数学物理学报, 2023, 43(3): 785-794

聚焦 Kundu-Eckhaus 方程中畸形波的奇异动力学行为研究

王秀彬,, 田守富,*

中国矿业大学数学学院 江苏徐州 221116

Exotic Dynamics of Freak Waves in the Focusing Kundu-Eckhaus Equation

Wang Xiubin,, Tian Shoufu,*

School of Mathematics, China University of Mining and Technology, Jiangsu Xuzhou 221116

通讯作者: *田守富,E-mail: sftian@cumt.edu.cn

收稿日期: 2022-03-22   修回日期: 2022-09-22  

基金资助: 国家自然科学基金(12201622)
国家自然科学基金(11975306)

Received: 2022-03-22   Revised: 2022-09-22  

Fund supported: NSFC(12201622)
NSFC(11975306)

作者简介 About authors

王秀彬,E-mail:xbwang@cumt.edu.cn

摘要

该文基于 Darboux 变换的相关结果, 利用变量分离法推导出了聚焦 Kundu-Eckhaus 方程的一般高阶畸形波解. 然后通过一些图形详细地讨论了这些畸形波解的动力学行为. 特别地, 这里可以观察到一个四瓣形畸形波和三眼形畸形波是可以共存的, 这是完全不同于之前存在的四眼形畸形波. 研究结果表明, 该文所研究的畸形波结构比在著名的非线性 Schrödinger 方程中的畸形波结构更为丰富.

关键词: 聚焦 Kundu-Eckhaus 方程; 变量分离方法; 畸形波

Abstract

In this work, based on Darboux transformation general higher-order freak wave solutions of the focusing Kundu-Eckhaus equation are derived by using the variable separation method. Then the dynamics of these freak wave solutions are discussed with some graphics. In particular, we observe that one four-petaled freak wave and three eye-shaped ones can coexist, in contrast to the four eye-shaped ones reported before. They demonstrate that the structure of freak waves in this paper is richer than that in the well-known nonlinear Schrödinger equation.

Keywords: The focusing Kundu-Eckhaus equation; The variable separation method; Freak waves

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本文引用格式

王秀彬, 田守富. 聚焦 Kundu-Eckhaus 方程中畸形波的奇异动力学行为研究[J]. 数学物理学报, 2023, 43(3): 785-794

Wang Xiubin, Tian Shoufu. Exotic Dynamics of Freak Waves in the Focusing Kundu-Eckhaus Equation[J]. Acta Mathematica Scientia, 2023, 43(3): 785-794

1 引言

著名的非线性 Schrödinger 方程[1-2]

$\begin{equation}\label{NSNLS} {\rm i}q_{t}+q_{xx}\pm2|q|^2q=0 \end{equation}$

是一个重要的非线性数学物理模型, 它可以反映许多重要物理现象, 并且有广泛的物理应用和实践前景. 另外, 由于其奇特的数学结构和丰富的物理意义, 非线性 Schrödinger 方程在数学和物理领域都发挥了重要的作用, 并取得了巨大的科研成果, 其中 $\pm$ 分别表示聚焦和散焦的情况. 实际上, 它也是非线性数学物理领域中一个基本的非线性系统[3-4]. 它是完全可积的, 许多学者通过反散射方法[5-6] 和 Darboux 变换法[7-8] 已经得到了该系统各种不同形式的非线性波解.在过去的几十年里, 它再次受到人们的广泛关注, 其主要原因是它可以用来刻画奇特的畸形波现象[9-10]. 畸形波, 也被称为怪波、杀人波等是一种自发性的巨浪且具有来无影去无踪的特征[11]. 近些年, 由于这类波突然性且破坏性的影响, 以至于吸引了人们广泛的关注[12-13]. 在 1983 年, Peregrine[14] 成功在方程(1.1)中推导出畸形波解的第一个解析表达式. 之后, 科研工作者们也在其他可积系统中刻画出了畸形波现象, 如Hirota 方程[15], 导数非线性 Schrödinger 方程[16], Davey-Stewartson 方程[17], Sasa-Satsuma 方程[18-19][20-34].

