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(2+1)维非线性耦合可积广义Kaup方程的精确解

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第2O卷第3期 2008年9月 北方工业大学学报 J.NORTH CHINA UNIV.0F TECH. VoI.20 No.3 Sept.2008 (2+1)维非线性耦合可积广义 Kaup方程的精确解* 何仁国 孙福伟 (北方工业大学理学院,100144,北京) 摘要应用截尾辅助函数法,借助计算机代数系统与符号计算,获得(z+1)维非线性耦 截尾辅助函数法;Kaup方程;精确解;周期解;孤波解 0175 合可积广义Kaup方程若干显式精确解,其中包含周期解和孤立波解. 关键词分类号非线性发展方程在诸如数学、物理、生物学 等多个领域都有广泛的研究和应用_1 ].为得 (1)的一些孤立波解.本文应用截尾辅助函数 法,借助计算机代数系统和符号计算,获得了方 到非线性发展方程精确解,研究者提出了许多 重要而有效的方法,如齐次平衡法[7 ]、双曲函 数法[10,11]、反散射方法Ⅲ]、Hirota方法 、 Painleve截断法[1 、Darboux变换方法[¨ 引、 程(1)的若干新的显式孤立波解,而且同时得到 了该方程的若干周期解. 1方程(1)的精确解 对给定的方程(1),首先做行波变换: u(x,Y,£)一“( ),v(x,3,,£)一 ( ), 截尾辅助函数法[1 叩等. 截尾辅助函数法对于得到某些非线性发展 方程的精确解是一种很有效的方法l_1 .2o].文献 17、18应用截尾辅助函数法,分别得到了(1+ 1)维非线性浅水长波近似方程和变形浅水波方 程的许多新的显式孤立波解和周期解;文献 p(x,3,,£)=p( ), 一z+ay+ct+c0 (2) 其中d,c为待定常数,c。为任意常数. 将式(2)代入式(1),可得: ==: 一 19、20把该方法应用于(1+1)维非线性R—L —w方程和非线性色散一耗散方程,同样也得 本文把截尾辅助函数法进一步推广应用于 +2  一(3) (4) (5) 到了它们的许多新的孤子解和周期解. (2+1)维NLS系统中的非线性耦合可积广义 Kaup方程 : r 一乱 +2 一2pv a/, :“ + 对(5)式两边积分一次,可得: d/,一 + +c1 (6) 其中c 为积分常数. (1) 一 一2 设式(3)、(4)、(5)有如下形式解: 【户 一(M+ ) 文献22利用Darboux变换方法得到了方程 收稿日期:2008~04—23 *北京市教育委员会科技发展计划项目(KB2OO51OOO90O8) 第一作者简介:何仁国,硕士研究生.主要研究方向;非线性发展方程及其应用 ( ):∑09.H(口“叫+bl 维普资讯 http://www.cqvip.com

38 北方工业大学学报 第2O卷 +a10 (7) ( )一∑cu (n。 +6 干 ) J=l +a2o (8) ( )一∑60H( O./+b3 ) +a3o (9) 且 )=== ===R(1+ ) (10) 其中£一±l, 一±1,R,a"bl (i一1,2,…, ), alJ,blJ( 一1,2,…,m),a1女,61^(忌=1,2,…, ) 为待定常数. 通过平衡式(3)、(4)、(6)中的最高阶导数 项和非线性项,可知: ===l,m一1。s一1 式(8)、(9)、(10)可约化为: “( )一alo+n】1叫 +611 ̄/e(1+舢。) (11) ( )=azo+a21 co +bz1,/E(1+删。) (12) ( )::a3o+a3lfo. +b31 ̄(1+伽 ) (13) 借助计算机代数系统和符号计算,由式(3)、 (4)、(6)、(10)、(11)、(12)、(13)整理可得: (2a11a3oR一。l1cR)十(2,ua11R +2al1a3lR +2611b31 )∞+( l1R +2a1lb3lR) √£(1+ 。)+(2 1la3C)R一 1lcR)∞ +2,ua 3obl1R一 11cR)( (1十 ) +(2 aI1R +2 l1n31R+2 。bllb31R)oo。 +(2 。b11R。+2,ua 31bnR+2,ua11b31R) ・叫2√e(1+舢 )一0 (14) (以2l cR一2a2la3。R)+(2二 2lR 一2a。la31R 一2621b31 R)∞+( 21R 一2a21b3iR) √e(1+ )+( 21 ~2,ua 21a3C R) +( 21cR一2pa∞b21R)(t以(1+ 。) +(2/1 a21R。一2pa 21a31R一2 b21b31R) +(2 b21R。一2,ua 3lbzlR一2,ua 21 631R) ・(U £(1+脚。)一0 (15) (al0+ 2o—da 3o+C1)+(n11+a21一 31)叫 +(6 +bz1一db。 _=j :0 (16) 令式(14)、(15)、(16)中的常数项∞,  ̄/ r ,cu ,叫√ i_ , , cu rF 的系数分别为零,可得到一个关 于C,d,R,口l0,口20,口3o,a11,口21,口31,b1l,b2I,b3l的 超定方程组.