Loading [MathJax]/jax/output/HTML-CSS/jax.js

数学物理学报, 2024, 44(6): 1520-1536

新 (3+1) 维 KP 方程的退化解与相互作用解

郭艳凤,1,*, 崔静易,1, 肖海军,1, 张景军,2

1中国地质大学 (武汉) 数学与物理学院 武汉 430074

2嘉兴大学数据科学学院 浙江嘉兴 314001

Degeneration Behaviors of Solutions and Hybrid Solutions for the New (3+1)-Dimensional KP Equation

Guo Yanfeng,1,*, Cui Jingyi,1, Xiao Haijun,1, Zhang Jingjun,2

1School of Mathematics and Physics, China University of Geosciences, Wuhan 430074

2College of Data Science, Jiaxing University, Zhejiang Jiaxing 314001

通讯作者: *郭艳凤,Email: guoyan_feng@163.com

收稿日期: 2024-01-30   修回日期: 2024-04-29  

基金资助: 国家自然科学基金(11861013)
国家自然科学基金(11771183)
国家自然科学基金(12261053)
广西科技基地与人才专项(AD21238019)

Received: 2024-01-30   Revised: 2024-04-29  

Fund supported: NSFC(11861013)
NSFC(11771183)
NSFC(12261053)
Guangxi Science and Technology Base and Talent Special Project(AD21238019)

作者简介 About authors

崔静易,Email:cuijingyi@cug.edu.cn;

肖海军,Email:xiaohj@cug.edu.cn;

张景军,Email:zjj_math@aliyun.com

摘要

该文主要研究了由 Wazwaz 于 2022 年首次提出的新 (3+1) 维 KP 方程的非线性波解. 基于 Hirota 双线性形式, 利用模共振技术由N-孤子解得到 P-呼吸解. 然后, 利用参数极限法, 根据参数的特殊关系, 对同宿呼吸解和 N-孤子解进行退化得到了 Lump 解. 最后, 从 N-孤子解的部分退化出发, 研究了由呼吸解、孤子解和 Lump 解组成的相互作用解. 该文通过可视化图形展示了这些解的动力学特性.

关键词: (3+1) 维 KP 方程; P-呼吸解; 退化行为; Lump 解; 相互作用解

Abstract

We concentrate on the nonlinear wave solutions of the new (3+1)-dimensional KP equation, which was firstly proposed by Wazwaz in 2022. Based on the Hirota bilinear form, the P-breathing solutions are mainly obtained from the N-soliton solutions utilizing the module resonance technique. Then, using parameter limit approach, the Lump solutions are derived by degenerating behaviors of the homoclinic breathing solutions and N-soliton solutions on the basis of the special relations of parameters. In addition, from the partial degeneration of the N-soliton solutions, some hybrid solutions are investigated by the interaction solutions among the breathing, soliton and Lump solutions.

Keywords: New (3+1)-dimensional KP equation; P-Breathing solutions; Degeneration behaviors; Q-Lump solutions; Hybrid solutions

PDF (6402KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

郭艳凤, 崔静易, 肖海军, 张景军. 新 (3+1) 维 KP 方程的退化解与相互作用解[J]. 数学物理学报, 2024, 44(6): 1520-1536

Guo Yanfeng, Cui Jingyi, Xiao Haijun, Zhang Jingjun. Degeneration Behaviors of Solutions and Hybrid Solutions for the New (3+1)-Dimensional KP Equation[J]. Acta Mathematica Scientia, 2024, 44(6): 1520-1536

1 引言

非线性现象在物理、化学、地质等自然学科中广泛出现, 许多非线性现象都可以用非线性偏微分方程 (NLPDEs) 来描述[1-3]. 近年来, 越来越多的学者关注 NLPDEs 的非线性波解, 特别是孤子解[4,5]、Lump 解[6-8]、呼吸解[9,10]. 尤其是由上述几种非线性波组成的相互作用解[11-14] 逐渐成为 NLPDEs 研究的热点问题. 通过研究不同非线性波之间的相互作用, 可以更全面地了解和分析复杂非线性现象的本质. 基于 Hirota 双线性方法[15-17], 学者们提出了获得非线性波解的多种有效方法, 例如同宿测试法[18-20]、 参数极限法[21]、 模共振技术[22,23]等.

本文要研究的方程为如下的新 (3+1) 维 KP 方程[24]

(ut+6uux+uxxx)xλuyy+(αux+βuy+γuz)x=0,
(1.1)

其中 λ,α,β,γ 为任意非零常数. Wazwaz 在文献 [24] 中验证了方程 (1.1) 的完全可积性, 并给出了其孤子解和 Lump 解. 方程 (1.1) 是在经典 KP 方程

(ut+6uux+uxxx)xλuyy=0
(1.2)

的基础上添加三个线性项而得到的. 经典 KP 方程及其各种变形在等离子体和流体力学[25,26] 等领域都有着重要应用.

本文主要研究方程 (1.1) 的较为复杂的非线性波解. 第 2 节, 基于 Hirota 双线性形式, 利用模共振技术将 N-孤子解转化为 P-呼吸解. 文中以 N=2,4 为例, 给出了 1, 2-呼吸解的具体表达式. 以 1-呼吸解为例阐述了参数对解轨迹的影响. 第 3 节, 根据参数的特殊关系, 通过对同宿呼吸解和 N-孤子解进行退化, 得到了 Lump 解, 且用图形展示了高阶 Lump 解之间的传播轨迹. 第 4 节, 通过 N-孤子解的部分退化, 得到了由孤子、呼吸、Lump 组成的混合解. 第 5 节是对本文的总结与讨论. 本文的结果与文献 [24] 的结果相比, 解的类型更为丰富且更为复杂.

