考虑扰动Hamilton系统
其中0<$|\varepsilon |\ll 1$,H(x,y)是关于x和y的m+1次实多项式, f(x,y)和g(x,y)是关于x和y的次数不超过n的实多项式. 假设系统(1.1)的未扰动系统(1.1)$_{\varepsilon =0}$有连续闭轨线族$\{{{\Gamma }_{h}}\},\Sigma $为h的最大存在开区间,即
定义积分
称该积分为Abelian积分. 寻找Abelian积分I(h)的零点个数的上界Z(m,n)称为弱Hilbert 16问题[1]. 关于弱Hilbert 16问题,Khovansky和Varchenko独立的证明了Z(m,n)的存在性,但是没有给出具体的表达式[2-3]. 对于特殊形式的Hamiltonian H(x,y)=U(x)+V(y),其中U(x)和V(y)分 别是关于x和y的多项式,相关的研究很多. 例如,Petrov估计了Hamiltonian$H(x,y)={{y}^{2}}-x+{{x}^{3}},H(x,y)={{y}^{2}}+{{x}^{2}}-{{x}^{4}}$和H(x,y)=y2-2x2+x4相应Abelian积分 零点的个数[4-6]. 当H$(x,y)=\frac{1}{2}{{y}^{2}}+U(x)$时,其中$\deg U(x)=4$且使得(1.1)0至少有一个中心,赵育林和张芷芬证明了$Z(m,n)\le 7n+5$[7]. 对于4次Hamiltonian H(x,y)=-x2+x4+y4和$H(x,y)={{x}^{2}}+{{y}^{2}}+a{{x}^{4}}+{{y}^{4}}$,周鑫和李翠萍得到了相应Abelian积分零点个数的上界[8-9]. 对于Hamiltonian $H(x,y)=\frac{1}{2}{{y}^{2}}+\frac{a}{2}{{x}^{2}}+\frac{b}{4}{{x}^{4}}+\frac{c}{6}{{x}^{6}}$,齐明辉,赵丽琴和刘长剑证明了$Z(m,n)\le 54n-13$[10].
但是当Hamiltonian H(x,y)中含有${{x}^{i}}{{y}^{j}}$时,其中i和j是正整数,目前研究结果很少.当m=2且未扰动系统含有周期环域时,相应Hamiltonian H(x,y)的规范型可化为
Horozov和Iliev应用Picard-Fuchs方程法证明了Z$(m,n)\le 5n+15$[11]. 对原点是初等中心的Hamiltonian
吴娟娟,张永康和李翠萍证明了$Z(m,n)\le 2[\frac{n-1}{4}]+12[\frac{n-3}{4}]+23$[12]. 对Hamiltonian
其中$a\ge 0,a\ne -2$,杨纪华,赵丽琴得到了相应Abelian积分零点个数的上界[13].
受文献[7, 12]的启发,本文研究如下Hamiltonian
其中a>0,b<-2,c<0,a^2>4bc. 与之相对应的向量场为
易知,系统(1.3)有一个幂零中心O(0,0)和四个鞍点${{S}_{1}}(\sqrt{\frac{2c}{4bc-{{a}^{2}}}},\sqrt{\frac{a}{{{a}^{2}}-4bc}})$,${{S}_{2}}(\sqrt{\frac{2c}{4bc-{{a}^{2}}}},-\sqrt{\frac{a}{{{a}^{2}}-4bc}})$,${{S}_{3}}(-\sqrt{\frac{2c}{4bc-{{a}^{2}}}},\sqrt{\frac{a}{{{a}^{2}}-4bc}})$和${{S}_{4}}(-\sqrt{\frac{2c}{4bc-{{a}^{2}}}},-\sqrt{\frac{a}{{{a}^{2}}-4bc}})$. H(x,y)=0对应于幂零中心O,$H(x,y)=\frac{c}{{{a}^{2}}-4bc}$ 对应于过四个鞍点Si(i=1,2,3,4)的多角环. 系统(1.3)只有一个围绕幂零中心O的有界周期环域,记为${{\Gamma }_{h}}$,其中
记Z(n)为Abelian积分I(h)在$\Sigma $上零点个数(计重数),其中$n=\max\{\deg f(x,y),\deg g(x,y)\},\Sigma=(\frac{c}{a^2-4bc},0).$ 本文的主要结果为下列定理1.1.
定理1.1 对Hamiltonian (1.2),
其中[p]表示p的整数部分. 而且Z(1)=Z(2)=0,Z(3)=Z(4)$\leq$12.