虽然方程 (1.1) 有广泛的物理应用, 但是为了更好的揭示高阶非线性效应在现实物理系统中的作用, 它是非常有必要在方程 (1.1) 中添加更多的相关项. 一个主要的研究是在非线性薛定谔方程 (1.1) 中增加高阶项和耗散项以便精确地描述某些系统中的非线性现象. 因此, 本文主要研究如下可以用来模拟波在色散介质中传播的聚焦 Kundu-Eckhaus 方程[35-46]

$\begin{equation}\label{nCNLS1} {\rm i}q_{t}+q_{xx}+2|q|^2q+4\beta^2|q|^4q-4{\rm i}\beta\left(|q|^2\right)_{x}q=0, \end{equation}$

它包含非线性光学中的五次非线性项和 Raman 效应, 其中 $q=q(x,t)$ 是一个复光滑波包函数, 下标表示对变量的偏导数, $\beta$ 是一个实常数. 据我们所知, 目前已经存在许多有关方程 (1.2) 畸形波解的研究. 例如, 在文献[35] 中利用广义 Darboux 变换结合规范变换已经研究了方程 (1.2) 的 $N$-阶畸形波解. 在文献 [42]中, 利用广义 Darboux 变换结合 Taylor 展开式构造了方程 (1.2) 的高阶畸形波解并考虑了五次非线性项对解的动力学行为的影响. 在文献[43]中, 首先利用广义 Darboux 变换的相关理论知识构造了方程 (1.2) 的畸形波解, 然后通过数值计算和图像分析, 证明了五次非线性项和 Raman 效应非线性项能够影响高阶畸形波中驼峰的空间分布, 但驼峰的振幅和出现时间不变. 在他们的论文中, 为了利用广义 Darboux 变换得到方程 (1.2) 的畸形波解, 一个关键的步骤就是需要计算一系列相应特征函数的复导数. 但是在本文的第三节我们引入了方程 (1.2) Lax 对的解族, 该解族可以用变量分离形式的指数矩阵表示. 因此, 相比于其它论文利用广义 Darboux 变换对畸形波解的研究, 本文在推导畸形波解的显式表达式的过程中没有任何的导数计算, 这为构造方程的畸形波解提供了便利.

众所周知, Darboux 变换是一个构造非线性模型畸形波解的有力工具. 但是, 由于方程 (1.2) 涉及非线性光学中的五次非线性和 Raman 效应, 分析过程比方程 (1.1) 更加困难. 本文的主要目的是利用 Darboux 变换和变量分离技术研究聚焦 Kundu-Eckhaus 方程的高阶畸形波解. 此外, 通过图像分析的方式详细的讨论了这些畸形波解的动力学行为.

本文的结构安排如下. 第二节利用变量分离方法研究了方程 (1.2) 的 Lax 对. 第三节利用 Taylor 级数展开构造了方程 (1.2) 的高阶畸形波解. 第四节通过图像分析了一阶和二阶畸形波阶的动力行为. 最后, 第五节给出了本文的结论与展望.

2 变量分离方法

聚焦 Kundu-Eckhaus 方程 (1.2) 是完全可积的, 其 Lax 对可写为

$\begin{equation}\label{DDT-1} \Psi_{x}=\textbf{U}\Psi,~~ \Psi_{t}=\textbf{V}\Psi, \end{equation}$

其中

$\begin{equation}\label{DDT-2} \left\{ \begin{array}{ll} \textbf{U}=-{\rm i}\lambda\sigma_{3}+\left(Q-{\rm i}\beta Q^2\sigma_{3}\right),\\ \textbf{V}=-2{\rm i}\lambda^2\sigma_{3}+2\lambda Q-{\rm i}\left(Q^2+Q_{x}\right)\sigma_{3} -2\beta Q^3+4{\rm i}\beta^2Q^4\sigma_{3}+2\beta[Q_{x},Q], \end{array} \right. \end{equation} $

