名的Takasaki情形、 Belavin-Zakharov情形、Ablowitz-Chakravarty-Takhtajan情形和Ma情形 (参见文献[11]).

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.

2 gSDYM方程的达布变换

方便起见,我们重新记谱问题(1.2)为 Li(λ)Ψ=(piai(λ)xi)Ψ=Ai(λ)Ψ,1in. 达布变换问题指的是我们需要从方程的精确解 Ψ,Ai(λ)=Ml=MAilλl,1in 出发构造新的精确解

˜Ψ,˜Ai(λ)=Ml=M˜Ailλl,1in, (2.1)
使得谱问题(1.2)恒成立. 本节的目的就是解决该问题. 我们将证明
˜Ψ=(λI+α)Ψ,I=diag(1,1,,1N) (2.2)
给出了可计算的新的特征函数矩阵,这里的矩阵α需要满足若干 约束条件.

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=(αpiMk=Maikλk+1αxi)Ψ(λI+α)(Ml=MAilλl)Ψ,1in˜Ai(λ)˜Ψ=(Ml=M˜Ailλl)(λI+α)Ψ,1in, 平衡Li(λ)˜Ψ=˜Ai(λ)˜Ψ, 1in关于λM; λm, M+1m11mM; λ0λM+1的系数,得到对于1inαAi,M=˜Ai,Mα,ai,m1αxiAi,m1αAi,m=˜Ai,m1˜Ai,mα,M+1m11mM,αpiai,1αxiAi,1αAi,0=˜Ai,1˜Ai,0α,ai,MαxiAi,M=˜Ai,M. 从这些等式中,我们可以得到矩阵α的约束条件

αpiai,1αxiAi,1αAi,0=˜Ai,1˜Ai,0α,1in (2.3)
和决定˜Aim的递归关系
˜Ai,M=αAi,Mα1,1in, (2.4)
˜Ai,M=Ai,M+ai,Mαxi,1in, (2.5)
˜Ai,m1=Ai,m1+ai,m1αxi+αAi,m˜Ai,mα,M+1m1or1mM,1in. (2.6)
从式子(2.6),注意到当M+1m1, 1in时, 我们能进一步计算 ˜Aim=Ai,m1α1+αAimα1+ai,m1αxiα1+˜Ai,m1(α1)=Ai,m1α1+αAimα1+ai,m1αxiα1+[Ai,m2α1+αAi,m1α1+ai,m2αxiα1+˜Ai,m2(α1)](α1)=Ai,m1α1+αAimα1+ai,m1αxiα1+[Ai,m2α1+αAi,m1α1+ai,m2αxiα1](α1)+˜Ai,m2(α1)2=M+m1k=0(Ai,mk1α1+αAi,mkα1+ai,mk1αxiα1)(α1)k+˜Ai,M(α1)M+m=M+m1k=0(Ai,mk1α1+ai,mk1αxiα1)(α1)kM+mk=0αAi,mk(α1)k+1αAi,m(M+m)α1(α1)M+m+˜Ai,M(α1)M+m. 从而,把式子(2.4)代入上述方程,有
˜Aim=M+m1k=0(Ai,mk1+ai,mk1αxi)(α1)k+1M+mk=0αAi,mk(α1)k+1,M+1m1,1in. (2.7)
对于1mM, 1in,通过类似的计算,有
˜Ai,m1=Mm+1k=0(Ai,m+k1+ai,m+k1αxi)(α)k+Mmk=0αAi,m+k(α)k,1mM,1in. (2.8)
这样,利用式子(2.7)和(2.8),约束条件(2.3)在1in下有
αpi=ai,1αxi+Ai,1+αAi,0˜Ai,1˜Ai,0α=ai,1αxi+Ai,1+αAi,0+[M2k=0Ai,k2(α1)k+1+M2k=0ai,k2×αxi(α1)k+1+M1k=0αAi,k1(α1)k+1]+[Mk=0Aik(α)k+1+Mk=0aikαxi(α)k+1+Mk=1αAik(α)k]=Mk=0Aik(α)k+1+Mk=0aikαxi(α)k+1+Mk=1αAik(α)k+1k=MAik(α1)k1+1k=Maikαxi(α1)k1+0k=MαAik(α1)k=Mk=MAik(α)k+1+Mk=Maikαxi(α)k+1+Mk=MαAik(α)k. (2.9)
这是最终的约束条件的表达式,其用于限制矩阵α按照式子(2.2) 构造新的特征函数矩阵. 下面的定理提供了这样的一种矩阵.

