数学物理学报, 2021, 41(4): 936-953 doi:

论文

一类四次扰动Liénard系统的极限环分支

朱红英,1, 韦敏志,1, 杨素敏,2, 蒋曹清,1

Bifurcation of Limit Cycles from a Liénard System of Degree 4

Zhu Hongying,1, Wei Minzhi,1, Yang Sumin,2, Jiang Caoqing,1

通讯作者: 杨素敏, E-mail: smyang125@126.com

收稿日期: 2020-05-14  

基金资助: 国家自然科学基金.  11861009
国家自然科学基金.  11761011
广西自然科学基金.  2020JJB110007
广西高校科研项目.  2020KY16020

Received: 2020-05-14  

Fund supported: the NSFC.  11861009
the NSFC.  11761011
the NSF of Guangxi.  2020JJB110007
the Middle-Aged and Young Teachers' Basic Ability Promotion Project in Guangxi and Scientific Research Project.  2020KY16020

作者简介 About authors

朱红英,E-mail:zhy71118@163.com , E-mail:zhy71118@163.com

韦敏志,E-mail:454742516@qq.com , E-mail:454742516@qq.com

蒋曹清,E-mail:86072787@qq.com , E-mail:86072787@qq.com

Abstract

In this paper, we study the number of limit cycles by Poincaré bifurcation for some Liénard system of degree 4. We prove that the system can bifurcate at most 6 limit cycles from the periodic annulus, by the tools of regular chain theory in polynomial algebra and Chebyshev criteria, at least 3 limit cycles by asymptotic expansions of the related Abelian integral (first order Melnikov functions).

Keywords: Liénard system ; Chebyshev system ; Melnikov functions ; Weak Hilbert's 16th problem

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本文引用格式

朱红英, 韦敏志, 杨素敏, 蒋曹清. 一类四次扰动Liénard系统的极限环分支. 数学物理学报[J], 2021, 41(4): 936-953 doi:

Zhu Hongying, Wei Minzhi, Yang Sumin, Jiang Caoqing. Bifurcation of Limit Cycles from a Liénard System of Degree 4. Acta Mathematica Scientia[J], 2021, 41(4): 936-953 doi:

1 引言

德国数学家Hilbert在1900年世界数学家大会上提出了23个著名的数学问题[20], 其中, 第十六个问题的第二部分是: 平面实$ n $次多项式自治系统

的极限环最大个数及分布如何? 一百多年来, 出现了大量这方面的工作, 但是, 这个问题是非常难的, 即使对于$ n = 2 $的情形都还没有被完全解决, 仍然是一个公开问题, 这个问题研究进展和部分有效的研究方法可以参见综述性文献[4, 6, 23-24, 27, 32-33]. 基于Hilbert第十六问题的研究难度, Arnold[2]在1977年首次提出弱化形式的Hilbert第十六问题[1, 3], 研究如下系统的Abel积分零点个数, 即系统的Poincaré 分支意义下的极限环个数

$ \begin{equation} \dot{x} = {H}_y + \varepsilon p(x, y), \ \ \dot{y} = -{H}_x + \varepsilon q(x, y), \end{equation} $

其中$ p $, $ q $$ H $是关于$ x $$ y $的多项式, 次数满足:$ \max\{deg (p), deg (q)\} = n $$ deg (H) = n+1 $. $ |\varepsilon| $是充分小的正数. 当$ \varepsilon = 0 $时, 系统(1.1) 变为Hamiltonian系统

$ \begin{equation} \dot{x} = {H}_y, \ \ \dot{y} = -{H}_x. \end{equation} $

假设闭曲线簇$ \{L_h\} \subset\{(x, y)| H(x, y) = h, \ h\in J\} $是系统(1.2)的周期轨道, $ J $为开区间即对应周期环域的Hamiltonian函数值区间, 端点值为中心处和同异宿轨道的Hamiltonian量. 对应于系统(1.1)的Abel积分为

$ \begin{equation} I(h, \delta) = \oint_{L_h}q{\rm d}x-p{\rm d}y, \ \ h\in J. \end{equation} $

事实上, $ I(h, \delta) $是系统(1.2)后继函数或Poincaré映射的关于$ \varepsilon $渐近展开式的一阶近似, $ I(h, \delta) $的零点的最大个数提供了系统(1.2)的极限环分支的最大个数, 参见文献[2, 11, 15-16, 22].