上式中的 $Q$ 可表示为

$\begin{equation}\label{DDT-3} Q=\left( \begin{array}{cc} 0 & q \\ -\bar{q} & 0 \\ \end{array} \right), \end{equation} $

另外, 上划线表示复共轭, $\sigma_{3}=\mbox{diag}(1,-1)$. 直接验证 Lax 对 (2.1) 中两个线性方程的相容性条件

$\begin{equation}\label{DDT-4} \textbf{U}_{t}-\textbf{V}_{x}+[\textbf{U},\textbf{V}]=0, \end{equation}$

可以直接导出聚焦 Kundu-Eckhaus 方程 (1.2).

类似于方程 (1.1) 的研究过程, 首先引入方程 (1.2) 的种子解

$\begin{equation}\label{DDT-5} q_{[0]}=\exp({\rm i}\sigma), \end{equation}$

其中 $\sigma=2\left(2\beta^2+1\right)t$. 下面可以得到 Lax 系统 (2.1) 关于谱参数 $\lambda$ 的解可以表示为

$\begin{equation}\label{DDT-6} \Psi=\left( \begin{array}{c} \psi \\ \phi \end{array} \right)=\Lambda{\cal R}{\cal E}{\cal Z},~~{\cal R}=\exp({\rm i}\Theta x),~~{\cal E}=\exp({\rm i}\Omega t), \end{equation}$

其中

$\begin{equation}\label{DDT-7} \Lambda=\mbox{diag}(1,1/\exp({\rm i}\sigma t)) \end{equation}$

${\cal Z}$ 表示位任意复常数. 这里需要设定

$\begin{equation}\label{DDT-8} \left[\Theta,\Omega\right]=\Theta\Omega-\Omega\Theta=0. \end{equation}$

通过(2.1) 和 (2.8)式, 可以得到

$\begin{equation}\label{DDT-9} \Theta=\left( \begin{array}{ccc} -\widetilde{\lambda} & -{\rm i} \\ {\rm i} & \widetilde{\lambda} \\ \end{array} \right),~~\Omega=\Theta^2+2\left(\lambda+\beta\right)\Theta-\left(\lambda-\beta\right)^2+2\beta^2, \end{equation}$

其中 $\lambda=\widetilde{\lambda}+\beta$.

然后在(2.6)式中可以重写 ${\cal R}$

$\begin{equation}\label{DDT-10} {\cal R}=\frac{1}{\tau}\left( \begin{array}{ccc} \Theta_{1} & \Theta_{2} \\ \widetilde{\Theta}_{2} & \Theta_{3} \\ \end{array} \right), \end{equation}$

其中

$\begin{equation}\label{DDT-11} \left\{ \begin{array}{ll} &\Theta_{1}=\tau\cos(\tau x)-{\rm i}\widetilde{\lambda}\sin(\tau x),\\ &\Theta_{2}=\widetilde{\Theta}_{2}=\sin(\tau x),\\ &\Theta_{3}=\tau\cos(\tau x)+{\rm i}\widetilde{\lambda}\sin(\tau x),\\ &\tau=\sqrt{1+\widetilde{\lambda}^2}. \end{array} \right. \end{equation}$

同样地, 矩阵 ${\cal E}$ 可重写为

$\begin{equation}\label{DDT-12} {\cal E}=\frac{1}{\xi}\left( \begin{array}{cc} \Omega_{1} & \widetilde{\Omega}_{2} \\ \Omega_{2} & \Omega_{4} \\ \end{array} \right)\exp\left(\frac{1}{2}{\rm i}\sigma t\right), \end{equation}$

其中

$\begin{equation}\label{DDT-13} \left\{ \begin{array}{ll} &\Omega_{1}=\xi\cos(\xi t)-2{\rm i}\widetilde{\lambda}\left(\widetilde{\lambda}+2\beta\right)\sin(\xi t),\\ &\Omega_{2}=-\widetilde{\Omega}_{2}=2\left(\widetilde{\lambda}+2\beta\right)\sin(\xi t),\\ &\Omega_{3}=\xi\cos(\xi t)+2{\rm i}\widetilde{\lambda}\left(\widetilde{\lambda}+2\beta\right)\sin(\xi t),\\ &\xi=2\left(\widetilde{\lambda}+2\beta\right)\tau. \end{array} \right. \end{equation}$