对$h\in\Sigma$,记$I_{i,j}(h)=\oint_{\Gamma_h}x^iy^j{d}x$, 其中i和j是自然数. 因为$\Gamma_h$关于坐标轴对称,因此$I_{i,2j}(h)\equiv0, I_{2i+1,2j+1}(h)\equiv0$. 所以我们只需考虑$I_{2i,2j+1}(h)$即可.
引理 2.1 假设 $h\in\Sigma,i+j\geq2$,则
其中$\bar{\alpha}(h),\bar{\beta}(h),\bar{\gamma}(h)$和$\bar{\delta}(h)$是关于h的多项式,$ \deg \bar{\alpha}(h)\leq[\frac{n-1}{4}],\deg \bar{\beta}(h),\deg \bar{\gamma}(h)\leq[\frac{n-3}{4}]$和$\deg \bar{\delta}(h)\leq[\frac{n-1}{4}]-1$.
证 由Green公式可得
其中$c_{2i,2j+1}$是常数.
对(1.2)式两端同时关于x求导可得
(2.2)式两端同乘以$x^{2i-3}y^{2j+1}{d}x$,并沿着$\Gamma_h$积分可得
同样,(1.2)式两端同乘以$x^{2i}y^{2j-3}{d}x$,并沿着$\Gamma_h$积分可得
由(2.3)和(2.4)式可得
下面用数学归纳法证明(2.1)式成立. 当 n=5,7时,由(2.5)和(2.6)式可得
所以当n=5,7时,(2.1)式成立. 假设当$2i+2j+1\le 2k-1\ (k\ge 3)$时,(2.1)式成立. 则当$2i+2j+1=2k+1\ (k\ge 2)$时,在(2.5)和(2.6)式分别取 $(i,j)=(0,k),(1,k-1),(2,k-2),\cdots ,(k-2,2)$和(i,j)=(k-1,1),(k,0)可得
其中
是(k+1)×(k+1)阶矩阵. 直接计算得$\det A=1-\frac{a^2}{4bc}\neq0$. 因此
其中${{\bar{\alpha }}_{2k-s}},{{\bar{\beta }}_{2k-s}},{{\bar{\gamma }}_{2k-s}}$和$\bar{\delta}_{2k-s}\ (s=1,3)$是h的多项式,并满足$\deg \bar{\alpha}_{2k-s}\leq[\frac{2k-1-s}{4}],\deg \bar{\beta}_{2k-s},\deg \bar{\gamma}_{2k-s}\leq[\frac{2k-3-s}{4}] $和$\deg \bar{\delta}_{2k-s}\leq[\frac{2k-1-s}{4}]-1$. 容易得到
同理,可得
引理2.1证毕.
由引理2.1,我们可得Abelian积分I(h)的代数结构如下.
引理 2.2 当$h\in\Sigma$时,Abelian 积分I(h)可表示为
其中$\alpha(h),\beta(h),\gamma(h)$和$\delta(h)$是h的多项式, 并且$\deg \alpha(h)\leq[\frac{n-1}{4}],\deg \beta(h),\deg \gamma(h)\leq[\frac{n-3}{4}]$和$\deg \delta(h)\leq[\frac{n-1}{4}]-1$.
引理 3.1 记$V=(I_{0,1},I_{0,3},I_{2,1},I_{2,3})^T$,则V满足如下的Picard-Fuchs方程
证 由(1.2)式可得
所以
因此,
(3.2)式两端同乘以 h可得
另一方面,
由(3.3)--(3.5)式得
由(3.6)式可得
注意到(2.5)和(2.6)式,即可得引理3.1的结论成立.
取
我们可得如下引理.
引理 3.2 $I_{0,1},I_{0,3},I_{2,1}$和Z满足
证 对(3.1)式两端关于h求导得
其中I是4×4阶单位矩阵. 把(3.7)式代入(3.9)式即可得(3.8)式成立.
易知当$h\in\Sigma$时,$I'_{0,1}(h)\neq0$. 所以可得如下引理.
引理 3.3当$h\in\Sigma$时,令$\omega(h)=\frac{Z'}{I'_{0,1}}$,则$omega(h)$满足如下的Riccati方程
证 由(3.8)式中的第一个和第四个方程即可得(3.10)式成立.
由(2.8),(3.1)和(3.7)式可得
其中$\alpha_s(h),\beta_s(h),\gamma_s(h)$和$\delta_s(h)$是关于h的多项式, 且满足$\deg \alpha_s(h)\leq [\frac{n-1}{4}]-s+2,\deg \beta_s(h), \deg \gamma_s(h)\leq [\frac{n-3}{4}]-s+2,\deg \delta_s(h)\leq [\frac{n-1}{4}]-s+1 \ (s=1,2)$. 从(4.1)式中消去$I'_{2,1}$可得
其中${{F}_{1}}(h)={{\alpha }_{3}}(h){{{{I}'}}_{0,1}}+{{\beta }_{3}}(h){{{{I}'}}_{0,3}}+{{\delta }_{3}}(h){Z}'$,且$\deg {{\alpha }_{3}}(h)\le [\frac{n-1}{4}]+[\frac{n-3}{4}]+1,\deg {{\beta }_{3}}(h)\le 2[\frac{n-3}{4}]+1,\deg {{\delta }_{3}}(h)\le [\frac{n-1}{4}]+[\frac{n-3}{4}]$.
