Уравнение Новикова – Веселова. - Novikov–Veselov equation

В математика, то Уравнение Новикова – Веселова. (или же Уравнение Веселова – Новикова) является естественным (2 + 1) -мерным аналогом Уравнение Кортевега – де Фриза (КдФ). В отличие от другого (2 + 1) -мерного аналога KdV, Уравнение Кадомцева – Петвиашвили., это интегрируемый через обратное преобразование рассеяния для двумерного стационарного Уравнение Шредингера. Точно так же уравнение Кортевега – де Фриза интегрируемо через обратное преобразование рассеяния для одномерного уравнения Шредингера. Уравнение названо в честь Новиков С.П. и А.П. Веселов, опубликовавших его в Новиков и Веселов (1984).

Определение

Уравнение Новикова – Веселова чаще всего записывается как

${\displaystyle {\begin{aligned}&\partial _{t}v=4\;\Re \left\{4\partial _{z}^{3}v+\partial _{z}(vw)-E\partial _{z}w\right\},\\&\partial _{\bar {z}}w=-3\partial _{z}v,\end{aligned}}}$

(1)

куда ${\displaystyle v=v(x_{1},x_{2},t),}$ ${\displaystyle w=w(x_{1},x_{2},t)}$ и следующие стандартные обозначения комплексный анализ используется: ${\displaystyle \Re }$ это реальная часть,

${\displaystyle \partial _{z}={\frac {1}{2}}(\partial _{x_{1}}-i\partial _{x_{2}}),\quad \partial _{\bar {z}}={\frac {1}{2}}(\partial _{x_{1}}+i\partial _{x_{2}}).}$

Функция ${\displaystyle v}$ обычно считается ценным. Функция ${\displaystyle w}$ - вспомогательная функция, определяемая через ${\displaystyle v}$ до голоморфный слагаемое ${\displaystyle E}$ - действительный параметр, соответствующий уровню энергии соответствующего двумерного уравнения Шредингера

${\displaystyle L\psi =E\psi ,\quad L=-\Delta +v(x,t),\quad \Delta =\partial _{x_{1}}^{2}+\partial _{x_{2}}^{2}.}$

Связь с другими нелинейными интегрируемыми уравнениями

Когда функции ${\displaystyle v}$ и ${\displaystyle w}$ в уравнении Новикова – Веселова зависят только от одной пространственной переменной, например ${\displaystyle v=v(x_{1},t)}$, ${\displaystyle w=w(x_{1},t)}$, то уравнение сводится к классическому Уравнение Кортевега – де Фриза. Если в уравнении Новикова – Веселова ${\displaystyle E\to \pm \infty }$, то уравнение сводится к другому (2 + 1) -мерному аналогу уравнения КдФ - уравнению Уравнение Кадомцева – Петвиашвили. (к КП-I и КП-II соответственно) (Захаров и Шульман 1991 ).

История

Метод обратной задачи преобразования рассеяния для решения нелинейных уравнения в частных производных (PDEs) начинается с открытия К.С. Гарднер, Дж. М. Грин, М.Д. Крускал, Р.М. Миура (Gardner et al. 1967 ), который продемонстрировал, что уравнение Кортевега – де Фриза может быть интегрировано через обратную задачу рассеяния для одномерного стационарного уравнения Шредингера. Алгебраическая природа этого открытия была раскрыта Lax который показал, что уравнение Кортевега – де Фриза можно записать в следующей операторной форме (так называемый Слабая пара ):

${\displaystyle {\frac {\partial L}{\partial t}}=[L,A],}$

(2)

куда ${\displaystyle L=-\partial _{x}^{2}+v(x,t)}$, ${\displaystyle A=\partial _{x}^{3}+{\frac {3}{4}}(v(x,t)\partial _{x}+\partial _{x}v(x,t))}$ и ${\displaystyle [\cdot ,\cdot ]}$ это коммутатор. Уравнение (1) является условием совместности уравнений

${\displaystyle {\begin{aligned}&L\psi =\lambda \psi ,\\&\psi _{t}=A\psi \end{aligned}}}$

для всех значений ${\displaystyle \lambda }$.

После этого представление формы (2) был найден для многих других физически интересных нелинейных уравнений, таких как Уравнение Кадомцева – Петвиашвили., уравнение синус-Гордона, нелинейное уравнение Шредингера и другие. Это привело к широкому развитию теории обратного преобразования рассеяния для интегрирования нелинейных уравнений в частных производных.