然而, 弱化形式的Hilbert第十六问题依旧难度很大, 目前仅对$ n = 2 $的情况彻底解决, 见多位学者的系列工作[12, 21, 26, 42], 统一的证明见文献[4]. 学者们关注更加简单的形式的系统(1.2), 具有较强应用背景的多项式Liénard系统

$ \begin{equation} \dot{x} = y, \ \dot{y} = -g(x)+ \varepsilon f(x)y, \end{equation} $

其中$ deg(g(x)) = m $$ deg(f(x)) = n $, 上述系统称为类型$ (m, n) $的Liénard系统.

Dumortier和Li[7-10]系统的研究了不同情况的类型为$ (3, 2) $系统(1.4), 得到Abel积分零点个数并得到其上确界及分支图.

对类型$ (4, 3) $系统(1.4)

$ \begin{equation} \dot{x} = y, \ \dot{y} = -x(x-1)(x-\alpha)(x-\beta)+ \varepsilon f(x)y, \end{equation} $

其中$ \alpha $$ \beta $是实参数. 根据参数的不同取值, 系统$ (1.5)_{\varepsilon = 0} $具有6种不同情况的周期环域相图[41], 见图 1.

图 1

图 1   系统$ (1.5)_{\varepsilon = 0} $的相图


$ \alpha = \beta = 0 $时, 系统$ (1.5)_{\varepsilon = 0} $周期环域边界分别是初等中心和连接幂零鞍点的同宿轨, 见图 1(a). 王和肖[40]证明了此情况的Abel积分零点个数上界是4和下界是3.

$ \alpha = \beta<0 $或者$ \alpha = 0, \beta>0 , \beta\neq 1 $时, 系统$ (1.5)_{\varepsilon = 0} $周期环域内边界是初等中心外边界是连接双曲鞍点的同宿轨, 环域外部是幂零尖点, 如图 1(b). 孙和吴[36]研究了当$ \alpha = \beta = -3 $时的特殊情况, 得到其Abel积分零点个数上确界. 对于一般的$ \alpha = \beta<0 $未见相关结果.

$ \alpha = \beta = 1 $时, 系统$ (1.5)_{\varepsilon = 0} $周期环域内外边界分别是幂零中心和连接双曲鞍点的同宿轨, 如图 1(c). 孙, 苏和韩[35]以及王[39]分别研究了此情况的Abel积分零点个数, 得到其上界是5或6和下界是3. 孙和黄[34]证明了另一类此情况的Abel积分零点个数上界是6和下界是4.

$ 0<\alpha = \beta<1 $或者$ \alpha = 0, \beta<0 $时和$ \frac{2}{5}<\alpha<1, \beta = 1 $时, 系统$ (1.5)_{\varepsilon = 0} $周期环域边界分别是初等中心和连接幂零鞍点的同宿轨, 环域中间有一个幂零尖点同宿轨, 如图(e) 和(f). 关于上界问题未见相关发表结果.

本文考虑图 1中(d) 的情形, 研究如下类型为$ (4, 3) $的Liénard系统

$ \begin{equation} \dot{x} = y, \ \dot{y} = x(x+1)(x-\frac{7}{4})^2+\varepsilon (a_0+a_1x+a_2x^2+x^3)y, \end{equation} $

其中$ 0 <\varepsilon \ll 1 $, $ a_0 $, $ a_1 $$ a_2 $是有界实参数, 对应的Hamiltonian函数是

$ \begin{equation} H(x, y) = \frac{1}{2}y^2+\frac{49}{32}x^2-\frac{7}{48}x^3-\frac{5}{8}x^4+\frac{1}{5}x^5. \end{equation} $

$ L_h = H(x, y) = h, h\in(0, \frac{409}{480}) $为(1.7)式定义的闭轨线族, 见图 2, 即对应于系统$ (1.7)_{\varepsilon = 0} $的逆时针方向闭轨线族. $ {H}(x, y) = \frac{409}{480} $定义通过双曲鞍点$ (-1, 0) $的同宿环, 记为$ L_{\frac{409}{480}} $, 幂零尖点$ (\frac{7}{4}, 0) $在同宿环的外侧.

图 2

图 2   $ H(x, y) $的水平集


系统$ (1.6) $对应如下的Abel积分

$ \begin{equation} I(h, \delta) = \oint_{L_h}(a_0+a_1x+a_2x^2+x^3)y {\rm d}x\equiv a_0I_0(h)+a_1I_1(h)+a_2I_2(h)+I_3(h), \end{equation} $

其中$ \ h\in(0, \frac{409}{480}) $, $ \delta = (a_0, a_1, a_2) $, $ I_i(h) = \oint_{L_h}x^iy{\rm d}x $$ (i = 0, 1, 2, 3) $.