3 高阶畸形波解的推导

本部分集中构造方程 (1.2) 的高阶畸形波解. 设定 $\widetilde{\lambda}={\rm i}(1+\epsilon)$ 并利用如下的 Taylor 展开公式

$\begin{matrix}\label{DDT-14} &&\sin(x)=x-\frac{x^3}{3!}+\frac{x^5}{5!}-\frac{x^7}{7!}+\cdots, \\ &&\cos(x)=1-\frac{x^2}{2!}+\frac{x^4}{4!}-\frac{x^6}{6!}+\cdots, \end{matrix}$

矩阵 ${\cal R}$ 在点 $\epsilon=0$ 处的展开式为

$\begin{equation}\label{DDT-15} {\cal R}\big|_{\widetilde{\lambda}={\rm i}(1+\epsilon)}=\sum_{n=1}^{\infty}{\cal R}_{n}\epsilon^n, \end{equation}$

其中

$\begin{equation}\label{DDT-16} {\cal R}_{n}=\left( \begin{array}{cccc} \alpha_{n}+\beta_{n}+\beta_{n-1} & \beta_{n} \\ -\beta_{n} & \alpha_{n}-\beta_{n}-\beta_{n-1} \\ \end{array} \right) \end{equation}$

$\begin{equation}\label{DDT-17} \left\{ \begin{array}{ll} \alpha_{n}=\sum_{l=0}^{\left[\frac{n}{2}\right]}\textbf{C}_{n-l}^{l}2^{n-2l}\textbf{A}_{2(n-l)},\\[4mm] \beta_{n}=\sum_{l=0}^{\left[\frac{n}{2}\right]}\textbf{C}_{n-l}^{l}2^{n-2l}\textbf{A}_{2(n-l)+1},\\[4mm] \textbf{C}_{n}^{m}=\frac{n!}{m!(n-m)!}, ~~\textbf{A}_{m}=\frac{x^{m}}{m!}, \end{array} \right. \end{equation}$

以及 $n$$m$ 是非负整数且~$n\geq m$. 用同样的方式, 可得矩阵 ${\cal E}$ 在点 $\epsilon=0$ 处的展开式为

$\begin{equation}\label{DDT-18} {\cal E}\big|_{\widetilde{\lambda}={\rm i}(1+\epsilon)}=\exp\left(\frac{1}{2}{\rm i}\sigma t\right) \sum_{n=0}^{\infty}{\cal E}_{n}\epsilon^{n}, \end{equation}$

其中

$\begin{equation}\label{DDT-19} {\cal E}_{n}=\left( \begin{array}{cccc} \gamma_{n}+{\rm i}\theta_{n}+{\rm i}\theta_{n-1} & \theta_{n} \\ -\theta_{n} & \gamma_{n}-{\rm i}\theta_{n}-{\rm i}\theta_{n-1} \end{array} \right) \end{equation} $

$\begin{equation}\label{DDT-20} \left\{ \begin{array}{ll} \gamma_{n}=\sum_{l=0}^{\left[\frac{3n}{4}\right]}\sum_{m=0}^{l}(-1)^{n-l}\textbf{C}_{n-l}^{m} \textbf{C}_{2(n-l)}^{l-m}2^{n-l-m}\textbf{B}_{2(n-l)},\\[4mm] \theta_{n}=\sum_{l=0}^{\left[\frac{3n+1}{4}\right]}\sum_{m=0}^{l}(-1)^{n-l}\textbf{C}_{n-l}^{m} \textbf{C}_{2(n-l)+1}^{l-m}2^{n-l-m}\textbf{B}_{2(n-l)+1},\\[4mm] \textbf{B}_{m}=\frac{2^{m}(2\beta+{\rm i})^{m}t^{m}}{m!}. \end{array} \right. \end{equation}$

