Теоретическая и математическая физика
RUS  ENG    ЖУРНАЛЫ   ПЕРСОНАЛИИ   ОРГАНИЗАЦИИ   КОНФЕРЕНЦИИ   СЕМИНАРЫ   ВИДЕОТЕКА   ПАКЕТ AMSBIB  
Общая информация
Последний выпуск
Архив
Импакт-фактор
Правила для авторов
Лицензионный договор
Загрузить рукопись

Поиск публикаций
Поиск ссылок

RSS
Последний выпуск
Текущие выпуски
Архивные выпуски
Что такое RSS



ТМФ:
Год:
Том:
Выпуск:
Страница:
Найти






Персональный вход:
Логин:
Пароль:
Запомнить пароль
Войти
Забыли пароль?
Регистрация


Теоретическая и математическая физика, 2023, том 214, номер 2, страницы 224–238
DOI: https://doi.org/10.4213/tmf10347
(Mi tmf10347)
 

Некоммутативное обобщение и квазиграмианные решения уравнения Хироты

Х.  Ваджахат А. Риаз

School of Science, China University of Mining and Technology, Beijing, China
Список литературы:
Аннотация: Нелинейное уравнение Шредингера и модифицированное уравнение Кортевега–де Фриза могут быть объединены в интегрируемое уравнение, известное как уравнение Хироты. Исследовано некоммутативное обобщение уравнения Хироты, для которого получены условие нулевой кривизны и пара Лакса, а затем с использованием условия ковариантности найдены преобразование Дарбу и бинарное преобразование Дарбу. Построено решение уравнения, выражающееся через квазиграмианы. В рамках некоммутативного случая для однократного преобразования Дарбу представлены решения с одним и двумя пиками.
Ключевые слова: некоммутативные интегрируемые системы, преобразование Дарбу, бинарное преобразование Дарбу, солитоны.
Финансовая поддержка Номер гранта
National Natural Science Foundation of China 11871471
11331008
11931017
Foreign Experts Scientific Cooperation Fund
Работа была поддержана National Natural Science Foundation of China (гранты № 11871471, 11331008 и 11931017), а также Foreign Experts Scientific Cooperation Fund.
Поступило в редакцию: 07.08.2022
После доработки: 15.09.2022
Англоязычная версия:
Theoretical and Mathematical Physics, 2023, Volume 214, Issue 2, Pages 194–206
DOI: https://doi.org/10.1134/S0040577923020046
Реферативные базы данных:
Тип публикации: Статья

1. Введение

В последние годы изучение некоммутативных (НК) систем привлекает большой интерес исследователей во многих областях физики и математики [1]–[6]. Решения таких систем важны при изучении динамики D-бран, теории струн и квантового эффекта Холла [7], [8]. С точки зрения интегрируемости недавним прорывом стало построение точных многосолитонных решений НК-иерархии Кадомцева–Петвиашвили, выраженных через квазидетерминанты [9]. Понятие квазидетерминанта было впервые введено Гельфандом и Ретахом в 1991 г. в контексте НК-обобщения теории определителей матриц [10]. Квантование фазового пространства, как правило, приводит к НК-поведению независимых координат. Тогда обычное произведение может быть заменено звездочным произведением [11]–[14], но из-за некоммутативности коодинат этот подход сложен в применении.

Настоящая работа посвящена изучению НК-обобщения уравнения Хироты и нелинейного уравнения Шредингера–Хироты (далее уравнение Хироты-НУШ). Для этого мы задаем пару Лакса НК-уравнения Хироты, строим матрицу Дарбу и бинарную матрицу Дарбу, чтобы получить решения этого уравнения. Мы находим явный вид квазиграмианных решений для НК-полей уравнения Хироты; после смягчения условия некоммутативности эти решения сводятся к отношениям грамианов.