本文第二部分给出了相关的定义和引理; 第三部分证明了$ \{I_0, I_1, I_2, I_3\} $是精度为$ 3 $的Chebyshev系统, 得到Abel积分$ I(h, \delta) $零点个数的上界是$ 6 $; 第四部分证明$ I(h, \delta) $零点个数下界是3.

2 定义和引理

关于系统(1.1)的Abel积分零点个数上界, 根据不同特点的系统, 学者们提出了辐角原理[23, 31]、直接法[5, 13, 25, 29]、几何方法[7-10, 28]等很多有效的方法. 本文使用Abel积分生成元的Chebyshev系统判定理论来研究Abel积分零点个数上界, 相关的定义详见参考文献[13, 25].

定义2.1   设$ f_0(x), f_1(x), \cdots, f_{n-1}(x) $是定义在开区间$ J $上的解析函数,

(ⅰ) 如果任意的线性组合

$ J $上至多有$ n-1 $个孤立零点, 那么$ \{f_0(x), f_1(x), \cdots, f_{n-1}(x)\} $称为Chebyshev系统.

(ⅱ) 如果对每个$ i = 1, 2, \cdots, n $, 任意线性组合$ k_0f_0(x) + k_1f_1(x)+ \cdots + k_{i-1}f_{i-1}(x) $至多有$ i-1 $个零点, 考虑零点重数, 那么有序函数列$ \{f_0(x), f_1(x), \cdots, f_{n-1}(x)\} $称为完全Chebyshev系统.

(ⅲ) 对于任意的$ k = 1, 2, \cdots, n $, 系统$ \{f_0(x), f_1(x), \cdots, f_{n-1}(x)\} $是在区间$ J $上的一个完全Chebyshev系统当且仅当对任意的$ x\in J $时, 如下Wronskian行列式

成立, 这里的

其中$ f'(x) $$ f^{(i)}(x) $分别代表$ f(x) $的一阶导数和$ i $阶导数.

考虑在平面某开子集上解析的具有如下形式的Hamiltonian函数

假定它在原点$ O(0, 0) $有局部最小值$ H(0, 0) = 0 $, 环绕中心$ O(0, 0) $有一族顺时针方向的闭轨$ \{L_h\}\subset \{(x, y)|H(x, y) = h, 0<h<h_0\} $, 形成未扰系统的周期环域. 每条周期轨与$ x $ -轴有两个交点, 设区间$ (x_l, x_r) $是周期轨族在$ x $ -轴上的投影. 根据假设可知, $ x A'(x)>0, x\in (x_l, x_r)\backslash\{0\} $, 因此, $ A(x) $定义了一个对合$ z(x) $满足$ A(x) = A(z(x)) $, 当$ 0<x<x_r $时, $ x_l<z(x)<0 $.$ f_i(x) $是解析函数, 考虑沿着每条轨线$ L_h $的如下形式的Abel积分

$ \begin{eqnarray} I_{i}(h) = \oint_{L_h} f_i(x)y^{2s-1}{\rm d}x, \ \ i = 0, 1, \cdots, n-1, \end{eqnarray} $

关于其线性组合的零点个数有如下结果(见文献[30]).

引理2.1   假定上述条件成立, 考虑$ (2.1) $式定义的$ \rm Abel $积分$ I_i(h) $, 并定义

如果以下条件成立

(ⅰ) $ W[l_0, \cdots , l_i]\neq 0 $, 当$ x\in (0, x_r) $和所有的$ i = 0, 1, \cdots, n-2, $

(ⅱ) $ W[l_0, \cdots , l_{n-1}] $$ (0, x_r) $上有$ k $个零点(考虑重数),

(ⅲ) $ s> n+k-2 $,

那么任何非平凡线性组合$ \{I_0, I_1, \cdots, I_{n-1}\} $$ (0, h_0) $至多有$ n+k-1 $个零点(考虑重数). 此时称$ \{I_0, I_1, \cdots, I_{n-1}\} $$ (0, h_0) $上是精度为$ k $的Chebyshev系统.

在研究一些系统时, $ s $的值不能满足条件(ⅲ), 引理2.1并不能直接应用, 此时可以使用如下引理2.2, 提高$ I_i(h) $$ y $的次数, 克服上述困难, 参见文献[13]中的引理4.1.

引理2.2   设$ F(x) $是关于$ x $的一元函数, 并且满足$ \frac{F(x)}{A'(x)} $$ x = 0 $处解析. 对于任意$ k \in N $, 沿着$ {A(x) + \frac{1}{2}y^2 = h} $的每条轨线$ L_h $, 如下等式成立

其中$ G(x) = \frac{1}{k}(\frac{F(x)}{A'(x)})'(x) $.