借助计算机代数系统和符号计算 可求解超定代数方程组,得到: 情况1: 一一1,e一一1,口10一 ,n20一 。一号,n 一 一一譬'62 一 1涮R, 一一 ,63】一 , 一土1, 和c 均为任意常数. 情况2: 一一1,e一±1,口lo— ,口2o一 耐 一一 一fl’口 一  —fl,口30 一 ,n11’n11: l1=  bl1=b21 =b31—0= 31一 ’口 ,口21 一~勰,a。 一一R, 和C 均为任意常数. 情况3: 一一1,e:一1,n1o— ,口20一寺 一 — ,口。。一号,n 一警,6 一号&球,口。 一 一0,a。 一 , 一 , 一±1, 和c 均为 任意常数. 情况4: :=:一1,£===士1,a1o一 ,a2o一寺cd — —c】,‰一号'Ⅱ】 一dR, =b 一621一 b。 ===0,a。 一R, 和C 均为任意常数. 情况5: 一一1,e=1,al0一 ,口20一寺 一 ~ 。一 -6l 一 一一等'62 1 R 一 , 一一 , = -- ̄z’, 一士1, 和c 均为任意常数. 情况6: 一一1,£一1,n1。一 ,口2o一寺 。一号, 一警 一I&/R 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 何仁国孙福伟:(2+1)维非线性耦合可积广义Kaup方程的精确解 39 _62 一0 一譬'63 一 - ̄1, 和c1 均为任意常数. 情况7: 一1,e一1,n 。一 ,n 。:==丢耐一 ~, 一号, _61 一0, 一等 一 丢 ,口。 一 , 一 ,3=-+-1, 和c 均为 任意常数. 情况8: 一l,£一士1,n 。一 ,n 。一 一 一 1’n一 —c1,n30 一 ,口11=b11=’。11 11 b21 =b31 =0’口 ,口21 一dR,n。 一R, 和C 均为任意常数. 情况9: 一1,£一1,口1。一 ,n2。==:告 一 —c ,n。。一号,n 一一等,6 一 rR,a。 一 621一o,ns-一一譬,631一 4R, 一士1, 和c 均 为任意常数. 情况10./l一1,£一士1,口10=:=.;【,口2o=:=妻 一 —c ,口s。一号,口 一一dR,n =b =b2 一 b3 一0,a3 一一R, 和C 均为任意常数. 情况11: ===I,e一一I,口1。一 ,口2。一告 一 ~, 一号, 一o,n。 一警’62 一 1 ̄dRi, 一譬’63 一 6"-+1, 和cl 均为任意常数. 情况12: 一1,e一一1,口 。一 ,口z。一丢 _f1, 一号, 一一警, =l&lRi, _62 _o, 一 ,63l一 一+1’ 均为任意常数. 对于Ricatti方程,易知其通解为: 一一1: ccJl( )一tanh(雎) ∞2( )一c。th(Re ) (17) 一1: 叫3(叫4( )一tan(/ ̄) )一一cot(/ ̄)  (18) 因此,根据式(2)、(11)、(12)、(13)、(17)、 (18)以及情况1一情况8,方程(1)有如下形式 的精确解: 情况1 : l(z,Y,£)= ( ,£)=专 一 --Cl-警tanh[ + + + )]+ ・isech[R(x+dy+ + )] pl(z, ,£)= C一 RtanhFR(z+dy+ct +Co)]+ 3R sec [R(z+ +ct+C0)] 情况2 : 2( ,Y,£)= 一号 一 一警c。th[R( + + +c。)]+ 拿 ・csch[R(x+dy+ct+co)] (z, ,£)= c一 R 2c。thFR(z+dy+ct " ̄-Co)]+ csc^[R(z+ +ct+c0)] 情况3 : “3( ,Y,£): ( ,Y,£)一告 一 —f1--dRtanhmR(x + + +f。)] P3(z,Y, )一 一Rtanh[R(x+dy+ct +co)] 情况4 : “4( ,Y,£)= (z, ,£)一 一 —c 一dRc。thFR(z + +ct+fo)] 维普资讯 http://www.cqvip.com 4O 北方工业大学学报 第2O卷 户 ( , ,£)一 一RcothER(x+dy+ +C。)] 情况5 : “ (z, ,£)一 + tanhER(z+ +  ̄f-co)]+ sechER(z+ +ct+C0)] (z, ,£)一 一 —c (z, ,£)一 c十 R t5anhER( + + Co)]+ 8R 2.sechER(z+ + +C。)] 情况6 : 一 +等cOthER(z+dy+ct +c。)]+ cschER(z+ +以+C。)] 口6(z, ,£)一lcd— —c1 p6(z, ,f)一 c十 R c。thER(z+ +  ̄-Co)]+ cschER(z+ +ct+c。)l 。 情况7 : 乱7(z,y,£)一 +dRtanh[R(z 4- +ct 十C0)] (z, ,£)一 — —c P (z, ,£)一 4-RtanhFR(x+dy+ct +C。)] 情况8 : 8(z, ,£)一 +dRcothER(x+dy+ct +fo)] 口。(z, ,£)一 一 —c P8(z, ,£)一 RcothER(x+ + +C。)] 