Чтобы получить НК-обобщение уравнения, мы следуем подходу, который представлен в [15]–[18]. В рамках этого подхода подразумевается некоммутативность полей, а не независимых координат, т. е. для полей $f_1:=f_1(x,t)$, $f_2:=f_2(x,t)$ мы предполагаем, что $f_1(x,t)f_2(x,t)\neq f_2(x,t)f_1(x,t)$. Таким образом, здесь и далее слово “некоммутативный” относится к обобщению на неабелев (матричный) случай.

Квазидетерминанты

Квазидетерминант – это понятие, заменяющее обычный определитель, для матриц над некоммутативным кольцом. Он играет ту же роль в некоммутативной алгебре, что и обычный определитель в коммутативной алгебре, и широко применяется для анализа некоммутативных интегрируемых систем [9], [16], [19], [20].

Квазидетерминант $|M|_{ij}$, $i, j=1,\ldots,n$, матрицы размера $n\times n$ над некоммутативным кольцом $R$, разложенной по элементу $m_{ij}$, задается как

$$ \begin{equation} |M|_{ij}=\begin{vmatrix} M^{ij} & c^i_j \\ r^j_i & \fbox{$m_{ij}^{}$}\,\end{vmatrix}=m_{ij}^{}-r^j_i(M^{ij})^{-1}c^i_j, \end{equation} \tag{1.1} $$
где $m_{ij}$ называется точкой разложения и является ($i,j$)-м элементом матрицы $M$, $r^j_i$ – $i$-я строка матрицы $M$ без своего $j$-го элемента, $c^i_j$ – $j$-й столбец матрицы $M$ без своего $i$-го элемента и $M^{ij}$ – подматрица в $M$, полученная удалением $i$-й строки и $j$-го столбца. В коммутативном пределе это выражение сводится к
$$ \begin{equation} |M|_{ij}=(-1)^{i+j}\frac{\det M}{\det M^{ij}}. \end{equation} \tag{1.2} $$
Квазитерминанты – это не просто обобщение обычных коммутативных определителей, скорее они связаны с обратными матрицами. Например, матрица, обратная к $M=\bigl(\begin{smallmatrix} m_{11} & m_{12} \\ m_{21} & m_{22} \end{smallmatrix}\bigr)$, определяется формулой
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, M^{-1}=(|M|_{ji}^{-1})&= \begin{pmatrix} m_{11}^{-1}+m_{11}^{-1}m_{12}^{}Z^{-1}m_{21}^{}m_{11}^{-1} &-m_{11}^{-1}m_{12}^{}Z^{-1} \\ -Z^{-1}m_{21}^{}m_{11}^{-1} & Z^{-1} \end{pmatrix}= \nonumber\\ &=\begin{pmatrix} \begin{vmatrix} \,\fbox{$m_{11}$} & m_{12} \\ \,m_{21} & m_{22}\end{vmatrix}^{-1} & \begin{vmatrix} m_{11}& \fbox{$m_{12}$}\, \\ \,m_{21} & m_{22} \end{vmatrix}^{-1} \\ \begin{vmatrix} m_{11} & m_{12} \\ \,\fbox{$m_{21}$} & m_{22} \end{vmatrix}^{-1} & \begin{vmatrix} m_{11} & m_{12} \\ \,m_{21} & \fbox{$m_{22}$}\, \end{vmatrix}^{-1} \end{pmatrix}. \end{aligned} \end{equation} \tag{1.3} $$
Детальное обсуждение и приложения теории квазидетерминантов см. в [10], [21].