Abel积分零点个数的Chebyshev性质的代数判定方法最初的思想是来源于文献[25], 后来在文献[13]和文献[30]中得以推广和发展.

计算Abel积分零点个数的一个有效的方法是研究(1.2) 周期环域$ \{L_{h}\} $端点附近的渐近展开式(参见文献[14, 37]及[38]). 假如系统(1.2)的周期环域的内边界是初等中心$ C(0, 0) $满足$ {H}(C) = 0 $, 外边界是连接双曲鞍点$ S_1(x_1, y_1) $的同宿环$ L_{h_s} $, 满足$ {H}(x_1, y_1) = h_s $, 那么

$ \begin{equation} M(h, \delta) = \oint_{L_h}q{\rm d}x-p{\rm d}y, \ \ 0<h<h_s. \end{equation} $

引理2.3[19]   假设$ (x, y) $在初等中心$ C(0, 0) $附近

$ \begin{equation} \begin{array}{l} { } {H}(x, y) = \frac{y^2}{2}+ \frac{x^2}{2}+\sum\limits_{i+j\geq 3}h_{ij}x^iy^j, \\ { } p(x, y, \delta) = \sum\limits_{i+j\geq 0}a_{ij}x^iy^j, \ q(x, y, \delta) = \sum\limits_{i+j\geq0}b_{ij}x^iy^j, \end{array} \end{equation} $

那么

$ \begin{equation} M(h, \delta) = \sum\limits_{j\geq 0}b_{j}(\delta)h^{j+1}, \ 0<h\ll 1. \end{equation} $

引理2.4[18-19]  假设$ (x, y) $在双曲鞍点$ S_1(x_1, y_1) $附近

$ \begin{equation} \begin{array}{ll} { } {H}(x, y) = h_s+\frac{\lambda}{2}(y-y_1)^2-\frac{\lambda}{2}(x-x_1)^2+\sum\limits_{i+j\geq 3} \overline{h}_{ij}(x-x_1)^i(y-y_1)^j, \ \lambda\neq0, \\ p(x, y, \delta) = \sum\limits_{i+j> 0}\overline{a}_{ij}(x-x_1)^i(y-y_1)^j, \ q(x, y, \delta) = \sum\limits_{i+j> 0}\overline{b}_{ij}(x-x_1)^i(y-y_1)^j, \end{array} \end{equation} $

那么Melnikov函数$ M(h, \delta) $有如下展开式

$ \begin{eqnarray} M(h, \delta)& = &{c}_0(\delta)+c_1(\delta)(h-h_s)\ln|h-h_s|+ {c}_2(\delta)(h-h_s)+{c}_3(\delta)(h-h_s)^2\ln|h-h_s|{}\\ &&+O(|h-h_s|^2), \ \ 0< h_s-h\ll 1, \end{eqnarray} $

其中

$ b $$ \bar{b} $是确定的常数.

引理2.5   如果展开式(2.4) 和(2.6) 满足

$ \begin{equation} {\rm rank}\frac{\partial(c_0, c_1, \cdots, c_{m-1}, b_0, b_1, \cdots, b_{k-1})}{\partial\delta}(\delta_0) = m+k, \end{equation} $

并存在$ \delta_0\in\mathbb{R}^N $和正整数$ m $$ k $使得如下条件成立

$ \begin{equation} \begin{array}{ll} c_0(\delta_0) = c_1(\delta_0) = , \cdots, = c_{m-1}(\delta_0) = 0, \ c_m(\delta_0)\neq 0, \\ b_0(\delta_0) = b_1(\delta_0) = \cdots = b_{k-1}(\delta_0) = 0, \ b_{k}(\delta_0)\neq 0. \end{array} \end{equation} $

$ N^* = m+k+\frac{1-sgn(M(h_1, \delta_0)M(h_2, \delta_0))}{2} $, 其中$ h_1 = h_s-\varepsilon_0 $, $ h_2 = 0+\varepsilon_0 $$ \varepsilon_0 $是充分小的正参数. 那么存在$ \delta_0 $附近的参数$ \delta $使得函数$ M(h, \delta) $存在$ N^* $个零点, 其中$ m $个零点在$ h = h_s $附近, $ k $个零点在$ h = 0 $附近.

注2.1   引理2.5是文献[17]的转述, 较为清晰的证明见文献[36].

3 Abel积分$ I(h, \delta) $的零点个数上界

本部分我们利用引理2.2和引理2.3以及结合相关代数定理和分析技巧研究(1.8)中Abel积分$ I(h, \delta) $的生成元

$ \begin{equation} I_i = \oint_{L_h}x^{i}y{\rm d}x, \ i = 0, 1, 2, 3, \end{equation} $

证明$ \{I_0, I_1, I_2, I_3\} $$ (0, \frac{409}{480}) $上是构成精度为$ 3 $的Chebyshev系统.