根据上述表达式, 可知道 $l$ 可表示为非负整数. 下面, 假设 $\omega_{k}$ 是关于$\epsilon$ 的任意多项式函数, 可表示为

$\begin{equation}\label{DDT-21} {\cal Z}_{0}(\epsilon)=\sum_{k=0}^{n}\omega_{k}\epsilon^k,~~ \omega_{k}=\left( \begin{array}{c} \omega_{1,k} \\ \omega_{2,k} \\ \end{array} \right). \end{equation}$

然后利用文献[16,21] 中的广义 Darboux 变换可得到方程 (1.2) 高阶畸形波解.

4 动力学行为

为了阐明前一节所导出的畸形波解的产生机制, 下面将精确地给出一阶和二阶畸形波解的解析表达式. 在前一节中设定 $N=1$, 可得到一阶畸形波的表达式为

$\begin{matrix}\label{IEE1} q_{[1]}={\cal H}_{[0]}^2\left[q_{[0]}+4\frac{\psi_{0}\bar{\phi}_{0}}{|\psi_{0}|^2+|\phi_{0}|^2}\right], \end{matrix}$

其中

$\begin{equation}\label{cba1} {\cal H}_{[0]}=\exp\left(2{\rm i}\beta\frac{|\psi_{0}|^2-|\phi_{0}|^2}{|\psi_{0}|^2+|\phi_{0}|^2}\right) \end{equation}$

$\begin{equation}\label{IEE2} \Psi_{0}=\left( \begin{array}{c} \psi_{0} \\ \phi_{0} \\ \end{array} \right)=\exp\left(\frac{1}{2}{\rm i}\sigma t\right)\Lambda{\cal R}_{0}{\cal E}_{0}{\cal Z}_{0}. \end{equation}$

另外, 当$n=0$时, ${\cal R}_{0}$${\cal E}_{0}$ 可分别由 (3.3) 和 (3.6)式给出. 通过对参数 $\beta$ 的做不同选择, 在图 1 中展示了两个畸形波的图像. 此外, 可以发现, 当 $\beta$ 改变时, 畸形波与 $x$ -轴之间的夹角会逐渐增大.

图 1

图 1   (网络版彩图) 当参数选取 $\omega_{1,0}=1, \omega_{2,0}=1$.

(a) $\beta\rightarrow0$; (b) $\beta=1$时, 方程 (1.2) 的一阶畸形波解


类似地, 设定 $N=2$, 可得到方程 (1.2) 的二阶畸形波解如下

$\begin{matrix}\label{IEE4} q_{[2]}={\cal H}_{[1]}^2\left[q_{[1]}+4\frac{\psi_{1}\bar{\phi}_{1}}{|\psi_{1}|^2+|\phi_{1}|^2}\right], \end{matrix}$

其中

$\begin{equation}\label{abc} {\cal H}_{[1]}=\exp\left(2{\rm i}\beta\frac{|\psi_{1}|^2-|\phi_{1}|^2}{|\psi_{1}|^2+|\phi_{1}|^2}\right) \end{equation}$

$\begin{matrix}\label{IEE5} &&\left( \begin{array}{c} \psi_{1} \\ \phi_{1} \\ \end{array} \right)=\textbf{T}[1]\Psi_{1}+{\rm i}\Psi_{0}, \\ &&\textbf{T}[1]=2{\rm i}(\textbf{I}-\textbf{P}[1]), ~~\textbf{P}[1]=\frac{\Psi_{0}\Psi_{0}^{\dagger}}{\Psi_{0}^{\dagger}\Psi_{0}}, \end{matrix}$

以及

$\begin{equation}\label{IEE6} \Psi_{1}=\exp\left(\frac{1}{2}{\rm i}\sigma\right)\Lambda\left[\left({\cal R}_{1}{\cal E}_{0}+{\cal R}_{0}{\cal E}_{1}\right){\cal Z}_{0}+{\cal R}_{0}{\cal E}_{0}{\cal Z}_{1}\right]. \end{equation}$