2. НК-уравнение Хироты

Спектральная задача, связанная с НК-уравнением Хироты, имеет вид

$$ \begin{equation} \mathcal R =\partial_x-J\lambda-U, \end{equation} \tag{2.1} $$
$$ \begin{equation} \mathcal Q =\partial_t-4\gamma J\lambda^3-2(\gamma_2J+2\gamma U)\lambda^2-2(\gamma_2U+i\gamma V)\lambda-i\gamma_2V+\gamma T. \end{equation} \tag{2.2} $$
Здесь
$$ \begin{equation} \begin{gathered} \, J=i\begin{pmatrix} 1 & \phantom{-}0 \\ 0 & -1 \end{pmatrix} ,\qquad U=\begin{pmatrix} 0 & q \\ q^\unicode{8224} & 0 \end{pmatrix} ,\qquad V=\begin{pmatrix} qq^\unicode{8224} & \phantom{-}q_x \\ q_x^\unicode{8224} &-q^\unicode{8224} q \end{pmatrix}, \\ T=\begin{pmatrix} q_xq^\unicode{8224}-qq_x^\unicode{8224} & 2qq^\unicode{8224} q+q_{xx} \\-2q^\unicode{8224} qq^\unicode{8224}-q_{xx}^\unicode{8224} &- q^\unicode{8224} q_x+q_x^\unicode{8224} q \end{pmatrix}, \end{gathered} \end{equation} \tag{2.3} $$
где $q=q(x,t)$ – НК-поле, верхний индекс $\unicode{8224}$ обозначает (эрмитово) сопряжение, параметры $\gamma$, $\gamma_2$ вещественные и $\lambda$ – спектральный параметр (вещественный или комплексный). Положив коммутатор операторов $\mathcal R$ и $\mathcal Q$ равным нулю и приравняв коэффициенты при $\lambda$, приходим к уравнению движения
$$ \begin{equation} iq_t+\gamma_2(q_{xx}+2qq^\unicode{8224} q)+i\gamma\bigl(q_{xxx}+3(qq^\unicode{8224} q_x+q_xq^\unicode{8224} q)\bigr)=0. \end{equation} \tag{2.4} $$
Оно известно как НК-обобщение уравнения Хироты [22]. Если $\gamma_2=0$, это уравнение дает НК-обобщение уравнения Хироты–НУШ
$$ \begin{equation} iq_t+i\gamma\bigl(q_{xxx}+3(qq^\unicode{8224} q_x+q_xq^\unicode{8224} q)\bigr)=0, \end{equation} \tag{2.5} $$
то есть
$$ \begin{equation} q_t+\gamma\bigl(q_{xxx}+3(qq^\unicode{8224} q_x+q_x q^\unicode{8224} q)\bigr)=0, \end{equation} \tag{2.6} $$
которое является НК-версией комплексного модифицированного уравнения КдФ (уравнения мКдФ) и сводится к обычному уравнению мКдФ при вещественных $q$. Аналогично $\gamma=0$ приводит к НК-обобщению НУШ
$$ \begin{equation} i q_t+\gamma_2(q_{xx}+2qq^\unicode{8224} q)=0. \end{equation} \tag{2.7} $$

Уравнение (2.4) совпадает с коммутативным случаем после снятия условия некоммутативности, т. е. когда $f_1f_2=f_2f_1$. Мы имеем

$$ \begin{equation} iq_t+\gamma_2(q_{xx}+2|q|^2q)+i\gamma(q_{xxx}+6|q|^2q_x)=0, \end{equation} \tag{2.8} $$
где $q=q(x,t)$ – комплекснозначная скалярная функция, а $q^\ast$ – ее комплексно-сопряженная. Спектральная задача для уравнения (2.8) совпадает с (2.1), (2.2), но теперь $q$ и $q^\ast$ рассматриваются как коммутативные функции.

Уравнение (2.8) также рассматривают как комбинацию НУШ и уравнения мКдФ. Эти уравнения, как известно, являются вполне интегрируемыми и обладают всеми основными свойствами интегрируемости. Они широко изучались в научной литературе с использованием различных методов, таких как преобразование Дарбу (ПД), метод Хироты, преобразование Беклунда и многие другие, для этих уравнений были найдены точные мультисолитонные решения (см. работы [19]–[29] и ссылки в них).

