1. 引言
因为许多数学物理中的非线性波动方程拥有有理解,因此直接寻找非线性波动方程的有理解具有理论和现实的双重意义。特别是调查具有双周期的Jacobi椭圆函数的有理解是极为重要的,因为它的极限情形可以退化为相应的孤立波或三角函数的有理解。所以很多方法[1]被发展出来求有理解。最近,王[2]和陈[3]提出了Jacobi椭圆函数有理展开法用来构造非线性波动方程的有理解。稍后,他们[4]又推广了Jacobi椭圆函数有理展开法用来获得更多的有理解。但是,这些方法[1]-[4]仅仅求出特殊类型的有理解。在本文,我们提出了一个新的广义的Jacobi椭圆函数有理展开法用来统一构造非线性波动方程的更多有理解。
2. 广义的Jacobi椭圆函数有理展开法
下面我们简单说明我们的广义的Jacobi椭圆函数有理展开法。
步骤1:约化PDE到ODE
利用行波解约化
,其中
和
分别是波数和波速,我们把偏微分方程
(1)
约化到常微分方程
(2)
步骤2:引入有限幂级数形式解
为了寻找双周期有理解,我们假设常微分方程(2)有下面的有理形式解
(3)
注意(3)式中的M和N是任意的,不是通过平衡常微分方程(2)中的最高阶导数项和非线性项来确定的。
步骤3:导出代数方程组
把(3)代入(2),我们获得一个关于Jacobi椭圆函数的方程,然后通分,化简,合并同类项,得到关于未知量
的非线性代数方程组,利用著名的吴文俊消元法[5]求解,我们省略求解过程。
步骤4:获得Jacobi椭圆函数有理解
把求得的
的值代入(3)式,最后我们获得了非线性波动方程(1)的广义的Jacobi椭圆函数有理解。
3. 对KdV方程的应用
考虑KdV方程
(4)
利用行波解约化
,我们得到
(5)
积分一次,我们有
其中c是积分常数。
因此,利用上面步骤2~4,我们能够获得KdV方程丰富的有理形式的Jacobi椭圆函数解如下。其中
是虚数单位,m是模数,
。
当N = M = 1时,我们得到
当N = M = 2时,我们得到
当N = M = 3时,我们得到
当N = M = 4时,我们得到
注1:当
时,KdV方程也具有丰富的有理形式的Jacobi椭圆函数解,例如
但是,N和M越大,求解代数方程组[5]的计算量越大。为了节省篇幅,我们省略它们。
注2:考虑到下面的关系
如果
,那么可以利用上面的关系,通过通分转化成(3)的形式。其它情形类似。
注3:在合适的代数变换
和因式分解之下,一些有理解可以变成多个单项式的和。比如
和
也可以表示为
这一点和注2互相呼应,互相印证。
注4:显然,由于我们的方法的形式解(3)更加广泛,所以比以前那些求Jacobi椭圆函数的有理解的方法[1]-[4]更加有效。这一点从我们已经获得的丰富的Jacobi椭圆函数的有理解可以证实。
注5:当
时,
,本文方法变成了已知方法[6]-[8],所以我们的方法比[6]-[8]更加有效,因为使用上面的方法[6]-[8]都不能求得这样丰富的有理解。
注6:当
时,我们得到
当
时,我们有
容易看得出来,当模数m→0或1时,这些解退化为相应的关于孤立波或三角函数的有理解。为了节省篇幅,我们省略它们。
4. 解的结构
为了更好地了解有理解的结构,我们画出了解
和
的立体图(左图)和
的截面图(右图),其中参数均取值为
,网格取值150 × 150。从中我们可以直观地看到有理解具有两种宏观结构:光滑型(分母永不为零)和爆破型(分母在某一时刻为零)。
解
立体图 解
在
截面图
解
立体图 解
在
截面图
5. 总结
本文,我们提出了一个新的广义的Jacobi椭圆函数有理展开法,获得了KdV方程的丰富的关于Jacobi椭圆函数的有理解。为了节省篇幅,我们省略其中的许多解。这种方法也可以应用于其他非线性波动方程。