情况9 : U9(z,Y,£)一 一 一 +警ta (z + + - ̄-Co) + ・sed-R(x+dy+ct+fo)] 户。(z, ,£):=: c十 R tan[R(z+ + -- ̄-co)]+ sec[R(z+ +ct+Co)] 情况lO : lo(z,y,£)一 l一cd--2 一等cot[肌 + + "Jr Co)]+ ・csc[-R(x+ +ct+C0)] ( 一号一譬cot[ +ds+ct t-Co)]+ csc[ + +ct+Co)] 情况11 : n(z,y,£)= (z, ,£)=丢 一 —c + tan[R(z + 3,+ct+Co)] (z, ,£)=号+Rtan[R(x+dy+ +氏)] 情况12 : 甜12(z,y,£)= 口 (z, ,f)= cd— —f 一dRc。t[R(x + +ct+c。)] Plz(z, 一号一Rcot[R(x+dy十 +C。)] 情况13 : “13(z, , )= 一 tan[R(z+ +  ̄-Co)]+ sec[R(z + v+ct+Co)] 维普资讯 http://www.cqvip.com

第3期 何仁国 孙福伟:(2+1)维非线性耦合可积广义Kaup方程的精确解 41 ( , ): 一 —c ( , ,£)一 c一 Rtl3an[R(z+ + - ̄-Co)]+警sec[ + +ct-I-Co)] 情况14 : 乱lt(z, ,£)一 + dR c。tJR( + +以 +c0)]+ csc[ + +ct+c0)] ( , =÷ 一 ~c 户l4(z, ,£)一 c十 R c。tJR(z+dy+ct Z -]-Co)]+警…[R(z+ +ct-F Co)] 情况15 : 一 l5( ,Y,£): —dRtan[-R(x+dy+ct ㈨ ]  一+f0)] (z, :专 一.~ ;【~c Pls(z, 号~RtanER(x+dy+ +Co)] 情况16 : 乱 ( ,v,£)一 +dRcot厂R(z+dv+ct 图1当t一1,R一8,d一一1/16,c+c0—1/8, 一1,cd/2一 —c1—0时,情况2 中v的解 Pl6( , , ) 专+Rc。tER(x+dy+ +Co)] 其中情况1 一情况8 为孤波解,情况9 一情况 16 为周期解. 2总结和讨论 利用截尾辅助函数法得到了(2+1)维非线 性耦合Kaup方程的若干新的精确解,包括若 干复数解.本文所给出的解均为含有任意常数 的式(1)的显示精确解,当任意常数取特定值 时,可得到不同特解. (1)如当t一1,R:8,d=一1/16,C+Co一 1/8, =1,cd/2一 —c 一0时,情况2 中的、/r 和P均为扭结孤立子解,其中 的解如图1.当 t一1,R=一8,d一1/16,c+C0===1/8, 一1, cd/2一 —C 一0时,情况2 中的 和P均为 反扭结孤立子解,其中 的解如图2. (2)如当t=1,R=40,d一一1/8,c=C。 一1/16, 一一1,cd/2一 —C1—0时,情况10 中的V和P均为周期波解,其中 的解如图3, P的解如图4. 图2 当t一1,R一一8,d=1/16,C+印=1/8, a一1,od/2一^一fl一0时,情况2 中V的解 维普资讯 http://www.cqvip.com 42 北方工业大学学报 第2O卷 图3 当t一1,R一40,d一一1/8,c—c0—1/16, =一l, /2一 —c1=0时,情况10 中y的解 本文所得解均通过计算机代数系统与符号 计算得到验证,并在所得到的一些孤波解和周 期解中出现了3个变量两两耦合的情况. 参考1刘式适,刘式达.物理学中的非线性方程.北京:北京 大学出版社.2001 2谷超豪,郭柏灵,李翊神等.孤立子理论与应用.杭 州:浙江科学技术出版社,1990 3杨伯君.高等数学物理方法.北京:北京邮电大学出 版社,2003 4周凌云等.孤立子理论及在物理学和生物学中的应 用.昆明:云南科技出版社,2001 5楼森岳,唐晓燕.非线性数学物理方法.北京:科学出 版社,2006 6陈登远.孤子引论.北京:科学出版社,2006 7 Wang Mingliang,Zhou Yubin,Li Zhibin.Applica— tions of a homogeneous balance method to exact so— lutions of nonlinear evolution quation in mathemati— cal physics.Phys.Lett.A,1996,216:67—73 8王明亮等.齐次平衡法及其应用.兰州大学学报, 1999,35(3):8-16 9 Fan Engui,Zhang Hongqing.A note on the homo— geneous balance method.Phys.Lett.A,1998,246: 403—406 1O孙维君,赵熙强.寻找非线性演化方程精确解的新 的双曲函数法.烟台师范学院学报,2004,20(2):89— 92 1 1 Engui Fan.Extend tanh—function method and its applications tO nonlinear equations.Phys.Lett.A, 2000,277:212-218 12居琳,田立新.Dullin-Gottwald—Holm方程的1一孤 子解.