另外, 当$ n=1$ 时, ${\cal R}_{1}$${\cal E}_{1}$ 可分别由 (3.3) 和 (3.6) 式给出. 固定参数 $\omega_{1,0}=1, \omega_{2,0}=0,$$\omega_{1,1}=1,\beta\rightarrow0$, 正如图 2(a) 所示, 二阶畸形波展示出一个波峰和两个脊. 特别地, 随着参数 $\omega_{2,1}$ 变大, 二阶畸形波逐渐分解成三个一阶畸形波, 如图 2(b) 所示. 有趣的是, 当 $\beta\neq0$$\omega_{2,1}$ 选取一个足够大的数, 二阶畸形波能分解成四个一阶畸形波. 一阶畸形波与二阶畸形波相互作用的叠加可以说明在时空分布平面上可以出现四个畸形波的情况. 在图 3 中, 可以发现一个四瓣的畸形波和三个眼睛形状的畸形波可以共存, 与之前报道的四个眼睛形状的畸形波形成鲜明对比. 正如图 4 所示, 随着 $\beta$ 的递减, 中心四瓣畸形波的振幅会逐渐减小. 当 $\beta\rightarrow0$, 四瓣畸形波浪将会消失, 即从图 2图 4. 据我们所知, 类似的现象在聚焦 Kundu-Eckhaus 方程 (1.2) 中还从来没有报道过.

图 2

图 2   (网络版彩图) 当参数选取 $\omega_{1,0}=1, \omega_{2,0}=0,\omega_{1,1}=1,\beta\rightarrow0$.

(a) $\omega_{2,1}=0$;(b) $\omega_{2,1}=100$ 时, 方程 (1.2) 的二阶畸形波 (4.1)


图 3

图 3   (网络版彩图) 当参数选取$\omega_{1,0}=1, \omega_{2,0}=0,\omega_{1,1}=1,\beta=0.3$.

(a) $\omega_{2,1}=0$;(b) $\omega_{2,1}=200$ 时, 方程 (1.2) 的二阶畸形波 (4.1)


图 4

图 4   (网络版彩图) 当参数选取$\omega_{1,0}=1, \omega_{2,0}=0,\omega_{1,1}=1, \omega_{2,1}=1000$.

(a) $\beta=0.5$; (b) $\beta=0.3$; (c) $\beta=0.1$; (d) $\beta=0.05$ 时, 方程 (1.2) 的二阶畸形波 (4.1)


5 结论与展望

本文系统地研究了带有五次多项式和 Raman 效应非线性项的聚焦 Kundu-Eckhaus 方程 (1.2).通过结合 Darboux 变换和变量分离方法, 成功地导出了聚焦 Kundu-Eckhaus 方程 (1.2) 的高阶畸形波解.特别地, 通过图像详细讨论了一阶到二阶畸形波的动力学行为.虽然在这里仅展示了从一阶到二阶的畸形波解, 但可以用一种平行的方法来研究 $N$-阶畸形波解.这些结果可以帮助我们更好地理解五次非线性项和 Raman 效应对畸形波动态的影响.

${\bf注释 5.1}$ 通过接下来的变换

$\begin{equation}\label{CLO1} \Phi(x,t,\lambda)={\rm e}^{-{\rm i}\beta\int|q|^2dx\sigma_{3}}\Psi(x,t,\lambda), \end{equation}$

然后可得到矩阵函数 $\Phi(x,t,\lambda)$ 满足如下 Lax 对

$\begin{equation}\label{CLO2} \Phi_{x}=\widetilde{\textbf{U}}\Phi,~~\Phi_{x}=\widetilde{\textbf{V}}\Phi, \end{equation}$

