考虑如下近Hamilton系统
其中$0<\varepsilon \ll1$, $H(x,y)$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$n$次多项式.假设未扰动系统(1.1)$_{\varepsilon =0}$有一族由$H(x,y)=h\ (h\in \Sigma)$定义的闭轨线, 其中$\Sigma$是$\Gamma_h$存在的最大开区间.寻找Abelian积分
的孤立零点个数的最小上界$Z(m,n)$称为弱Hilbert 16问题或Hilbert-Arnold问题[1].
当$m$是有限数且$n$任意正整数时, 相关的研究很多[4-8].例如, 当$m=2$时, 如果未扰动系统存在周期环域, 则相应的Hamilton函数的规范型为
其中$b^2=-4a(2a+1),$ $-\frac{1}{2}<a<0$, Horozov和Iliev[2]证明了$Z(2,n)\leq5n+15$.当$m=3$且
其中$\deg U(x)=4$且使得(1.1)$_{\varepsilon =0}$存在周期环域, 赵育林和张芷芬[3]证明$H(x,y)$的规范型为下列四种之一
并且得到$Z(3,n)\leq 7n+5$.另外, Petrov[4, 5]研究了Hamilton函数$H(x,y)=y^2-x+x^3$和$H(x,y)=y^2+x^2-x^4$.周鑫和李翠萍[6, 7]研究了Hamilton函数$H(x,y)=-x^2+x^4+y^4$和$H(x,y)=x^2+y^2+ax^4+y^4$.对于Hamilton函数$H(x,y)=x^2+y^2-x^4+ax^2y^2+y^4\ (a>-2)$, 吴娟娟等[8]证明了
对于Hamilton函数$H(x,y)=\frac{1}{2}y^2+\frac{a}{2}x^2+\frac{b}{4}x^4+\frac{c}{6}x^6$, 赵丽琴等[9]证明了$Z(5,n)\leq54n-13. $本文研究如下Hamilton函数
其中$a>0$.与系统(1.2)相对应的Hamilton系统为
系统(1.3)有一个奇点$O(0,0)$, 卵形线$H(x,y)=0$对应中心$O$.如图 1所示.
系统(1.3)有一个无界周期环域$\Gamma_h$, 其中
本文的主要结果如下.
定理1.1 对于Hamilton函数
系统(1.1)最多有$3[\frac{n-1}{4}]+12[\frac{n-3}{4}]+23$(计重数)个极限环, 其中$[p]$表示$p$的整数部分.
本小节, 我们将把$I(h)$表示为四个基本积分的线性组合.记
显然当$h\in(0,+\infty)$时, $\Gamma_h$关于原点对称, 所以
我们只需考虑$I_{2i,2j+1}(h)$即可.
引理2.1 如果$h\in(0,+\infty)$且$i+j\geq2$, 则
其中$a(h)$, $b(h)$, $c(h)$和$d(h)$是关于$h$的多项式,
证 (1.2)式两端同时关于$x$求导, 可得
(2.2)式两端同时乘以$x^{2i-3}y^{2j+1}{\rm d}x$并分部积分可得
类似的, (1.2)式两端同乘以$x^{2i}y^{2j-3}{\rm d}x$并在$\Gamma_h$上积分可得
再由(2.3)和(2.4)式可得
下面用数学归纳法进行证明.当$n=5, 7$时, 从(2.5)和(2.6)式可得
即当$n=5,\ 7$时, 结论成立.假设当$2i+2j+1\leq 2k-1\ (k\geq3)$时, 结论成立.当$2i+2j+1=2k+1\ (k\geq2)$时, 在(2.5)式中取$(i,j)=(0,k)$, $(1,k-1)$, $(2,k-2)$, 在(2.6)式中取$(i,j)=(3,k-3)$, $(4,k-4)\cdots,(k,0)$可得
所以
其中$a_{2k-s}$, $b_{2k-s}$, $c_{2k-s}$和$d_{2k-s}\ (s=1,3)$是关于$h$的多项式, 且$\deg a_{2k-s}\leq[\frac{2k-1-s}{4}]$, $\deg b_{2k-s}$, $\deg c_{2k-s}\leq[\frac{2k-3-s}{4}]$和$\deg d_{2k-s}\leq[\frac{2k-5-s}{4}]$.容易验证
同理可得
证毕.
由引理2.1, 可得Abelian积分$I(h)$的代数结构如下.
引理2.2 对于$h\in(0,+\infty)$, Abelian积分$I(h)$可表示为
其中$\alpha(h)$, $\beta(h)$, $\gamma(h)$和$\delta (h)$是关于$h$的多项式, 且
本小节将得到Abelian积分$I(h)$的四个生成元$I_{0,1}$, $I_{0,3}$, $I_{2,1}$和$I_{2,3}$满足的Picard-Fuchs方程.