3. Преобразование Дарбу

В этом разделе мы определяем ПД для НК-уравнения Хироты (2.4). Введем матрицу Дарбу

$$ \begin{equation} D_\xi=\lambda I-\xi\Lambda\xi^{-1} \end{equation} \tag{3.1} $$
и операторы Лакса
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \mathcal R&=\partial_x-J\lambda-U, \\ \mathcal Q&=\partial_t-4\gamma J\lambda^3-2(\gamma_2J+2\gamma U)\lambda^2-2(\gamma_2U+i\gamma V)\lambda-i\gamma_2V+\gamma T. \end{aligned} \end{equation} \tag{3.2} $$
Здесь $\lambda$ – спектральный параметр (вещественный или комплексный), $\Lambda$ – постоянная матрица размера $p\times p$, а матрицы $U$, $V$ и $T$ заданы в (2.3), причем все эти матрицы являются некоммутативными объектами.

Пусть $\varphi=\varphi(x,t)$ – собственная функция с собственным значением общего вида для задач с операторами $\mathcal R$ и $\mathcal Q$: $\mathcal R (\varphi)=0$ и $\mathcal Q (\varphi)=0$. Тогда

$$ \begin{equation} \widetilde\varphi:=D_\xi(\varphi)=\lambda\varphi-\xi\Lambda\xi^{-1}\phi= \begin{vmatrix} \xi & \varphi \\ \xi\Lambda & \fbox{$\lambda\varphi$}\,\end{vmatrix} \end{equation} \tag{3.3} $$
является собственной функцией с собственным значением общего вида для задач с новыми операторами $\widetilde{\mathcal R}=D_\xi\mathcal R D_\xi^{-1}$ и $\widetilde{\mathcal Q}=D_\xi\mathcal Q D_\xi^{-1}$. Введем собственные функции $\xi_{[1]}=\xi_1$ и $\varphi_{[1]}=\varphi$ с собственным значением общего вида для операторов $\mathcal R_{[1]}=\mathcal R$ и $\mathcal Q_{[1]}=\mathcal Q$, где $\xi_1$ и $\varphi_1$ – матрицы размера $2\times 2$. Далее определим аналогичные собственные функции $\varphi_{[2]}=D_{\xi_{[1]}}(\varphi_{[1]})$ и $\xi_{[2]}=\varphi_{[2]}|_{\varphi\to\xi_2}$ для новых операторов $\mathcal R_{[2]}=D_{\xi_{[1]}}\mathcal R_{[1]}D_{\xi_{[1]}}^{-1}$ и $\mathcal Q_{[2]}=D_{\xi_{[1]}}\mathcal Q_{[1]}D_{\xi_{[1]}}^{-1}$.

Введем набор $\xi_i$, $i=1,\ldots,n$, собственных функций с частными собственными значениями для операторов $\mathcal R$ и $\mathcal Q$ (здесь каждая $\xi_i$ – матрица размера $2\times2$). В дальнейшем, когда мы будем иметь в виду НК-случай, каждый элемент матрицы $\xi_i$ сам будет рассматриваться как матрица. Тогда $\varphi_{[n+1]}=D_{\xi_{[n]}}(\varphi_{[n]})$ – собственная функция с собственным значением общего вида для новых операторов

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \mathcal R_{[n+1]}^{}&=D_{\xi_{[n]}}^{}\mathcal R_{[n]}^{}D_{\xi_{[n]}}^{-1}, \\ \mathcal Q_{[n+1]}^{}&=D_{\xi_{[n]}}^{}\mathcal Q_{[n]}^{}D_{\xi_{[n]}}^{-1}, \end{aligned} \end{equation} \tag{3.4} $$
где $\xi_{[n]}$ определяет ПД, переводящее $\mathcal R_{[n]}$ в $\mathcal R_{[n+1]}$ и $\mathcal Q_{[n]}$ в $\mathcal Q_{[n+1]}$. Тем самым ПД $n$-го порядка задается как
$$ \begin{equation} \varphi_{[n+1]}^{}=D_{\xi_{[n]}}^{}(\varphi_{[n]}^{})=\lambda\varphi_{[n]}^{}-\xi_{[n]}^{}\Lambda_n^{}\xi_{[n]}^{-1}\varphi_{[n]}^{}, \end{equation} \tag{3.5} $$
где $\xi_{[j]}=\varphi_{[j]}|_{\varphi\to\xi_j}$.