2 由 N-孤子解转化为 P-呼吸解

不失一般性, 在方程 (1.1) 中取 λ=α=β=γ=1. 通过如下的变换

u=2(lnH)xx,
(2.1)

得到了方程 (1.1) 的 Hirota 双线性形式

(DxDt+D4xD2y+D2x+DxDy+DxDz) HH=0.
(2.2)

将辅助函数 H(x,y,z,t) 设为

H=HN=δi=0,1exp(Ni=1δiξi+N1i<jKijδiδj),
(2.3)

其中 ξi=ωi(x+aiy+biz+cit)+di, ωi,ai,bi,ci 为任意非零实数, di 为任意实数, N 为正整数. 将 (2.3) 式带入 (2.4) 式, 得到参数间的关系如下

{ci=ω2i+a2iaibi1,exp(Kij)=3(ωiωj)2+(aiaj)23(ωi+ωj)2+(aiaj)2.
(2.4)

N 取不同的正整数时, 将 (2.3) 和 (2.4) 式带入 (2.1) 式, 可以得到方程 (1.1) 的 1-, 2-, ,N-孤子解.

若 (2.3) 式中的参数满足如下的模共振约束条件

{ω2p1=ω2p=ω2p1,1+iω2p1,2,a2p1=a2p=a2p1,1+ia2p1,2,b2p1=b2p=b2p1,1+ib2p1,2,d2p1=d2p=0, p=1,2,,P,P=N/2,
(2.5)

则 (2.3) 式转化为

H=H2P=δi=0,1exp(2Pi=1δiξi+2P1i<jKijδiδj),
(2.6)

其中

ξ2p1=ξ2p=ξ2p1,1+iξ2p1,2,ξ2p1,1=ω2p1,1x+(ω2p1,1a2p1,1ω2p1,2a2p1,2)y+(ω2p1,1b2p1,1ω2p1,2b2p1,2)z+[ω2p1,1(ω22p1,1+3ω22p1,2+a22p1,1a22p1,2a2p1,1b2p1,11)+ω2p1,2(2a2p1,1a2p1,2+a2p1,2+b2p1,2)]t,ξ2p1,2=ω2p1,2x+(ω2p1,1a2p1,2ω2p1,2a2p1,1)y+(ω2p1,1b2p1,2ω2p1,2b2p1,1)z+[ω2p1,1(3ω2p1,1ω2p1,2+2a2p1,1a2p1,2a2p1,2b2p1,2)+ω2p1,2×(ω22p1,2+2a22p1,1a22p1,2a2p1,1b2p1,11)]t.
(2.7)

将 (2.6) 式和 (2.7) 式带入 (2.2) 式, 即可得到目标方程的 P- 呼吸解. 下文以 N=2,4 为例给出 1-, 2-呼吸解的具体表达式.

例 Ⅰ P=1(N=2)

此时, 1-呼吸解为

u1=2(lnH2)xx=2[ln(1+2exp(ξ1,1)cos(ξ1,2)+exp(K12)exp(2ξ1,1))]xx=4[exp(K12)exp(3ξ1,1)+exp(ξ1,1)][(ω21,1ω21,2)cos(ξ1,2)2ω1,1ω1,2sin(ξ1,2)][1+2exp(ξ1,1)cos(ξ1,2)+exp(K12)exp(2ξ1,1)]2+8[exp(K12)ω21,1ω21,2]exp(2ξ1,1)[1+2exp(ξ1,1)cos(ξ1,2)+exp(K12)exp(2ξ1,1)]2,
(2.8)

其中

ξ1,1=ω1,1x+(ω1,1a1,1ω1,2a1,2)y+(ω1,1b1,1ω1,2b1,2)z+[ω1,1(ω21,1+3ω21,2+a21,1a21,2a1,1b1,11)+ω1,2(2a1,1a1,2+a1,2+b1,2)]t,
(2.9)
ξ1,2=ω1,2x+(ω1,1a1,2ω1,2a1,1)y+(ω1,1b1,2ω1,2b1,1)z+[ω1,1(3ω1,1ω1,2+2a1,1a1,2a1,2b1,2)+ω1,2(ω21,2+2a21,1a21,2a1,1b1,11)]t,
(2.10)
exp(K12)=3ω21,2+a21,2a21,23a21,1.
(2.11)

根据 (2.8) 式易知, ξ1,1 决定着 1-呼吸解的轨迹, ξ1,2 影响解的周期. 也就是说, 对于给定 t0, 在 (x,y) 平面上, 1-呼吸解的轨迹与 ω1,1ω1,1ω1,2 有关, 其周期由 ω1,2 以及 ω1,1a1,2ω1,2a1,1 决定. 通过赋予 ω1,1,ω1,2,a1,1a1,2 不同的值, 1-呼吸解展现出了三种不同的轨迹. 若取 ω1,1=0,ω1,2=a1,2=b1,1=b1,2=1,a1,1=0.6,

平行于 x 轴的 1-呼吸解如图1(a)1(d)所示; 若取

ω1,1=0.5,ω1,2=0.25,a1,1=b1,1=b1,2=1,a1,2=2,

图1

图1   (a) (d) 平行于 x-轴的 1-呼吸解; (b) (e) 平行于 y-轴的 1-呼吸解;(c) (f) 与斜率为 5/7 的直线平行的 1-呼吸解


平行于 y 轴的 1-呼吸解如图1(b)1(e)所示; 若取

ω1,1=0.5,ω1,2=a1,2=b1,1=b1,2=1,a1,1=0.6,

与斜率为 5/7 的直线平行的 1-呼吸解的轨迹如图1(c)1(f) 所示.