江苏科技大学学报(自然科学版),2006,20 图4 当t一1,R一40,d一一1/8,C—co一1/16, 一一1,cd/2一 —c1—0时,情况1O 中P的解 本研究得到理学院应用数学专业研究生陈 贺玲和王燕同学的帮助和支持,特此感谢! 文 献 (4):33—37 13林麦麦,段文山,吕克璞.Hirota方法求解Bouss— inesq方程.西北师范大学学报(自然科学版),2007, 43(1):39-43 14冯国鑫,王卿,钱贤民.2+1维Broer-Kaup方程推 广的Painlev6非标准截断展开和精确解.绍兴文理 学院学报,2003,23(10):16—20 15楼森岳.推广的Painlev6展开及Kdv方程的非标 准截断解.物理学报,1998,47(12):1937—1945 16范恩贵.联系广义Kaup--Newell谱问题的有限维 和无穷维Hamilton系统,Darboux变换和多孤子 解.河北北方学院学报(自然科学版),2006,22(1): 1—13 17 闫振亚.浅水长波近似方程的显式精确解.烟台大 学学报,2000,13(1):8-12 18阎振亚,张鸿庆.非线性演化方程显示精确解的新 算法.工科数学,2000,16(2):40—43 19王霞,赵玲玲.R—L—w方程的新的孤子解和周期 解.郑州轻工业学院学报(自然科学版),2002,17 (3):78—80 2O王霞,王书彬.一个非线性色散一耗散方程的新孤 子解和周期解.郑州大学学报(工学版),2002,22 (3):41-43 21 Mikhailov A V,Yamilov R I.Phys.Lett.A,1997, 230:295 22 Roy Choudhury S.Integrability characteristics of two—dimensional generalizations of NLS type equa— tions,Journal of Mathematical Physics,2003,44 维普资讯 http://www.cqvip.com 第3期 (12):5733—5750 何仁国孙福伟:(2+1)维非线性耦合可 t b C .a .r d S  “ p t ∞ . H q ! 24 Kaup D J.Stud.App1.Math,1980,6:189 23 Kaup D J.Prog.Theor.Phys,1975,54:72 t t C 一 h t ^ h Exact Soluti0ns to(2+1)一Dimensional Nonlinear Coupled m Integrable Generalization of Kaup Equation -g试 m吣 v.。f由 (Col1ege。f science,North China Uni Tech.,100144,Be ing,chi“ ) He Renguo Sun Fuwei d Ⅲ — 附豺 r+ e 一 m 皂- m 啪 K ey Words truncated adjunct function method Kaup q ; e ua【lo1 ;exac uluu tionS;solitary wave solutions S r卜 m m∞. 一~曼 ; e u 。n.exact s0lunons.peri0 ’ Ll工……s0lu—-u (上接第36页) 一 :量 .n n '= Exact Analytic Solutions for the Variable-Coefficient e .n 眦 肌 HirOta.Satsuma System of the Coupled KdV Equations .nH t :一 阻 兰 Sun Fuwei Chen Heling (c。llege。f science,North China Univ.。f Tech.,100144,China,Be ing) Abstract The eXact analytic solutions for the variable—coefficient Hirota—Satsuna syst啪ot couDled KdV equati0ns are obtained by the expansion of Tanh method wi h the aid of the∞mp小 _ ized svmb0lic c0mputation.These solutions include Jacobian ellipse functions and tngon0metnc functions,which describe interaetions of two long waves with different dispers。0n relat ons・ . Key w。rds variable-coefficient。f the c。upled KdV equations; ymb。li computatmn;Tanh T_n ethod:exact analytic solutions 

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