另外, 矩阵函数 $\widetilde{\textbf{U}}$$\widetilde{\textbf{V}}$ 可表示为

$\begin{matrix}\label{CLO3} &&\widetilde{\textbf{U}}=e^{-{\rm i}\beta\int|q|^2{\rm d}x\sigma_{3}}\textbf{U}=-{\rm i}\lambda\sigma_{3}+\widetilde{Q}, \\ &&\widetilde{\textbf{V}}=e^{-{\rm i}\beta\int|q|^2{\rm d}x\sigma_{3}}\textbf{V}=-2{\rm i}\lambda^2\sigma_{3}+2\lambda\widetilde{Q} -{\rm i}\left(\widetilde{Q}^2+\widetilde{Q}_{x}\right)\sigma_{3}, \end{matrix}$

其中

$\begin{equation}\label{CLO4} \widetilde{Q}=\left(\begin{array}{cc} 0 & u \\ -u^{\ast} & 0 \\ \end{array} \right), \end{equation}$

从中可得到

$\begin{equation}\label{CLO5} q=u{\rm e}^{2{\rm i}\beta\int|u|^2dx}. \end{equation}$

似乎只考虑Lax对(5.2)来分析势函数 $u(x,t)$ 就可以从方程 $u(x,t)$ 中得到势函数 $q(x,t)$. 但是该工作不同于文献[43-44,46], 这里研究方程 (1.2) 的畸形波直接从Lax对(2.1)开始而不是 Lax 对(5.2), 这是该工作的创新点之一. 贯穿本文所有的计算中, 不需要解决复杂的积分算子.

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\n General high-order rogue waves in the nonlinear Schrödinger equation are derived by the bilinear method. These rogue waves are given in terms of determinants whose matrix elements have simple algebraic expressions. It is shown that the general\n N\n -th order rogue waves contain\n N\n −1 free irreducible complex parameters. In addition, the specific rogue waves obtained by Akhmediev\n et al.\n (Akhmediev\n et al.\n 2009\n Phys. Rev. E\n 80\n, 026601 (\n doi:10.1103/PhysRevE.80.026601\n )) correspond to special choices of these free parameters, and they have the highest peak amplitudes among all rogue waves of the same order. If other values of these free parameters are taken, however, these general rogue waves can exhibit other solution dynamics such as arrays of fundamental rogue waves arising at different times and spatial positions and forming interesting patterns.\n

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Lump solutionsto nonlinear partial differential equations via Hirota bilinear forms

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\n We construct an analytical and explicit representation of the Darboux transformation (DT) for the Kundu–Eckhaus (KE) equation. Such solution and\n n\n -fold DT\n T\n \n n\n \n are given in terms of determinants whose entries are expressed by the initial eigenfunctions and ‘seed’ solutions. Furthermore, the formulae for the higher order rogue wave (RW) solutions of the KE equation are also obtained by using the Taylor expansion with the use of degenerate eigenvalues\n \n \n \n λ\n \n 2\n k\n −\n 1\n \n \n →\n \n λ\n 1\n \n =\n −\n \n 1\n 2\n \n a\n +\n β\n \n c\n 2\n \n +\n i\n c\n \n \n,\n k\n =1,2,3,…, all these parameters will be defined latter. These solutions have a parameter\n β\n, which denotes the strength of the non-Kerr (quintic) nonlinear and the self-frequency shift effects. We apply the contour line method to obtain analytical formulae of the length and width for the first-order RW solution of the KE equation, and then use it to study the impact of the\n β\n on the RW solution. We observe two interesting results on localization characters of\n β\n, such that if\n β\n is increasing from\n a\n /2: (i) the length of the RW solution is increasing as well, but the width is decreasing; (ii) there exist a significant rotation of the RW along the clockwise direction. We also observe the oppositely varying trend if\n β\n is increasing to\n a\n /2. We define an area of the RW solution and find that this area associated with\n c\n =1 is invariant when\n a\n and\n β\n are changing.\n

Wang X, Yang B, Chen Y, Yang T Q.

Higher-order rogue wave solutions of the Kundu-Eckhaus equation

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The $n$-fold Darboux transformation for the Kundu-Eckhaus equation and dynamics of the smooth positon solutions

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