例Ⅱ P=2(N=4)

此时, 辅助函数 H4

H4=1+2exp(ξ1,1)cos(ξ1,2)+exp(K12)exp(2ξ1,1)+2exp(ξ3,1)cos(ξ3,2)+exp(K13)×exp(ξ1,1+ξ3,1)[cos(ξ1,2+ξ3,2)+isin(ξ1,2+ξ3,2)]+exp(K14)exp(ξ1,1+ξ3,1)×[cos(ξ1,2ξ3,2)+isin(ξ1,2ξ3,2)]+exp(K23)exp(ξ1,1+ξ3,1)[cos(ξ3,2ξ1,2)+isin(ξ3,2ξ1,2)]+exp(K24)exp(ξ1,1+ξ3,1)[cos(ξ1,2+ξ3,2)isin(ξ1,2+ξ3,2)]+exp(K34)exp(2ξ3,1)+exp(K12+K13+K23)exp(2ξ1,1+ξ3,1)[cos(ξ3,2)+isin(ξ3,2)]+exp(K12+K14+K24)exp(2ξ1,1+ξ3,1)[cos(ξ3,2)isin(ξ3,2)]+exp(K13+K14+K34)exp(ξ1,1+2ξ3,1)[cos(ξ1,2)+isin(ξ1,2)]+exp(K23+K24+K34)exp(ξ1,1+2ξ3,1)[cos(ξ1,2)isin(ξ1,2)]+exp(K12+K13+K14+K23+K24+K34)×exp[2(ξ1,1+ξ3,1)]
(2.12)

其中

ξi,1=ωi,1x+(ωi,1ai,1ωi,2ai,2)y+(ωi,1bi,1ωi,2bi,2)z+[ωi,1(ω2i,1+3ω2i,2+a2i,1a2i,2ai,1bi,11)+ωi,2(2ai,1ai,2+ai,2+bi,2)]t,ξi,2=ωi,2x+(ωi,1ai,2ωi,2ai,1)y+(ωi,1bi,2ωi,2bi,1)z+[ωi,1(3ωi,1ωi,2+2ai,1ai,2ai,2bi,2)+ωi,2(ω2i,2+2a2i,1a2i,2ai,1bi,11)]t,exp(Kmn)=3(ωmωn)2+(am+an)23(ωm+ωn)2+(am+an)2, i=1,3, m,n=1,2,3,4, m<n.

将 (2.12) 式带入 (2.1) 式, 且取

z=0,ω1,1=0.5,ω1,2=1,ω3,1=0.1,ω3,2=0.4,a1,1=0.6,a1,2=1,a3,1=0.3,a3,2=1.6,b1,1=b1,2=1,b3,1=0.25,b3,2=0.5,

2-呼吸解随时间的演化过程如图2 所示.

图2

图2   2-呼吸解随时间的演化过程 (a) t=10, (b) t=0, (c) t=10


3 Lump解

3.1 由同宿呼吸解退化为 Lump 解

根据文献 [18], 考虑将 H(x,y,z,t) 设为

H(x,y,z,t)=exp(ϕ1)+b2cos(ϕ2)+b1exp(ϕ1),
(3.1)

其中 ϕ1=k1(x+p1y+q1z+r1t),ϕ2=k1(x+p2y+q2z+r2t),ki,bi,pi,qi,ri(i=1,2) 为待定参数. 将 (3.1) 式带入 (2.3) 式, 求解得到如下参数间的关系

{b1=b22[12k21+(p1p2)2]4[12k21(p1+p2)2],q1=2k21+12(p21p22+2p1p2)p1r11,q2=2k2112(p21p222p1p2)p2r21.

同宿呼吸解为

u(x,y,z,t)=2k21[2b2sin(ϕ2)(b1exp(ϕ1)+k1exp(ϕ1))+exp(2ϕ1)(k211)][exp(ϕ1)+b2cos(ϕ2)+b1exp(ϕ1)]2+2k21(2b1k1+b22b1)[exp(ϕ1)+b2cos(ϕ2)+b1exp(ϕ1)]2,
(3.2)

其中

{ϕ1=k1(x+p1y+(2k21+12(p21p22+2p1p2)p1r11)z+r1t),ϕ2=k1(x+p2y+(2k2112(p21p222p1p2)p2r21)z+r2t).

k1=0.3,p1=r1=2,p2=0.5,b2=1.5,r2=1,z=t=0, 同宿呼吸解如图3(a) 所示. 为了从同宿呼吸解 u(x,y,z,t) 得到 Lump 解, 我们考虑令 k10,b2=2, 此时同宿呼吸解退化为

ˆu(x,y,z,t)=16(φ1φ2+12(p1p2)2)(φ21+φ22+24(p1p2)2)2,
(3.3)

图3

图3   (a) 同宿呼吸解; (b) Lump解


其中

φ1=x+p1y+(12(p21p22+2p1p2)p1r11)z+r1t,φ2=x+p2y+(12(p21p222p1p2)p2r21)z+r2t.

p1=r1=2,p2=0.5,r2=1,z=t=0, Lump 解如图3(a) 所示. 对比图形 3(a)3(b), Lump 波比呼吸波更为局域且展现出急速衰减的特点.

3.2 由 N-孤子解退化为 Q-Lump 解

若对 (2.3) 式应用参数极限法[23], 则 N-孤子解则可以退化为 Q-Lump 解 (Q=N/2). 即令 (2.3) 式中的 exp(di)=1,ωi0,ωi/ωj=O(1), (2.3) 式退化为

ˆHQ=Ni=1Θi+12Ni,jMijNli,jΘl+12!22Ni,j,r,sMijMsrNli,j,s,rΘl++1Q!2QNi,j,,m,nMMijMklMmnNpi,j,k,l,,m,nΘp+,
(3.4)

其中 Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t,Mij=12(aiaj)2. 若参数同时满足 ai+M=ai,bi+M=bi, 将 (3.4) 式带入 (2.1) 式即可得到方程的 Q-Lump 解.