系统$ (1.6) $的Hamiltonian函数$ H(x, y) $定义的周期轨线形成的周期环域在$ x $轴上的投影是$ (-1, x_r) $, 其中

$ H(x, y): = A(x)+\frac{1}{2}y^{2} $, 其中$ A(x) = \frac{49}{32}x^2-\frac{7}{48}x^3-\frac{5}{8}x^4+\frac{1}{5}x^5 $, 由引理2.2的可知, 此时$ n = 4, s = 1 $, 不满足$ s >n+k-2 $.

下面根据引理2.2中的方法提高$ I_i(h) $$ y $的次数.

因为在每条轨线$ L_h $上有$ \frac{2A(x)+y^2}{2h} = 1 $成立, 所以

$ \begin{equation} I_i(h) = \frac{1}{2h}\oint_{L_h}(2A(x)+y^2)x^{i}y{\rm d}x = \frac{1}{2h}(\oint_{L_h}2x^{i}A(x)y{\rm d}x+\oint_{L_h}x^{i}y^3{\rm d}x), \ \ i = 0, 1, 2, 3. \end{equation} $

$ k = 3 $$ F(x) = 2x^{i}A(x) $, 根据引理2.2, 得到

$ \begin{equation} \oint_{L_h}2x^{i}A(x)y{\rm d}x = \oint_{L_h}G_i(x)y^3{\rm d}x, \end{equation} $

其中$ G_i(x) = \frac{\rm d}{3{\rm d}x}(\frac{2x^{i}A(x)}{A'(x)}) = \frac{ x^{i} g_i(x)}{45(x+1)^{2}(4\, x-7 )^{3}} $, $ g_i(x) = 384\, i{x}^{5}-1488\, i{x}^{4}+384\, {x}^{5}-52\, i{ x}^{3}-1248\, {x}^{4}+5250\, i{x}^{2}+592\, {x}^{3}-1715\, ix+910\, {x}^{2} -5145\, i-1960\, x-5145. $

根据$ (3.2) $式和$ (3.3) $式以及考虑到在每条轨线$ L_h $$ \frac{2A(x)+y^2}{2h} = 1 $, 可得

$ \begin{eqnarray} I_i(h)& = & \frac{1}{2h}\oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x))y^3{\rm d}x = \frac{1}{4h^2}\oint_{L_h}(2A(x)+y^2)(x^{i}+G_i(x))y^3{\rm d}x {}\\ & = & \frac{1}{4h^2}\oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x))y^3{\rm d}x+ \frac{1}{4h^2}\oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x))y^5{\rm d}x. \end{eqnarray} $

$ k = 5 $$ F(x) = 2A(x)(x^{i}+G_i(x)) $, 以及由引理2.2可知

$ \begin{equation} \oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x))y^3{\rm d}x = \oint_{L_h}\widetilde{G}_i(x)y^5{\rm d}x, \end{equation} $

其中, $ \widetilde{G}_i(x) = \frac{\rm d}{5{\rm d}x}(\frac{2A(x)(x^{i}+G_i(x))}{A'(x)}) = \frac{x^i\widetilde{g}_i(x)}{3375\, \left( x+1 \right) ^{4} \left( 4\, x-7 \right) ^{6} } $, 而

$ (3.4) $式和$ (3.5) $式以及考虑到在每条轨线$ L_h $$ \frac{2A(x)+y^2}{2h} = 1 $, 可知

$ \begin{eqnarray} I_i(h)& = &\frac{1}{4h^2} \oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x))y^5{\rm d}x{}\\ & = &\frac{1}{8h^3}\oint_{L_h}(2A(x)+y^2)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x))y^5{\rm d}x {}\\ & = &\frac{1}{8h^3} \oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x))y^5{\rm d}x+ \frac{1}{8h^3}\oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x))y^7{\rm d}x.{\quad} \end{eqnarray} $

$ k = 7 $$ F(x) = 2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)) $, 根据引理2.2, 得到

$ \begin{equation} \oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x))y^5{\rm d}x = \oint_{L_h}\overline{G}_i(x)y^7{\rm d}x, \end{equation} $

其中$ \overline{G}_i(x) = \frac{\rm d}{7{\rm d}x}(\frac{2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x))}{A'(x)}) = \frac{x^i\overline{g}_i(x)}{354375\, \left( x+1 \right) ^{6} \left( 4\, x-7 \right) ^{9} } $, 其中