При попытке обобщить представление (2) до двух измерений, получается, что оно выполняется только в тривиальных случаях (операторы ${\displaystyle L}$, ${\displaystyle A}$, ${\displaystyle B}$ иметь постоянные коэффициенты или оператор ${\displaystyle L}$ - дифференциальный оператор порядка не выше 1 по одной из переменных). Однако С.В. Манаков показал, что в двумерном случае правильнее рассматривать следующее представление (далее называемое тройкой Манакова L-A-B):

${\displaystyle {\frac {\partial L}{\partial t}}=[L,A]+BL,}$

(3)

или, что то же самое, искать условие совместности уравнений

${\displaystyle {\begin{aligned}&L\psi =\lambda \psi ,\\&\psi _{t}=A\psi \end{aligned}}}$

в одно фиксированное значение параметра ${\displaystyle \lambda }$ (Манаков 1976 г. ).

Представление (3) для двумерного оператора Шредингера ${\displaystyle L}$ найден С.П. Новиковым и А.П. Веселовым в (Новиков и Веселов 1984 ). Авторы также построили иерархию эволюционных уравнений, интегрируемых через обратное преобразование рассеяния, для двумерного уравнения Шредингера при фиксированной энергии. Эта система эволюционных уравнений (которую иногда называют иерархией уравнений Новикова – Веселова) содержит, в частности, уравнение (1).

Физические приложения

В бездисперсионный вариант уравнения Новикова – Веселова. выведена в модели нелинейной геометрической оптики (Конопельченко и Моро 2004 ).

Поведение решений

Поведение решений уравнения Новикова – Веселова существенно зависит от регулярности данных рассеяния для этого решения. Если данные рассеяния регулярны, то решение равномерно обращается в нуль со временем. Если данные рассеяния имеют особенности, то решение может развиваться солитоны. Например, данные рассеяния аппарата Гриневича–Захаров солитонные решения уравнения Новикова – Веселова имеют особые точки.

Солитоны традиционно являются ключевым объектом исследования в теории нелинейных интегрируемых уравнений. Солитоны уравнения Новикова – Веселова при положительной энергии представляют собой прозрачные потенциалы, как и в одномерном случае (в котором солитоны являются безотражательными потенциалами). Однако, в отличие от одномерного случая, когда существуют хорошо известные экспоненциально затухающие солитоны, уравнение Новикова – Веселова (по крайней мере, при ненулевой энергии) не имеет экспоненциально локализованных солитонов (Новиков 2011 ).

Рекомендации

• Gardner, C.S .; Greene, J.M .; Kruskal, M.D .; Миура, Р. (1967), "Метод решения уравнения Кортевега – де Фриза", Phys. Rev. Lett., 19 (19): 1095–1098, Bibcode:1967ПхРвЛ..19.1095Г, Дои:10.1103 / PhysRevLett.19.1095
• Конопельченко, Б .; Моро, А. (2004), "Интегрируемые уравнения в нелинейной геометрической оптике", Исследования по прикладной математике, 113 (4): 325–352, arXiv:nlin / 0403051, Дои:10.1111 / j.0022-2526.2004.01536.x
• Манаков, С.В. (1976), «Метод обратной задачи рассеяния и двумерные эволюционные уравнения», Успехи матем. Наук, 31 (5): 245–246 (Английский перевод: Russian Math. Surveys 31 (1976), № 5, 245–246.)
• Новиков, Р. (2011), «Отсутствие экспоненциально локализованных солитонов для уравнения Новикова – Веселова при положительной энергии», Письма о физике A, 375 (9): 1233–1235, arXiv:1010.0770, Bibcode:2011ФЛА..375.1233Н, Дои:10.1016 / j.physleta.2011.01.052
• Новиков, С.П .; Веселов, А.П. (1984), «Конечнозонные двумерные потенциальные операторы Шредингера. Явная формула и уравнения эволюции» (PDF), Сов. Математика. Докл., 30: 588–591
• Захаров, В.Е .; Шульман, Э. (1991), «Интегрируемость нелинейных систем и теория возмущений», у Захарова В.Е. (ред.), Что такое интегрируемость?, Ряды Спрингера в нелинейной динамике, Берлин: Springer – Verlag, стр. 185–250. ISBN  3-540-51964-5

внешняя ссылка

• Вайсштейн, Эрик В. «Уравнение Веселова – Новикова». MathWorld.
• Метод обратной задачи рассеяния для уравнения Новикова – Веселова.