例 Ⅰ Q=1(N=2)

此时, (3.4) 式为

^H1=Θ1Θ2+M12,
(3.5)

其中

Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t,M12=12(a1a2)2>0,i=1,2.

将 (3.5) 式带入 (2.1), 且取 a1=a2=a1,1+ia1,2,b1=b2=b1,1+ib1,2, 1-Lump 解为

u=4[(ˆx+a1,1ˆy+b1,1ˆz)2+(a1,2ˆy+b1,2ˆz)2+3a21,2][(ˆx+a1,1ˆy+b1,1ˆz)2+(a1,2ˆy+b1,2ˆz)2+3a21,2]2,
(3.6)

其中

ˆx=x+(a21,1a21,21)t,ˆy=y+(2a1,11)t,ˆz=zt.
(3.7)

由 (3.6) 式和 (3.7) 式易得 1-Lump 解得速度分量为

vx=a21,1+a21,2+1,vy=2a1,1+1,vz=1.
(3.8)

(x,y) 平面上, 1-Lump 解在点

((a21,1a1,2+a31,2a1,1b1,2+a1,2b1,1+a1,2)ta1,2,(2a1,1a1,2a1,2b1,2)ta1,2) 处达到最大值 4a2123, 在点((a21,1a1,2+a31,2a1,1b1,2+a1,2b1,1+a1,2)t0±3a1,2,(2a1,1a1,2a1,2b1,2)t0a1,2)

处达到最小值 a2126.a1,1=a1,2=b1,2=1,b1,1=2,z=0,t=0, 1-Lump 解的可视化图形如图4(a) 所示.

图4

图4   (a) 1-Lump 解; (b) 2-Lump 解; (c) 3-Lump 解


例Ⅱ Q=2(N=4)

2-Lump 解的辅助函数 ^H2

^H2=Θ1Θ2Θ3Θ4+M12Θ3Θ4+M13Θ2Θ4+M14Θ2Θ3+M23Θ1Θ4+M24Θ1Θ3+M34Θ1Θ2+M12M34+M13M24+M14M23,
(3.9)

其中

Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t,Mij=12(aiaj)2>0,i,j=1,2,3,4,i<j.

a1=a3=1+i,a2=a4=0.5+2i,b1=b3=2+i,b2=b4=1+1.5i,z=0,t=0,

2-Lump 解如图4(b) 所示.

例ⅢQ=3(N=6)

N=6 时, 由于 3-Lump 解的辅助函数的式子过长, 就不再具体展示. 令

a1=a4=1.5+1.5i, a2=a5=1.1+2i, a3=a6=0.7+2.5i, b1=b4=2+i,b2=b5=1+1.5i, b3=b6=0.3+i, z=0, t=0,

3-Lump 解如图4(c) 所示.

观察图4可以发现, 1-Lump 解沿着 “直线” 向四周传播, 其在传播时, 形状、振幅不发生改变. 但是在 2-Lump 解、3-Lump 解中, 我们观察到, 只有在 Lump 波的边缘地带是沿 “直线” 传播的, 在 Lump 波中间交会的地方, 其传播方式变得 “弯曲”, 形状发生了改变. 这是由于在 Lump 波的内侧, 能量进行了转换从而引发了它们形状的变化. 这种情况在现实中可能会引起类似海啸、地震等灾难现象.

4 相互作用解

4.1 由 P-呼吸和 R-孤子组成的相互作用解

如果 (2.3) 式中的参数满足

N=2P+R,ω2p1=ω2p,a2p1=a2p,b2p1=b2p,d2p1=d2p=0,ω2P+r=ω2P+ra2P+r=a2P+r,b2P+r=b2P+r,1pP,1rR,
(4.1)

其中 p,r,P,R 任意正整数, 表示共轭复数, 就可以得到由 P-呼吸与 R-孤子组成的相互作用解.

例Ⅰ N=3(P=1,R=1)

此时, H3

H3= 1+2exp(ξ1,1)cos(ξ1,2)+exp(K12)exp(2ξ1,1)+exp(ξ3)+exp(K13)exp(ξ1,1+ξ3)[cos(ξ1,2)+isin(ξ1,2)]+exp(K23)exp(ξ1,1+ξ3)[cos(ξ1,2)isin(ξ1,2)]+exp(K12+K13+K23)exp(2ξ1,1+ξ3),
(4.2)

其中

ξ1,1= ω1,1x+(ω1,1a1,1ω1,2a1,2)y+(ω1,1b1,1ω1,2b1,2)z+[ω1,1(ω21,1+3ω21,2+a21,1a21,2a1,1b1,11)+ω1,2(2a1,1a1,2+a1,2+b1,2)]t,ξ1,2= ω1,2x+(ω1,1a1,2ω1,2a1,1)y+(ω1,1b1,2ω1,2b1,1)z+[ω1,1(3ω1,1ω1,2+2a1,1a1,2a1,2b1,2)+ω1,2(ω21,2+2a21,1a21,2a1,1b1,11)]t,ξ3= ω3(x+a3y+b3z+(ω23+a23a3b31)t)+d3,exp(Kij)=3(ωiωj)2+(aiaj)23(ωi+ωj)2+(aiaj)2, i,j=1,2,3,i<j.

将 (4.2) 式带入 (2.3) 式且取 ω1,1=0.5,ω1,2=a1,2=b1,1=b1,2=b3=1,a1,1=0.6,ω3=1,a3=2,z=0, 1-呼吸与 1- 孤子的相互作用情况如图5 所示.

图5

图5   1-呼吸与 1-孤子的相互作用过程 (a) t=20 (b) t=0 (c) t=20


例Ⅱ N=4(P=1,R=2)

N=4 时, 将 (4.1) 式先后带入 (2.3) 式和 (2.1) 式, 且令

ω1,1=0.5,ω1,2=a1,2=b1,1=b1,2=1,a1,1=0.6,ω3=1,ω4=0.5,a3=2,a4=0.5,b3=1.5,b4=3,z=0,

1-呼吸与 2-孤子组成的混合解如图6 所示.

