(2+1)維ZK方程的孤立波解和周期波解

康曉蓉 鮮大權(quán)

(西南科技大學(xué)理學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010)

本文考慮如下形式的(2+1)維 Zakharov－Kuznetsov(ZK)方程:

其中 α，β，γ為非零實(shí)數(shù)。1974年，Zakharov和Kuznetsov從含有冷離子和熱等溫電子的磁化等離子體中推導(dǎo)出了該模型方程。它作為與波動(dòng)現(xiàn)象密切相關(guān)的非線(xiàn)性方程，既可用于描述水波在(2+1)維空間的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，也可用于描述處于磁場(chǎng)中的等離子體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。早在20世紀(jì)90年代，Shivamoggi B.K.利用 Painleve測(cè)試法對(duì)它作了研究［1］。近年來(lái)，該方程引起了更多物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家的關(guān)注。閆振亞等用擬設(shè)法得到了組合的(2+1)維ZK方程的鐘狀與扭狀組合型孤波解和周期孤波解［2］;Mou S.S.A.通過(guò)相似約化獲得了(1)式的一些顯式解［3］;Abdul－Majid Wazwaz采用 sin－cos法和擴(kuò)展tanh法得到了2個(gè)修正形式周期孤子解和周期解［4－5］;石玉仁等用同倫分析法得到修正的方程(1)的一些近似精確解［6］;閆志蓮等利用改進(jìn)直接法給出了廣義(2+1)維ZK方程的對(duì)稱(chēng)和新舊顯式解間的關(guān)系［7］;鄧朝方應(yīng)用新的擴(kuò)展雙曲函數(shù)法，得到了方程(1)的若干周期波解［8］;楊征等用改進(jìn)Riccati方程映射法得到了特殊孤子解結(jié)構(gòu)［9］。但方程(1)的可積性?xún)?nèi)涵豐富［10］，其不同的解結(jié)構(gòu)表達(dá)了不同的物理意義。

本文應(yīng)用微分動(dòng)力系統(tǒng)定性理論對(duì)方程(1)進(jìn)行定性分析，并運(yùn)用橢圓方程映射法尋求相應(yīng)解的顯式表達(dá)。

1 定性分析

取波變換:

其中k1，k2，c1為待定非零常數(shù)，k1，k2分別是行波在x，y方向的波數(shù)，c1為波速，c0是式(1)的常數(shù)特解。將式(2)代入方程(1)得:

其中v'=dv/dξ，(3)式對(duì)ξ積分一次，取積分常數(shù)為A得:

記dv/dξ=w(ξ)，則非線(xiàn)性常微分方程(4)等價(jià)于以下自治動(dòng)力系統(tǒng):

系統(tǒng)(5)有兩個(gè)平衡點(diǎn):

在平衡點(diǎn)處(5)式右邊的Jacobi矩陣分別為:

其特征根分別為:

當(dāng)(αk1c0－c1)2－αk1A＞0時(shí)，λi(i=1，2)或?yàn)閮刹坏葘?shí)數(shù)，或?yàn)閮晒曹椉兲摳４藭r(shí)平衡點(diǎn)P1，P2或?yàn)榘包c(diǎn)或?yàn)橹行狞c(diǎn)，且P1為鞍點(diǎn)時(shí)P2必為中心點(diǎn)，P1為中心點(diǎn)時(shí)P2必為鞍點(diǎn)。當(dāng)(αk1c0－c1)2－αk1A＜0時(shí)，λi(i=1，2)為兩共軛復(fù)根。這時(shí)的平衡點(diǎn)P1，P2或?yàn)榻裹c(diǎn)或?yàn)橹行狞c(diǎn)。

由(5)式可知，系統(tǒng)在相平面(w，v)上的相軌線(xiàn)滿(mǎn)足:

綜上分析可得，系統(tǒng)(4)存在鞍－鞍同宿軌和圍繞中心的周期閉軌。方程(1)相應(yīng)地存在孤立波解和周期波解［11］。

2 孤立波解和周期波解

式(4)兩邊乘以v'后再對(duì)ξ積分一次，取積分常數(shù)為B得:

這是廣義的常系數(shù)三次橢圓方程，下面用橢圓方程映射法和Jacobi橢圓函數(shù)展開(kāi)法兩個(gè)方法尋求式(8)的解。

2.1 橢圓方程映射法

依據(jù)文獻(xiàn)［12］的相關(guān)結(jié)果得式(9)的解及式(1)的相應(yīng)解。

2.1.1 孤立波解

當(dāng)A=B=0，α，k1∈R－ {0}，(αk1c0－c1)τ＞0時(shí)，(9)的解是:

ξ→ ±∞?v1→0，因此這是從鞍點(diǎn)P1=(0，0)出發(fā)又回到P1的同宿軌。相應(yīng)獲得(1)的孤立波解為:

2.1.2 周期波解

(1)Weierstyass橢圓函數(shù)周期波解。

當(dāng)A，B∈R，αk1τ＞0，αk1c0－c1∈R時(shí)，

相應(yīng)獲得(1)的周期波解為:

有理函數(shù)解為:

(2)正割函數(shù)周期波解。

當(dāng)A=B=0，α，k1∈R－{0}，(αk1c0－c1)τ＜0 時(shí)，

這也是圍繞中心點(diǎn)的閉軌。式(1)的相應(yīng)周期波解為:

2.2 Jacobi橢圓函數(shù)展開(kāi)法

(1)假設(shè)(17)的解為:

其中sn=sn(ξ，m)是以m∈［0，1］為模的 Jacobi橢圓正弦函數(shù)，將(18)式代入(17)式得關(guān)于待定參數(shù)a0，a1，a2，A，B的非線(xiàn)性代數(shù)方程組如下:

這是圍繞中心的閉軌。當(dāng)m→1時(shí)

相應(yīng)獲得式(1)的周期波解:

孤子解:

(2)假設(shè)(17)的解為:

其中cn=cn(ξ，m)是以m∈［0，1］模的 Jacobi橢圓余弦函數(shù)，將(24)式代入(17)式得關(guān)于待定參數(shù)a0，a1，a2，A，B的非線(xiàn)性代數(shù)方程組如下(式(25)):

(25)的解是:

因此得式(8)的解:

這是圍繞中心的閉軌。當(dāng)m→1時(shí)

相應(yīng)獲得式(1)的周期波解:

鐘狀孤立波解:

3 結(jié)論

本文應(yīng)用行波變換將(2+1)維ZK方程化成了非線(xiàn)性常微分方程，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)定性分析，并運(yùn)用橢圓方程映射法和Jacobi橢圓函數(shù)展開(kāi)法獲得了方程的孤立波解和周期波解。

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