从矩阵谱问题或Lax对出发, 零曲率公式提供了一个构造孤子梯队的有效方法.成功的例子包括Ablowitz-Kaup-Newell-Segur (AKNS)梯队, Kaup-Newell (KN)梯队, Wadati-Konno-Ichikawa (WKI)梯队, Korteweg-de Vries (KdV)梯队, Dirac梯队和Boiti-Pempinelli-Tu (BPT)梯队等[1-38].基于矩阵谱问题, 孤子梯队通常具有双哈密顿结构从而是Liouville可积的.特别是当矩阵圈代数是半单的时候, 相应的双哈密顿结构能够利用迹恒等式得到, 参见文献[9, 11, 18-20, 22, 27-29].
经典的AKNS关于空间变量的谱问题是
这里 $e_1=\left(\begin{array}{ccc}-1~~&0\\ 0~~&1\end{array}\right), \ e_2=\left(\begin{array}{ccc}0~~&1\\ 0~~&0\end{array}\right), \ e_3=\left(\begin{array}{ccc}0~~&0\\ 1~~&0\end{array}\right) $ 是李代数sl $(2, {\Bbb R})$ 的基.文献[6, 13]的作者引入非线性项 $\alpha pq$ , 提出了如下的两分量扰动AKNS关于空间变量的谱问题
并构造了双哈密顿结构.我们将把上述谱问题(1.2)推广到多分量的情形, 即构造了相应的多分量孤子梯队和双哈密顿结构.第二节中, 我们考虑如下的基于李代数sl $(m+1, {\Bbb R})$ 的多分量扰动AKNS关于空间变量的谱问题
这里 $q=(q_1, q_2, \cdots, q_m)$ , $p=(p_1, p_2, \cdots, p_m)^{T}$ , $\lambda$ 是谱参数, $I_m$ 是 $m\times m$ 单位矩阵.当 $\alpha=0$ 时, 相应的谱问题已经在文献[12, 15, 20, 28, 34]中得到解决.特别地, $m=2$ 的情形约化为四分量的AKNS谱问题[16].进而当 $m=1$ 时该谱问题约化为经典的AKNS情形.第三节将给出一些总结.
首先我们求解稳态零曲率方程
我们设 $W$ 为
这里 $a$ 是标量, $b^T$ 和 $c$ 是 $m$ -维列向量, $d$ 是 $m\times m$ 矩阵.从而零曲率方程(2.1等价于
所以我们可以得到
接下来我们构造 $W$ 的形式解
这里 $b^{(k)}, c^{(k)}$ 和 $d^{(k)}$ 设为
在上述假设下, 我们有如下递推关系式
从而对于 $b^{(k)}$ 和 $c^{(k)}$ 有
这里算子 $L$ 可写为
设初值为
并且令
则我们可以一致地确定序列 $\{a^{(k)}, b^{(k)}, c^{(k)}, d^{(k)}|\, \, k\ge 1\}$ 的表达式.例如前三组为
显然, (2.6), (2.9)和(2.10)式保证了 $W_k\in \textrm{sl}(m+1, {\Bbb R}), \quad k\ge 0$ .
更进一步, 我们记关于时间变量的矩阵谱问题为
这里 $P_+$ 定义为 $\lambda$ 的多项式部分. (1.3)和(2.11)式的相容性条件, 即零曲率方程
给出了
取 $e_n=-mf_n$ 和 $h_n=f_nI_m$ , 我们有
从而解第一个方程可以得到 $f_n=\alpha (m+1)a^{(n+1)}$ , 即有
这样我们就得到了如下的多分量扰动AKNS孤子梯队
(2.16)式写成算子方程的形式有
这里算子 $R$ 定义为
在该孤子梯队(2.17)中, 第一个非平凡的非线性系统为
当 $m=2, ~ \alpha=0$ 时, 上述系统退化为著名的非线性Burgers系统.类似地, mKdV系统可以从(2.16)式的第二个非线性系统中得到.
最后, 我们利用如下的迹恒等式[9, 11, 27, 29]
来构造孤子梯队(2.17)的双哈密顿结构.
直接计算有
把(2.19)式代入上述迹恒等式, 平衡 $\lambda$ 的次数, 我们有
为了确定常数 $\gamma$ 的值, 我们在上式中令 $k=1$ 即可得到 $\gamma=0$ .从而我们有
这里的哈密顿泛函 ${\cal H}_k$ 定义为
为了给出哈密顿结构和哈密顿算子, 我们记
则有
这里算子 $N^{-1}$ 是
从而我们有
这样我们已经可以得到孤子梯队(2.17)如下的哈密顿结构
这里的哈密顿算子 $J$ 定义为
从关系式 $G^{(n+1)}=\Psi G^{(n)}$ , $\Psi=N^{-1}LN$ , $K_{n+1}=\Phi K_n, \, \, n\ge 0$ 和 $J\Psi=\Phi J$ , 我们可以得到孤子梯队(2.17)的遗传递推算子
这里算子 $\Psi^\dagger$ 定义为 $\Psi$ 的共轭算子.从而 $\Phi=(\Phi_{ij})_{2\times 2}$ 的显式表达式可以算出
所以我们得到了梯队(2.17)的双哈密顿结构
这里第二个哈密顿算子 $M=(M_{ij})_{2\times 2}$ 由式子 $M=\Phi J$ 给出, 其显式表达式为
双哈密顿结构意味着该多分量扰动AKNS孤子梯队(2.17)是Liouville可积的[36].另外守恒泛函 $\{{\cal H}_k\}_{k=0}^{\infty}$ 和对称 $\{K_k\}_{k=0}^{\infty}$ 有关系式
和
通过引入一个非线性项 $r=qp=\sum\limits_{i=1}^mq_ip_i$ , 我们基于李代数sl $(m+1, {\Bbb R})$ 提出了一个新的矩阵谱问题.利用零曲率公式, 我们构造了相应的多分量扰动AKNS孤子梯队.最后, 我们利用迹恒等式建立了双哈密顿结构.在附录中我们列出了一些新的恒等式.
从如下的关于空间变量的矩阵谱问题
和 $W=\left(\begin{array}{ccc}0&~~-c~~&-a\\ c^T&d&-b\\ a&b^T&0\end{array}\right)$ 出发, 我们也可以构造基于李代数so $(m+2, {\Bbb R})$ 的多分量扰动AKNS孤子梯队.方便起见, 我们省略了类似的计算过程.
设 $b^{(k)}$ 和 $q=(q_1, \cdots, q_m)$ 是 $m$ -维行向量, $c^{(k)}$ 和 $p=(p_1, \cdots, p_m)^T$ 是 $m$ -维列向量, 容易证明下列恒等式成立.