定理2.1hs,1sN是相应于谱参数λ1,λ2,,λNN维列特征向量,也就是说,N维列特征向量 hs,1sN满足

hspi=ai(λs)hsxiAi(λs)hs,1sN,1in. (2.10)
假设矩阵 H=[h1,h2,,hN]的行列式是非零的,则由
α=HΛH1,Λ=diag(λ1,λ2,,λN), (2.11)
定义的矩阵满足约束条件(2.9). 因此,我们有达布变换 ˜Ψ=(λI+α)Ψ 和由式子(2.4), (2.5),(2.7)和 (2.8)给出的精确解˜Ail,1in,MlM.

由逆矩阵的导数公式 H1yi=H1HyiH1,yi=pixi,1in, 对于任何1in,有 αpi=HpiΛH1+HΛH1HpiH1, αxi=HxiΛH1+HΛH1HxiH1. 另一方面,从式子(2.10)有 Hpi=Mk=MaikHxiΛk+1[Ai(λ1)h1,Ai(λ2)h2,,Ai(λN)hN]=Mk=MaikHxiΛk+1Ml=MAilHΛl,1in. 这样,我们可以计算得到 αpi=HpiΛH1+HΛH1HpiH1=Mk=MaikHxiΛk+2H1+Ml=MAilHΛl+1H1+Mk=MaikHΛH1HxiΛk+1H1HΛH1Ml=MAilHΛlH1=Mk=MaikHxiH1(α)k+2+Ml=MAil(α)l+1+Mk=MaikHΛH1HxiH1(α)k+1+αMl=MAil(α)l=Mk=Maik(HxiΛH1+HΛH1HxiH1)(α)k+1+Ml=MAil(α)l+1+αMl=MAil(α)l=Mk=Maikαxi(α)k+1+Ml=MAil(α)l+1+αMl=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.

3 总结和讨论

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(M2k=M1aikλk+1)xi]Ψ=(M2l=M1Ailλl)Ψ,1in, 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

k+l=mMk,lM[Aik,Ajl]+k+l=mMk,lM(ajkAilxjaikAjlxi)=0,2M+1mM1M+1m2M,1i,jn, (3.1)
k+l=mMk,lM[Aik,Ajl]Aimpj+Ajmpi+k+l=mMk,lM(ajkAilxjaikAjlxi)=0,MmM,1i,jn, (3.2)
的达布变换构造问题. 这里我们给出相应的达布变换如下.

方程(3.1)--(3.2)可由谱问题 [pi(Mk=Maikλk)xi]Ψ=(Ml=MAilλl)Ψ,1in 的相容性条件得到. 达布变换有形式 ˜Ψ=(λI+α)Ψ,I=diag(1,1,,1N), 这里 ˜Ai,M=Ai,M,1in, ˜Ai,M=αAi,Mα1+ai,Mαxiα1,1in, ˜Aim=M+m1k=0Ai,mk1(α1)k+1M+mk=0(ai,mkαxi+αAi,mk)(α1)k+1,M+1m1,1in. ˜Ai,m1=Mm+1k=0Ai,m+k1(α)k+Mmk=0(ai,m+kαxi+αAi,m+k)(α)k,1mM,1in. 矩阵α的约束条件为 αpi=ai0αxi+Ai,1+αAi0˜Ai,1˜Ai0α=Mk=MAik(α)k+1+Mk=Maikαxi(α)k+Mk=MαAik(α)k, 并且对于α=HΛH1,定理2.1同样有效.

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沈守枫, 于水猛, 李春霞, 金永阳