孤子方程是一种描述自然界中发生的非线性现象重要模型,在物理学的各个领域都有广泛应用,比如: 等离子物理、磁流体等. 研究孤子方程的精确解不仅有利于了解方程的本质属性和代数结构,而且有助于对它们所反映的现实自然现象进行分析和研究. 目前在孤子理论中已经有一批行之有效求精确解的方法,如反散射方法[1, 2]、代数几何方法[3, 4, 5]、Hirota双线性方法[6, 7, 8]、Lax对非线性化方法[9, 10, 11, 12, 13],以及其它一些方法[14, 15, 16, 17].其中Lax对非线性化方法是研究$(1+1)$ -维和$(2+1)$ -维孤子方程的有效工具,它将$(1+1)$-维孤子方程分离成相容的常微分方程,可以证明是Liouville意义下的有限维完全可积系. $(2+1)$-维孤子方程可以采用相似的方法分离成$(1+1)$ -维孤子方程,然后再分离成相容的常微分方程.
本文我们将构造$(2+1)$ -维广义Broer-Kaup-Kupershmidt孤子方程的拟周期解. 主要内容安排如下: 在第二节,$(2+1)$-维广义Broer-Kaup-Kupershmidt孤子方程分离成两个相容的$(1+1)$ -维孤子方程; 在第三节,在特征函数与位势之间的Bargmann约束下,谱问题被非线性化,并证明了原谱问题对应的Hamilton守恒积分的对合性; 在第四节,借助于椭圆坐标和拟Abel-Jacobi坐标,证明了此有限维Hamilton系统的完全可积性; 在第五节,通过Abel-Jacobi坐标反演,利用Riemann $\theta$函数得到了孤子方程的拟周期解.
考虑新谱问题如下
设$V=\sigma_{\lambda}\ (G),G\in {\Bbb C}^{3}$,直接计算给出
命题2.1 令 $V=\sigma_{\lambda}\ (G)$,则$V_x-[U,V]=0$ 的充分必要条件是 $Kg_m=Jg_{m+1},Jg_{-1}=0,$ $ m=-1,0,1,\cdots .$
Lenard序列$g_m$和广义Broer-Kaup-Kupershmidt向量场$X_m$的递归关系定义如下
令
设 $t_1=y,t_2=t$,则有
设 $\alpha_{j},1\leq j\leq N$是谱问题(2.1)的$N$个互异特征值,$\phi=(p_{j},q_{j})^{T}$是相应的特征函数,考虑谱问题的分量形式
构造Lenard特征值问题的解如下
视母函数$F_{\lambda}$为辛空间 $({\Bbb R}^{2N}$,d$p\wedge {\rm d}q)$ 的一个Hamilton函数,由光滑函数 $F$和$G$的Poisson括号定义[19]
命题3.1 沿 $t_{\lambda}$ -流,Lax矩阵$V_{\mu}$满足Lax方程
因为$F_\lambda,V_{\lambda}^{12}$,$V_{\lambda}^{21}$都是$\lambda$的有理函数,且$V_{\lambda}^{12},V_{\lambda}^{21}$在$\alpha_{j}$处有单一极点,故可设
命题4.1 椭圆坐标沿 $t_{\lambda}$ -流满足演化方程
证 令 $\lambda=\mu_j,\nu_j$ 分别代入(4.1)式中,得
利用多项式的插值公式,可得
命题4.2 由(3.9)式给出的 $F_{0},F_{1},\cdots ,F_{N-1}$ 是函数独立的.
证
定理4.1 有限维Hamilton系统(3.4)在Liouville意义下是完全可积的.
对于本文中所对应的超椭圆函数曲线 $\Gamma:\zeta^{2}-4R(\lambda)=0$,其亏格为$N$. 取椭圆曲线$\Gamma$上正则闭链 $a_{1},a_{2},\cdots ,a_{N}$; $b_{1},b_{2},\cdots ,b_{N}$,使其满足
则$\tilde{\omega}$经线性规范变换为
令 $S_k=\lambda^{k}_1+\cdots+\lambda^{k}_{2N+2}$,那么 $\frac{1}{\sqrt{R_{*}(z)}}=\sum\limits_{k=0}^{N}R_kz^{k}$ 系数满足递推公式
设 $C_1,\cdots,C_N$ 是矩阵$C$的列向量,通过直接的计算可得
命题5.1 利用Abel-Jacobi坐标,$H_k$ -流得以直化
证 从(4.8)式可得
经过直化的方程(5.9)很容易被积出 $\phi=\phi_0+\sum\Omega_kt_k$. 从"Abel-Jacobi窗口"中观察,$H_k$ -流和$X_k$ -流二者的解都是线性函数
根据Riemann定理知,存在常向量 $M_{1},M_{2}\in{\Bbb C}^{N}$,使得 $\theta({\cal A}(P(\lambda))-\phi-M_{1})$ 有$N$个零点,分别为 $\lambda=\mu_{1},\cdots ,\mu_{N}$; $\theta({\cal A}(P(\lambda))-\psi-M_{2})$ 也有$N$个零点,分别为 $\lambda=\nu_{1},\cdots ,\nu_{N}$. 对于同一个$\lambda$,在$\Gamma$的不同页上有两个点$(\lambda,\sqrt{R}(\lambda))$和$(\lambda,-\sqrt{R}(\lambda))$. 因此,在$\infty_{s}(s=1,2)$处的局部坐标下,可得
命题5.2 广义Broer-Kaup-Kupershmidt方程(2.10)的拟周期解为
命题5.3 广义Broer-Kaup-Kupershmidt方程(2.11)的拟周期解为
命题5.4 $(2+1)$ -维广义Broer-Kaup-Kupershmidt方程(2.12)的拟周期解为
在本文中,一个$(2+1)$ -维广义Broer-Kaup-Kupershmidt 孤子方程被分解为相容的常微分方程,借助于Riemann $\theta$函数给出了$(2+1)$ -维广义Broer-Kaup-Kupershmidt孤子方程的拟周期解. 在求解过程中,利用生成函数证明了对合性和函数独立性,通过引入Abel-Jacobi坐标把流进行了拉直.