图6

图6   1-呼吸与 2-孤子组成的混合解 (a) t=5, (b) t=0, (c) t=5


例Ⅲ N=5(P=2,R=1)

同样地, 令

ω1,1=0.5,ω1,2=a1,2=b1,1=b1,2=b5=1,ω3,1=0.1,ω3,2=0.4,a1,1=0.6a3,1=0.3,a3,2=1.6,b3,1=0.25,b3,2=0.5ω5=0.7,a5=1.5,z=0

2-呼吸与 1-孤子随时间的动力学行为如图7 所示.

图7

图7   2-呼吸与 1-孤子随时间的动力学行为 (a) t=5, (b) t=0, (c) t=5


4.2 由 Q-Lump 和 R-孤子组成的相互作用解

为构造出新 (3+1) 维 KP 方程的 Q-Lump 与 R-孤子组成的相互作用解, 我们对 (2.3) 式添加如下的约束条件

N=2Q+R,ω2q1,ω2q0,aq=aQ+q,bq=bQ+q,exp(d2q1)=exp(d2q)=1,ω2Q+r=ω2Q+r,a2Q+r=a2P+r,b2Q+r=b2Q+r,1qQ,1rR.
(4.3)

例ⅠN=3(Q=1,R=1)

1-Lump 与 1-孤子组成的相互作用解的辅助函数 H3

H3=Θ1Θ2+M12+exp(ξ3)[M12+(L13+Θ1)(L23+Θ2)],
(4.4)

其中

Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t,ξ3=ω3(x+a3y+b3z+(ω23+a23a3b31)t)+d3, M12=12(a1a2)2, Li3=12ω3(aia3)2+3ω23, i=1,2.

a1=a2=1+i,b1=b2=2+i,ω3=1,a3=2,b3=0.5,d3=z=0,

1-Lump 与 1-孤子的相互作用过程如图8 所示.

图8

图8   1-Lump 与 1-孤子组成的相互作用解随时间的演化过程 (a) t=4, (b) t=0, (c) t=4


例Ⅱ N=4(Q=1,R=2)

此时, 辅助函数 H4 的表达式为

H4=Θ1Θ2+M12+exp(ξ3)[M12+(L13+Θ1)(L23+Θ2)]+exp(ξ4)[M12+(L14+Θ1)×(L24+Θ2)]+exp(ξ3+ξ4)exp(K34)[M12+(L13+L14+Θ1)(L23+L24+Θ2)],
(4.5)

其中

Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t, exp(K34)=3(ω3ω4)2+(a3a4)23(ω3+ω4)2+(a3a4)2,ξj=ωj(x+ajy+bjz+(ω2j+a2jajbj1)t)+dj, M12=12(a1a2)2, Lij=12ωj(aiaj)2+3ω2j, i=1,2,j=3,4.

a1=a2=1+i,b1=b2=0.5+0.5i,ω3=1,ω4=0.7,a3=2,a4=b3=0.5,b4=1,d3=d4=z=0,

1-Lump 与 2-孤子的随时间的演化过程如图9 所示.

图9

图9   1-Lump 与 2-孤子组成的相互作用解随时间的演化过程 (a) t=8, (b) t=0, (c) t=8


例Ⅲ N=5(Q=2,R=1)

N=5(Q=2,R=1) 时, 2-Lump 与 1-孤子的组成的相互作用解的辅助函数 H5

H5= Θ1Θ2Θ3Θ4+Ξ+exp(ξ5)[Ξ+M12L35L45+M13L25L45+M14L25L35+M23L15L45+M24L15L35+M34L15L25+(L15+Θ1)(L25+Θ2)(L35+Θ3)(L45+Θ4)+Θ1(M23L45+M24L35+M34L25)+Θ2(M13L45+M14L35+M34L15)+Θ3(M12L45+M14L25+M24L15)+Θ1(M12L35+M13L25+M23L15)],
(4.6)

其中

Ξ=M12Θ3Θ4+M13Θ2Θ4+M14Θ2Θ3+M23Θ1Θ4+M24Θ1Θ3+M34Θ1Θ2+M12M34+M13M24+M14M23, Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t,ξ5=ω5(x+a5y+b5z+(ω25+a25a5b51)t)+d5,Mij=12(aiaj)2, Li5=12ω5(aia5)2+3ω25, i,j=1,2,3,4,i<j.

a1=a3=1+i,b1=b3=2+i,a2=a4=0.5+2i,b2=b4=1+1.5i,ω5=1,a5=2,b5=0.5,d5=z=0,

该相互作用过程如图10 所示.

图10

图10   2-Lump 与 1-孤子组成的相互作用解 (a) t=3, (b) t=0, (c) t=3


4.3 由 Q-Lump 和 P-呼吸组成的相互作用解

若 (2.3) 式中的参数满足如下的约束条件

N=2Q+2P,ω2q1,ω2q0,aq=aQ+q,bq=bQ+q,exp(d2q1)=exp(d2q)=1ω2Q+2p1=ω2Q+2p,a2Q+2p1=a2Q+2p,b2Q+2p1=b2Q+2p,d2Q+2p1=d2Q+2p=01qQ,1pP
(4.7)

可以得到目标方程的由 Q-Lump 和 P-呼吸组成的相互作用解.