根据$ (3.6) $式和$ (3.7) $式以及考虑到在每条轨线$ L_h $$ \frac{2A(x)+y^2}{2h} = 1 $, 得到

$ \begin{eqnarray} I_i(h)& = & \frac{1}{8h^3} \oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x))y^7{\rm d}x {}\\ & = & \frac{1}{16h^4}\oint_{L_h}(2A(x)+y^2)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x))y^7{\rm d}x {}\\ & = & \frac{1}{16h^4}(\oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x))y^7{\rm d}x{}\\ &&+ \oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x))y^9{\rm d}x). \end{eqnarray} $

$ k = 9 $, $ F(x) = 2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)) $, 根据引理2.2, 得到

$ \begin{equation} \oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x))y^7{\rm d}x = \oint_{L_h}\widehat{G}_i(x)y^9{\rm d}x, \end{equation} $

其中$ \widehat{G}_i(x) = \frac{\rm d}{9{\rm d}x}(\frac{2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x))}{A'(x)}) = \frac{x^i\widehat{g}_i(x)}{47840625\, \left( x+1 \right) ^{8} \left( 4\, x-7 \right) ^{12}} $, 而$ \widehat{g}_i(x) $是一个项数较多的多项式, 详见附录A.

$ (3.8) $$ (3.9) $式, 以及考虑到在每条轨线$ L_h $$ \frac{2A(x)+y^2}{2h} = 1 $, 得到

$ \begin{eqnarray} I_i(h)& = & \frac{1}{16h^4}\oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))y^9{\rm d}x {}\\ & = & \frac{1}{32h^5}\oint_{L_h}(2A(x)+y^2)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))y^9{\rm d}x {}\\ & = & \frac{1}{32h^5}(\oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))y^9{\rm d}x{}\\ &&+ \oint_{L_h}(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))y^{11}{\rm d}x). \end{eqnarray} $

$ k = 11 $, $ F(x) = 2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))y^9 $, 根据引理2.2, 得到

$ \begin{equation} \oint_{L_h}2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))y^9{\rm d}x = \oint_{L_h}\check{G}_i(x)y^{11}{\rm d}x, \end{equation} $

其中$ \check{G}_i(x) = \frac{\rm d}{11{\rm d}x}(\frac{2A(x)(x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x))}{A'(x)}) = \frac{x^i\check{g}_i(x)}{7893703125\, \left( x+1 \right) ^{10} \left( 4\, x-7 \right) ^{15}, } $$ \check{g}_i(x) $是一个较长的多项式, 详见附录A.

$ (3.11) $式带入$ (3.10) $式中得

其中$ f_i(x) = x^{i}+G_i(x)+\widetilde{G}_i(x)+\overline{G}_i(x)+\widehat{G}_i(x)+\check{G}_i(x) $. 显然如果$ \{I_0, I_1, I_2, I_{3}\} $$ (0, \frac{409}{480}) $上是精度为$ k $的Chebyshev系统, 那么当且仅当$ \{\widetilde{I}_0, \widetilde{I}_1, \widetilde{I}_2, \widetilde{I}_{3}\} $也是精度为$ k $的Chebyshev系统.

下面证明$ \{\widetilde{I}_0, \widetilde{I}_1, \widetilde{I}_2, \widetilde{I}_{3}\} $是精度为$ 3 $的Chebyshev系统, 此时$ s = 6 $, $ k = 3 $, 那么$ s > n+k-2 $.

这里$ z(x) $是满足$ A(x) = A(z(x)) $$ A(-1) = A(x_r) $的一个解析对合, 由$ A(x) = A(z) $得到

其中

事实上$ q(x, z) = 0 $是定义解析对合$ z(x) $的因式, 所以$ \frac{{\rm d}z}{{\rm d}x} = - \frac{\partial q(x, z)}{\partial x } / \frac{\partial q(x, z)}{\partial z } $, 因此

$ \begin{equation} \frac{\rm d}{{\rm d}x}l_i(x) = \frac{\rm d}{{\rm d}x}(\frac{f_i}{A'(x)})(x) - \frac{\rm d}{{\rm d}z}[(\frac{f_i}{A'(x)})(z(x))] \times \frac{{\rm d}z}{{\rm d}x}. \end{equation} $

如果我们取$ x \in (-1, 0) $, 那么$ 0< z(x)< x_r $. 根据Sturm定理和相关分析技巧, 同时借助符号计算系统Maple.18, 我们有以下引理.