引理 4.1[14] $\#I(h)\le \#{{\gamma }_{1}}(h)+\#{{F}_{1}}(h)+1$.
引理 4.2 设S是${{\beta }_{3}}(h)$和G(h)在$\Sigma $上的零点组成的集合,则在$\Sigma \backslash S$上,
其中${{F}_{2}}(h)={{\alpha }_{4}}(h){{{{I}'}}_{0,1}}+{{\delta }_{4}}(h){Z}',\deg {{\alpha }_{4}}(h)\le [\frac{n-1}{4}]+3[\frac{n-3}{4}]+5,\deg {{\delta }_{4}}(h)\le [\frac{n-1}{4}]+3[\frac{n-3}{4}]+4$.
证 由(3.8)式和F1(h)的定义知,在$\Sigma \backslash S$上
所以$\deg {{\alpha }_{4}}(h)\le [\frac{n-1}{4}]+3[\frac{n-3}{4}]+5,\deg {{\delta }_{4}}(h)\le [\frac{n-1}{4}]+3[\frac{n-3}{4}]+4$.
因为G(h)在$\Sigma$上最多有两个零点. 不失一般性,下面假设G(h)在\Sigma上恰好有两个零点.
引理 4.3[7] $\#{{F}_{1}}(h)\le \#{{\beta }_{3}}(h)+\#{{F}_{2}}(h)+2$.
引理 4.4 当$h\in\Sigma$时,令$\bar{\omega }(h)=\frac{{{F}_{2}}(h)}{{{{{I}'}}_{0,1}}(h)}$, 则$\bar{\omega}(h)$满足
其中$\deg {{R}_{0}}(h)\le 2[\frac{n-1}{4}]+6[\frac{n-3}{4}]+12$,
证 因为$\bar{\omega }(h)={{\alpha }_{4}}(h)+{{\delta }_{4}}(h)\omega (h),{\bar{\omega }}'(h)={{{{\alpha }'}}_{4}}(h)+{{{{\delta }'}}_{4}}(h)\omega (h)+{{\delta }_{4}}(h){\omega }'(h)$. 注意到(3.10)式,即可得结论成立.
引理 4.5[7] $\#\bar{\omega }(h)\le \#{{R}_{0}}(h)+\#{{\delta }_{4}}(h)+1$ .
定理1.1的证明 如果$n\geq5$,由引理4.1,4.3和4.5可得
当n=1时,$\text{I(h)=}{{\text{c}}_{0}}{{\text{I}}_{0,1}}\text{(h)}$,其中c0是非零常数. 因为${{I}_{0,1}}\ne 0$,所以Z(1)=Z(2)=0.
当n=3时,$\text{I(h)=}{{\text{c}}_{1}}{{\text{I}}_{0,1}}\text{+}{{\text{c}}_{2}}{{\text{I}}_{0,3}}\text{+}{{\text{c}}_{3}}{{\text{I}}_{2,1}}\text{,}$其中c1,c2和c3是常数. 由(3.8)式可知
其中${{c}_{4}}(h)={{c}_{1}}{{a}_{11}}(h)+{{c}_{2}}{{a}_{21}}(h)+{{c}_{3}}{{a}_{31}}(h),{{c}_{5}}(h)={{c}_{1}}{{a}_{12}}(h)+{{c}_{2}}{{a}_{22}}(h)+{{c}_{3}}{{a}_{32}}(h),\deg {{c}_{4}}(h)\le 3$和$\deg {{c}_{5}}(h)\le 2$.
与引理4.4的证明相似,可得
其中$\nu (h)=\frac{W(h)}{{{{{I}'}}_{0,1}}},{{c}_{7}}(h)=G(h)({{{{c}'}}_{4}}{{c}_{5}}-{{c}_{4}}{{{{c}'}}_{5}})-{{a}_{12}}c_{4}^{2}-{{c}_{4}}{{c}_{5}}({{a}_{41}}-{{a}_{11}})+{{a}_{41}}c_{5}^{2}$,且$\deg {{c}_{7}}(h)\le 8$.
由引理4.5可得
又I(0)=0,所以$\#I(h)\leq12$. 因此,$Z(3)=Z(4)\leq12$.