例Ⅰ N=4(Q=1,P=1)

此情形下, (2.3) 式变为

H4=Θ1Θ2+M12+exp(ξ3,1)[M12+(L13+Θ1)(L23+Θ2)][cos(ξ3,2)+isin(ξ3,2)]+exp(ξ3,1)[M12+(L14+Θ1)(L24+Θ2)][cos(ξ3,2)isin(ξ3,2)]+exp(2ξ3,1)exp(K34)[M12+(L13+L14+Θ1)(L23+L24+Θ2)],
(4.8)

其中

Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t, M12=12(a1a2)2, Lij=12ωj(aiaj)2+3ω2j,ξ3,1=ω3,1x+(ω3,1a3,1ω3,2a3,2)y+(ω3,1b3,1ω3,2b3,2)z+[ω3,1(ω23,1+3ω23,2+a23,1a23,2a3,1b3,11)+ω3,2(2a3,1a3,2+a3,2+b3,2)]t,ξ3,2=ω3,2x+(ω3,1a3,2ω3,2a3,1)y+(ω3,1b3,2ω3,2b3,1)z+[ω3,1(3ω3,1ω3,2+2a3,1a3,2a3,2b3,2)+ω3,2(ω23,2+2a23,1a23,2a3,1b3,11)]t,exp(K34)=3(ω3ω4)2+(a3a4)23(ω3+ω4)2+(a3a4)2, i=1,2,j=3,4,i<j.

a1=a2=1+i,b1=b2=0.5+0.5i,ω3=ω4=0.5+i,a3=a4=0.6+1.5i,b3=b4=1+i,z=0,

1-Lump 与 1-呼吸随时间的弹性碰撞过程如图11所示.

图11

图11   1-Lump 与 1-呼吸组成的相互作用解 (a) t=10, (b) t=0, (c) t=10


例Ⅱ N=6(Q=2,P=1)

N=6(Q=2,P=1) 时, 将 (4.7) 式先后带入 (2.3) 式和 (2.1) 式, 可得到 2-Lump 和 1- 呼吸组成的相互作用解. 取

a1=a3=1.5+1.5i,b1=b3=2+i,a2=a4=1.1+2i,b2=b4=1+1.5i,ω3=ω4=0.8+1.7i,a3=a4=0.6+2i,b3=b4=1+i,z=0,t=2,

该相互作用解如图12(a) 所示.

图12

图12   (a) 2-Lump 与 1-呼吸组成的相互作用解; (b) 1-Lump 与 2-呼吸组成的相互作用解


例Ⅲ N=6(Q=1,P=2)

同样地, 当 N=6(Q=1,P=2) 时, 取

a1=a2=0.5+2i,b1=b2=1+1.5i,ω3=ω4=1+0.9i,a3=a4=2+1.5i,b3=b4=0.6i,ω5=ω6=0.9+1.2i,a5=a5=1+1.8i,b3=b4=1.3+0.8i,z=0,t=2,

1-Lump与 2-呼吸组成的相互作用解如图12(b) 所示.

4.4 由 Q-Lump, P-呼吸和 R-孤子组成的混合解

若对 (2.3) 式施加下列的约束条件

N=2Q+2P+R,ω2q1,ω2q0,aq=aQ+q,bq=bQ+q,exp(d2q1)=exp(d2q)=1ξ2Q+2p1=ξ2Q+2p,d2Q+2p1=d2Q+2p=0,ω2P+2Q+r=ω2P+2Q+r,a2P+2Q+r=a2P+2Q+r,b2P+2Q+r=b2P+2Q+r,1qQ,1pP,1rR.
(4.9)

则可以得到方程 (1.1) 的由 Q-Lump、P-呼吸与 R-孤子这三种基本解组成的混合解.

例Ⅰ N=5(Q=1,P=1,R=1)

1-Lump、1-呼吸与 1-孤子组成的混合解的辅助函数 H5

H5=Θ1Θ2+M12+exp(ξ3,1)[M12+(L13+Θ1)(L23+Θ2)][cos(ξ3,2)+isin(ξ3,2)]+exp(ξ3,1)[M12+(L14+Θ1)(L24+Θ2)][cos(ξ3,2)isin(ξ3,2)]+exp(ξ5)[M12+(L15+Θ1)(L25+Θ2)]+exp(2ξ3,1)exp(K34)[M12+(L13+L14+Θ1)(L23+L24+Θ2)]+exp(ξ3,1+ξ5)exp(K35)[M12+(L13+L15+Θ1)(L23+L25+Θ2)][cos(ξ3,2)+isin(ξ3,2)]+exp(ξ3,1+ξ5)exp(K45)[M12+(L14+L15+Θ1)(L24+L25+Θ2)]×[cos(ξ3,2)isin(ξ3,2)]+exp(2ξ3,1+ξ5)exp(K34+K35+K45)[M12+(L13+L14+L15+Θ1)(L23+L24+L25+Θ2)],
(4.10)

其中

Θi=x+aiy+biz+(a2iaibi1)t, M12=12(a1a2)2, Lij=12ωj(aiaj)2+3ω2j,ξ3,1=ω3,1x+(ω3,1a3,1ω3,2a3,2)y+(ω3,1b3,1ω3,2b3,2)z+[ω3,1(ω23,1+3ω23,2+a23,1a23,2a3,1b3,11)+ω3,2(2a3,1a3,2+a3,2+b3,2)]t,ξ3,2=ω3,2x+(ω3,1a3,2ω3,2a3,1)y+(ω3,1b3,2ω3,2b3,1)z+[ω3,1(3ω3,1ω3,2+2a3,1a3,2a3,2b3,2)+ω3,2(ω23,2+2a23,1a23,2a3,1b3,11)]t,ξ5=ω5(x+a5y+b5z+(ω25+a25a5b51)t)+d5,exp(Kmn)=3(ωmωn)2+(aman)23(ωm+ωn)2+(aman)2,i=1,2,j=3,4,5,i<j, m,n=3,4,5,m<n.

a1=a2=1.5+2i,b1=b2=0.5+1.5i,ω3,1=0.5,ω3,2=1,a3,1=0.6,a3,2=1.5,b3,1=b3,2=ω5=1,a5=2,b5=0.5,d5=z=0,

该相互作用过程如图13 所示.