引理3.1  如下结论成立

(ⅰ) $ W[l_1(x)]\neq 0, x\in (-1, 0); $

(ⅱ) $ W[l_1(x), l_2(x)]\neq 0, x\in (-1, 0); $

(ⅲ) $ W[l_1(x), l_2(x), l_0(x)]\neq 0, x\in (-1, 0); $

(ⅳ) $ W[l_1(x), l_2(x), l_0(x), l_3(x)] \neq 0, x\in(-1, 0)\backslash \{x_1, x_2, x_3\}, $

其中, $ x_1, x_2, x_3 $$ W[l_1(x), l_2(x), l_0(x), l_3(x)] $$ (-1, 0) $上的单根.

上面四个Wronskian行列式都是关于$ (x, z) $的二元函数, 而且$ (x, z) $满足$ q(x, z) = 0 $, 也即$ z $是由$ q(x, z) $决定的关于$ x $的对合, 限定$ x \in(-1, 0) $, 此时$ 0 < z< x_r. $因此, 研究上述四个Wronskian行列式是否在$ (-1, 0) $上有零点, 我们只需研究上述四个Wronskian行列式与$ q(x, z) $是否有满足

$ \begin{equation} -1<x<0 < z< x_r \end{equation} $

的公共根$ (x, z) $.

  根据(3.12)式, 借助于符号计算系统Maple.18, 得到

其中$ p(x, z) $, $ p_1(x, z) $, $ p_2(x, z) $, $ p_3(x, z) $$ p_4(x, z) $是次数分别为$ 3 $, $ 52 $, $ 104 $, $ 157 $$ 208 $的表达式较长的多项式. 计算$ p(x, z) $$ q(x, z) $关于$ z $的结式得

由Sturm定理得, $ q(x, z) $$ p(x, z) $没有满足(3.13) 的公共根, 也就是在$ (-1, 0) $上有$ R(p, q, z)\neq 0 $. 所以在$ (-1, 0) $$ p(x, z)\neq 0 $. 因此, 要证明上述四个Wronskian行列式与$ q(x, z) $是否有满足(3.13)式的公共根, 我们只需证明$ p_i(x, z) $$ q(x, z) $是否有满足(3.13)式的公共根, 其中$ i = 1, 2, 3, 4 $.

(ⅰ) 首先计算$ q(x, z) $$ p_1(x, z) $关于$ z $的结式, 得到

其中$ \xi_{1r}(x) $是关于$ x $的次数为$ 166 $的项数较多的多项式. 应用Sturm定理可得, 在$ x\in(-1, 0) $上, $ \xi_{1r}(x)\neq 0 $. 因此, $ p_1(x, z) $$ q(x, z) $没有满足不等式(3.13)的公共根. 所以当$ x\in (-1, 0) $$ W[l_1] \neq0 $.

(ⅱ) 为了探讨$ q(x, z) $$ p_2(x, z) $是否有满足条件的公共根, 我们把$ q(x, z) $$ p_2(x, z) $代入到文献[37]中的附录A的程序中

> with(RegularChains):

> with(ChainTools):

> with(SemiAlgebraicSetTools):

> sys : = [p_2(x, z), q(x, z)]:

> R : = PolynomialRing([x, z]):

> dec : = Triangularize(sys, R);

  [regular_chain, regular_chain, regular_chain]

> L : = map(Equations, dec, R);

其中$ p^r_1(x, z) = p_{11}(z)x+p_{12}(z) $, $ p_{11}(z) $是次数为$ 278 $的多项式, $ p_{12}(z) $是次数为$ 279 $的多项式, $ p^r_{2}(z) $是次数为$ 334 $的多项式. 在Maple程序中, 正则链$ L[1][1] $和L[1][2]分别表示$ p^r_1 $$ p^r_2 $. 显然两个正则链$ [4z-7, 4x-7] $$ [z+1, x+1] $没有满足条件(3.13)的零点. 正则链$ [p^r_1, p^r_2] $是无平方因子而且是零维的(因为变量个数等于方程个数), 调整正则链$ [p^r_1, p^r_2] $中的多项式顺序然后实根隔离得到

> C : = Chain([L[1][2], L[1][1]], Empty(R), R);

        regular_chain

> RL : = RealRootIsolate(C, R, 'abserr' = 1/10^5);

        [box, box, box, box, box, box]

> map(BoxValues, RL, R);

上面得到的6个区间对是$ p_2(x, z) $$ q(x, z) $在整个$ x-z $平面上所有公共根存在的区间. 显然$ p_2(x, z) $$ q(x, z) $没有满足(3.13)的公共根. 因此, 当$ x\in (0, 1) $$ W[l_1, l_2] \neq0 $.