引理3.1 向量函数$V=(I_{0,1},I_{0,3},I_{2,1},I_{2,3})^T$满足Picard-Fuchs方程
其中
证 由(1.2)式可得
即
因此
(3.3)式两端同乘以$h$, 可得
另一方面
由(3.4)-(3.6)式可得
再由(3.7)式可得
注意到(2.5)和(2.6)式, 即可得结论成立.证毕.
取
我们可以得到下面的引理3.2.
引理3.2 函数$I_{0,1}$, $I_{0,3}$, $I_{2,1}$和$Z$满足
证 对(3.1)式两端同时关于$h$求导可得
其中$I$是$4\times4$单位矩阵.把(3.7)式代入(3.9)式即可得(3.8)式.证毕.
容易验证, 当$h\in(0,+\infty)$时, $I'_{0,1}\neq0$.所以可以得到如下引理.
引理3.3 当$h\in(0,+\infty)$时, 令
则$\omega(h)$满足如下的Riccati方程
证 由(3.8)式的第一个和第四个方程可得(3.10)式.证毕.
在下面的讨论中, 记$\#\varphi (h)$为函数$\varphi (h)$在$(0,+\infty)$上零点的个数(计重数). $B(n)$为Abelian积分$I(h)$在$(0,+\infty)$上零点个数(计重数), 其中$n=\max\{\deg f,\deg g\}$.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$\deg \alpha_s(h)\leq p-s+2$, $\deg \beta_s(h)$, $\deg \gamma_s(h)\leq q-s+2$, $\deg \delta _s(h)\leq p-s+1 \ (s=1,2)$.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$\deg \alpha_3(h)\leq p+q+1$, $\deg \beta_3(h)\leq 2q+1$, $\deg \delta _3(h)\leq p+q$.
引理4.1[10, 引理5.1] $\#I(h)\leq\#\gamma_1(h)+\#F_1(h)+1.$
引理4.2 设$S$是$\beta_3(h)$在$(0,+\infty)$上零点组成的集合, 则当$h\in(0,+\infty)\setminus S$时, 有
其中$F_2(h)=\alpha_4(h)I'_{0,1}+\delta _4(h)Z'$, 且$\deg \alpha_4(h)\leq p+3q+5$, $\deg \delta _4(h)\leq p+3q+4$.
证 由(3.8)式, 当$h\in(0,+\infty)\setminus S$时, 有
这意味着$\deg \alpha_4(h)\leq p+3q+5$, $\deg \delta _4(h)\leq p+3q+4$.证毕.
引理4.3 [11,中引理4.4] $\#F_1(h)\leq\#\beta_3(h)+\#F_2(h)+2.$
引理4.4 当$h\in(0,+\infty)$时, 令$\chi(h)=\frac{F_2(h)}{I'_{01}(h)}$, 则$\chi(h)$满足
其中$\deg R_0(h)\leq2p+6q+12$,
证 因为$\chi(h)=\alpha_4(h)+\delta _4(h)\omega(h)$, $\chi'(h)=\alpha'_4(h)+\delta '_4(h)\omega(h)+\delta _4(h)\omega'(h)$.注意到(3.10)式, 即可得结论成立.证毕.
引理4.5[3, 引理4.5] $\#\chi(h)\leq\#R_0(h)+\#\delta _4(h)+1.$
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, $I(h)=c_0I_{01}(h)$, 其中$c_0$是非零常数.又$I_{01}\neq0$, 所以$B(1)=0$.
当$n=3$时, 函数$I(h)$可表示为
其中$c_1$, $c_2$和$c_3$是常数.由(3.8)式可得
其中$c_4(h)=(c_1a_{11}(h)+c_2a_{21}(h)+c_3a_{31}(h))I'_{0,1}$, $c_5(h)=(c_1a_{12}(h)+c_2a_{22}(h)+c_3a_{32}(h))I'_{0,1}$, $\deg c_4(h)\leq3$和$\deg c_5(h)\leq2$.
类似于引理4.4的证明, 我们得到
其中$\nu(h)=\frac{W(h)}{I'_{0,1}}$, $c_7(h)=G(h)(c'_4c_5-c_4c'_5)-a_{12}c_4^2-c_4c_5(a_{41}-a_{11})+a_{41}c_5^2$, 且$\deg c_7(h)\leq8$.
因为$G(h)$在$(0,+\infty)$上是非零常数.由引理4.5可得
再由$I(0)=0$, 可得$\#I(h)\leq12$.因此, $B(3)\leq12$.再由Poincare-Pontryagin定理[12]可知定理1.1成立.