图13

图13   1-Lump、1-呼吸与 1-孤子组成的混合解 (a)(d) t=15; (b)(e) t=0; (c)(f) t=15


例Ⅱ N=6(Q=1,P=1,R=2)

N=6(Q=1,P=1,R=2) 时, 令

a1=a2=1.5+2i,b1=b2=0.5+1.5i,ω3,1=0.5,ω3,2=1,a3,1=0.6,a3,2=1.5,b3,1=b3,2=ω5=1,ω6=0.7,a5=2,a6=3,b5=0.5,b6=1,d5=d6=z=0,

1-Lump、1-呼吸与 2-孤子的动力学行为如图14 所示.

图14

图14   1-Lump、1-呼吸与 2-孤子组成的混合解 (a)(d) t=15; (b)(e) t=0; (c)(f) t=15


5 总结

本文得到了方程 (1.1) 的不同类型的非线性波解, 例如 N-孤子解、 P-呼吸解、 Q-Lump 解和相互作用解. 首先, 基于 Hirota 双线性形式得到了 N-孤子解, 这是下文构造 P-呼吸解、 Q-Lump 解和相互作用解的基础. 其次, 通过模共振技术, 由 N 孤子解转化得到 P-呼吸解. 1-, 2-呼吸解的可视化图形如图12 所示. 图1(a)-1(f) 也清楚地显示了参数对1-呼吸解轨迹的影响. 然后, 本文通过两种途径得到了 Lump 解. 第一种途径是由同宿测试法获得的同宿呼吸解进行退化得到的 Lump 解 (图3(b)). 第二种途径是由 N-孤子解的完全退化得到了 Q-Lump 解. 1-, 2-和 3-Lump 解如图4 所示. 同时, 我们还发现在高阶 Lump 解之间会发生非弹性碰撞 (Q2). 这种非弹性碰撞在现实中可能导致地震、海啸等自然灾害. 比较这两种方法, 第一种方法只能产生最简单的 Lump 解, 而第二种方法可以产生更复杂的 2 阶、3 阶乃至高阶 Lump 解.

最后, 通过 N-孤子解的部分退化, 推导出了多种混合解. 例如, 若部分参数满足模共振条件, 则可以得到了由 P-呼吸与 R-孤子组成的相互作用解. 1-呼吸与 1-孤子、1-呼吸与 2-孤子、2-呼吸与 1-孤子的相互作用过程分别如图5-7 所示. 若部分参数取极限, 则可以得到由 Q-Lump 与 R-孤子组成的相互作用解. 图8-10 展示了 1-Lump 与 1-孤子、1-Lump 与 2-孤子和 2-Lump 与 1- 孤子的动力学行为. 如果部分参数取极限, 其余参数取复共轭, 则可以得到由 Q-Lump 和 P-呼吸组成的相互作用解. 图11-12 分别展示的是由 1-Lump 与 1-呼吸、2-Lump 与 1-呼吸、1-Lump 与 2-呼吸组成的相互作用解. 此外, 图13-14 展示的是由 1-Lump、1-呼吸与 1-孤子和 1-Lump、1-呼吸与 2-孤子组成的 ``三'' 混合解. 本文研究的方法和结果与文献 [24] 有所不同, 且得到了具有复杂性质的相互作用解. 这些解在海洋工程和流体力学等领域具有重要的应用价值.

基于 Hirota 双线性方法[15-17], 可通过同宿测试法[18-20]、三波法[9,19] 和基于 N-孤子解的模共振方法[22,23] 等多种方法得到非线性可积系统的呼吸波解. Lump 解也可以通过多种方法获得, 例如正二次函数法[27,28], 基于 N-孤子解和同宿呼吸解的参数极限法[11-13,21]. 此外, 也可以通过不同的方式获得备受学者关注的混合解. 例如, 通过 N-孤子解的部分退化[9,11-13]或将测试函数设置为正二次函数、指数函数和周期函数的组合[8,29] 的方法, 得到由呼吸、Lump 和孤子组成的混合解. 除了 Hirota 双线性方法外, Darboux 变换[30], Bäcklund 变换[18] 和 Wronskian 行列式[31]也常用于精确解的研究. 近年来, 无限多个李对称和守恒量的多分量可积方程[32,33] 的孤子解引起了人们的广泛关注. 本文所采用的方法可能有助于解决这一问题, 但具体应用还需进一步研究.

参考文献

Hirota R.

Exact solution of the Korteweg-de vries equation for multiple collisions of solitons

Phys Rev Lett, 1971, 27(18): 1192-1194

[本文引用: 1]

Staruszkiewicz A.

A nonlinear modification of the Schrödinger equation

Acta Phys Pol B, 1983, 14(12): 907-909

[本文引用: 1]

Wazwaz A M.

Painlevé analysis for new (3+1)-dimensional Boiti-Leon-Manna-Pempinelli equations with constant and time-dependent coefficients

Int J Numer Methods Heat Fluid Flow, 2020, 30(9): 4259-4266

[本文引用: 1]

Zhao Z H, Dai Z D, Wang C J.

Extend three-wave method for the (1+2)-dimensional Ito equation

Appl Math Comput, 2010, 217(5): 2295-2300

[本文引用: 1]

Wazwaz A M.

Integrable (3+1)-dimensional Ito equation: variety of lump solutions and multiple-soliton solutions

Nonlinear Dyn, 2022, 109(3): 1929-1934

[本文引用: 1]

Ma W X.

Lump solutions to the Kadomtsev-Petviashvili equation

Phys Lett A, 2015, 379(36): 1975-1978

[本文引用: 1]

Chen S J, X.