(ⅲ) 把$ q(x, z) $$ p_3(x, z) $代入到上面的算法程序中, 三角分解得到正则链

其中$ p^r_3(x, z) = p_{31}(z)x+p_{32}(z) $, $ p_{31}(z) $$ p_{32}(z) $是次数分别为$ 422 $$ 423 $的多项式, $ p^r_{4}(z) $是次数为$ 510 $的多项式. 对正则链$ [p^r_3, p^r_4] $中的多项式调整顺序后实根隔离, 得到如下8个区间对

容易看到$ q(x, z) $$ p_3(x, z) $没有满足(3.13)式的公共根. 故, 当$ x\in (-1, 0) $$ W[l_1, l_2, l_0]\neq0 $.

(ⅳ) 把$ q(x, z) $$ p_4(x, z) $代入到上面的算法程序中, 三角分解得到正则链

其中$ p^r_5(x, z) = p_{51}(z)x+p_{52}(z) $, 多项式$ p_{51}(z) $, $ p_{52}(z) $$ p^r_{6}(z) $的次数分别为$ 559 $, $ 561 $$ 680 $. 对正则链$ [p^r_5, p^r_6] $中的多项式实根隔离后得到如下10个区间对

由此我们知道上述10个区间对中的最后三个区间对有满足不等式(3.13)根, 假设$ (x_1, z_1) $, $ (x_2, z_2) $$ (x_3, z_3) $$ p_4(x, z) $$ q(x, z) $的公共根. 把$ W[l_1(x), l_2(x), l_0(x), l_3(x)] $简记为$ W_4(x, z(x)) $, 并对它求导得到

其中$ p_5(x, z) $是含有$ 14383 $项以及次数是$ 214 $的多项式. 同样根据Sturm定理和利用上述符号计算的方法可得: $ p_5(x, z) $$ q(x, z) $没有公共根. 因此, $ (x_1, z_1) $, $ (x_2, z_2) $$ (x_3, z_3) $$ W_4(x, z(x)) $的三个单根.

根据引理2.1, 得到如下定理.

定理3.1  $ \{I_0, I_1, I_2, I_3\} $是精度为$ 3 $的Chebyshev系统, 即Abel积分$ I(h, \delta) $至多有$ 6 $个零点.

4 Abel积分$ I(h, \delta) $的3个零点

根据引理2.3, Abel积分$ I(h, \delta) $$ h = 0 $附近的展开式是

为了获得系数$ b_i $的值, 令$ x = \frac{4}{7}u, y = v $, 和时间变换$ t = \frac{7}{4}t $, 系统(1.6) 变为

$ \begin{equation} \dot{u} = v, \ \dot{v} = \frac{1 }{9604}{u \left( 4\, u+7 \right) \left( 16\, u-49 \right) ^{2}} + \varepsilon ( \frac{4a_0}{7}+\frac{16a_1}{49} u + \frac{64a_2}{343} u^2 +\frac{256}{2401} u^3)v. \end{equation} $

那么系统的Hamiltonian函数就变为(2.3) 式的形式, 而积分$ I(h, \delta) $保持不变. 对系统(4.1) 应用文献[19]中的计算方法得

令尺度变换为$ x = \frac{4}{11}u-1, \ y = v $和时间变换$ x = \frac{11}{4}t $, 系统(1.6) 变为

$ \begin{equation} \begin{array}{l} \dot{u} = v, \\ { } \dot{v} = -\frac{1}{161051}u(4u-11)(16u-121)^2+\varepsilon \frac{4}{11}(a_0+a_1(\frac{4}{11}u-1) \\ {\qquad} { } +a_2(\frac{4}{11}u-1)^2+(\frac{4}{11}u-1)^3)v, \end{array} \end{equation} $

其Hamiltonian函数就变为引理2.4中(2.5) 的形式, 而积分$ I(h, \delta) $保持不变. 对系统(4.2) 应用引理2.4得: 当$ 0<-(h-\frac{409}{480}) \ll 1 $时有

其中

容易得到$ \det \frac{\partial (b_0, b_1, b_2)}{\partial (a_0, a_1, a_2)}\neq 0. $解方程$ b_0 = b_1 = b_2 = 0 $得到$ a_0 = 0, a_1 = \frac{245}{136}, a_2 = -\frac{35}{136} $, 令$ \delta_0 = \{0, \frac{245}{136}, -\frac{35}{136}, 1\} $带入展开式中首个非零系数得到$ b_3(\delta_0) = - \frac{214016}{6000099} \pi $, $ c_0(\delta_0) = -0.2077883334 $, 因此

根据引理2.5可以知道$ I(h, \delta) $$ h = 0 $附近有3个零点.

命题4.1  存在$ \delta_0\in R^4 $使得Abel积分$ I(h, \delta) $$ (0, \frac{409}{480}) $上有$ 3 $个零点.

附录A

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