Lump and lump-multi-kink solutions in the (3+1)-dimensions

Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 2022, 109: 106103

[本文引用: 1]

Seadawy A R, Ahmed S, Rizvi S T, Ali K.

Various forms of lumps and interaction solutions to generalized Vakhnenko Parkes equation arising from high-frequency wave propagation in electromagnetic physics

J Geom Phys, 2022, 176: 104507

[本文引用: 2]

Tan W, Dai Z D, Yin Z Y.

Dynamics of multi-breathers, N-solitons and M-lump solutions in the (2+1)-dimensional KdV equation

Nonlinear Dyn, 2019, 96(2): 1605-1614

[本文引用: 3]

Wang H, Wang Y.

Breather waves, rogue waves and complexiton solutions for a Zakharov-Kuznetsov equation

J Geom Phys, 2021, 167: 104286

[本文引用: 1]

Li L X.

Degeneration of solitons for a (3+1)-dimensional generalized nonlinear evolution equation for shallow water waves

Nonlinear Dyn, 2022, 108(2): 1627-1640

[本文引用: 3]

Zhao Z L, He L C.

M-lump,high-order breather solutions and interaction dynamics of a generalized (2+1)-dimensional nonlinear wave equation

Nonlinear Dyn, 2020, 100(3): 2753-2765

[本文引用: 3]

Li L X, Dai Z D, Cheng B T.

Degeneration of N-soliton solutions for a (3+1)-dimensional nonlinear model in shallow water waves

Nonlinear Dyn, 2023, 111(2): 1667-1683

[本文引用: 3]

Zhou X, Ilhan O A, Manafian J, et al.

N-lump and interaction solutions of localized waves to the (2+1)-dimensional generalized KDKK equation

J Geom Phys, 2021, 168: 104312

[本文引用: 1]

Hirota R.

Exact envelope-soliton solutions of a nonlinear wave equation

J Math Phys, 1973, 14(7): 805-809

[本文引用: 2]

Cui J Y, Li D L, Zhang T F.

Symmetry reduction and exact solutions of the (3+1)-dimensional nKdV-nCBS equation

Appl Math Lett, 2023, 144: 108718

[本文引用: 2]

Ma W X.

N-soliton solutions and the Hirota conditions in (2+1)-dimensions

Opt Quant Electron, 2020, 52(12): Article 511

[本文引用: 2]

Zhao X, Tian B, Du X X, et al.

Bilinear Bäcklund transformation, kink and breather-wave solutions for a generalized (2+1)-dimensional Hirota-Satsuma-Ito equation in fluid mechanics

Eur Phys J Plus, 2021, 136(2): 1-9

[本文引用: 4]

Chen X, Guo Y F, Zhang T F.

Some new kink type solutions for the new (3+1)-dimensional Boiti-Leon-Manna-Pempinelli equation

Nonlinear Dyn, 2023, 111(1): 683-695

[本文引用: 3]

Sulaiman T A, Yusuf A, Abdeljabbar A, Alquran M.

Dynamics of lump collision phenomena to the (3+1)-dimensional nonlinear evolution equation

J Geom Phys, 2021, 169: 104347

[本文引用: 2]

Guo Y F, Dai Z D, Guo C X.

Lump solutions and interaction solutions for (2+1)-dimensional KPI equation

Front Math China, 2022, 17(5): 875-886

[本文引用: 2]

Ma H C, Chen Q X, Deng A P.

Soliton molecules and some novel hybrid solutions for the (2+1)-dimensional generalized Konopelchenko-Dubrovsky-Kaup-Kupershmidt equation

Commun Theor Phys, 2020, 72(9): 095001

[本文引用: 2]

Zhang W J, Xia T C.

Solitary wave, M-lump and localized interaction solutions to the (4+1)-dimensional Fokas equation

Phys Scr, 2020, 95(4): 045217

[本文引用: 3]

Wazwaz A M, Alatawi N S, Albalawi W, El-Tantawy S A.

Painlevé analysis for a new (3+1)-dimensional KP equation: Multiple-soliton and lump solutions

Euro Phys Lett, 2022, 140(5): 52002

[本文引用: 4]

Ahmad S, Khan S A, Hadi F.

Damped Kadomtsev-Petviashvili equation for weakly dissipative solitons in dense relativistic degenerate plasmas

Commun Theor Phys, 2017, 68(6): 783

[本文引用: 1]

Fogaca D A, Navarra F S, Ferreira Filho L G.

Kadomtsev-Petviashvili equation in relativistic fluid dynamics

Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 2013, 18(2): 221-235

[本文引用: 1]

Ma W X, Batwa S, Manukure S.

Dispersion-managed lump waves in a spatial symmetric KP model

E Asian J Appl Math, 2023, 13(2): 246-256

[本文引用: 1]

Ma W X.

Lump waves in a spatial symmetric nonlinear dispersive wave model in (2+1)-dimensions

Mathematics, 2023, 11(22): 4664

[本文引用: 1]

Wang H.

Lump and interaction solutions to the (2+1)-dimensional Burgers equation

Appl Math Lett, 2018, 85: 27-34

[本文引用: 1]

Ma W X.

A novel kind of reduced integrable matrix mKdV equations and their binary Darboux transformations

Mod Phys Lett B, 2022, 36(20): 2250094

[本文引用: 1]

Ma W X.

Linear superposition of Wronskian rational solutions to the KdV equation

Commun Theor Phys, 2021, 73(6): 065001

[本文引用: 1]

Ma W X.

Four-component integrable hierarchies of Hamiltonian equations with (m+n+2)th-order Lax pairs

Theor Math Phys, 2023, 216(2): 1180-1188

[本文引用: 1]

Ma W X.

Novel Liouville integrable Hamiltonian models with six components and three signs

Chin J Phys, 2023, 86: 292-299

[本文引用: 1]

/