При $n=1$ уравнение (3.5) принимает вид

$$ \begin{equation} \varphi_{[2]}^{}=\lambda\varphi-\xi_1^{}\Lambda_1^{}\xi_1^{-1}\varphi= \begin{vmatrix} \xi_1 & \varphi \\ \xi_1\Lambda_1 & \fbox{$\lambda\varphi$}\, \end{vmatrix}. \end{equation} \tag{3.6} $$
При $n=2$ имеем
$$ \begin{equation} \varphi_{[3]}^{}=\lambda\varphi_{[2]}^{}-\xi_{[2]}^{}\Lambda_2\xi_{[2]}^{-1}\varphi_{[2]}^{}= \begin{vmatrix} \xi_1 & \xi_2 & \varphi \\ \xi_1\Lambda_1 & \xi_2\Lambda_2 & \lambda\varphi \\ \xi_1^{}\Lambda_1^2 & \xi_2^{}\Lambda_2^2 & \fbox{$\lambda^2\varphi$}\, \end{vmatrix}. \end{equation} \tag{3.7} $$
Зададим $\Xi=(\xi_1,\ldots,\xi_n)$ и положим $\varphi_{[1]}=\varphi$, тогда получаем $n$-ю итерацию ПД в форме квазидерминанта:
$$ \begin{equation} \varphi_{[n+1]}=\begin{vmatrix} \Xi & \varphi \\ \Xi^{(2)} & \varphi^{(2)} \\ \vdots & \vdots \\ \Xi^{(n-1)} & \varphi^{(n-1)} \\ \Xi^{(n)} & \fbox{$\varphi^{(n)}$} \end{vmatrix}, \end{equation} \tag{3.8} $$
где $\varphi^{(n)}=\lambda^{n}\varphi$, $\Xi^{(n)}=\Xi {\Lambda}^{n}$. Заметим, что каждая $\Lambda^i$, $i=1,\ldots,n$, является постоянной матрицей. Таким образом, мы записали квазидетерминантную формулу для $\varphi_{[n+1]}$ через известные собственные функции $\xi_i$, $i=1,\ldots,n$, и собственную функцию $\varphi$ “затравочной” пары Лакса $\mathcal R=\mathcal R_1$ и $\mathcal Q=\mathcal Q_1$. Решение (3.8) называется квазивронскианным (см., например, работу [16]).

3.1. Квазивронскианское решение НК-уравнения Хироты

Далее мы вычисляем, как действует на оператор Лакса $\mathcal R=\mathcal R_1$ ПД $D_\xi=\lambda I-\xi\Lambda\xi^{-1}$, где $\xi$ – собственная функция задачи с оператором Лакса $\mathcal R$ ($\mathcal R(\xi)=0$ по определению), а $\Lambda$ – матрица собственных значений. Аналогичные результаты справедливы и для оператора $\mathcal Q=\mathcal Q_1$. Оператор $\mathcal R$ преобразуется в новый оператор $\widetilde{\mathcal R}=\mathcal R_{[2]}$ как

$$ \begin{equation} \widetilde{\mathcal R}=D_\xi^{}\mathcal RD_\xi^{-1}. \end{equation} \tag{3.9} $$
Используя формулы (2.1) и (3.1) в (3.9) и сравнивая коэффициенты при $\lambda^j$, получаем два уравнения
$$ \begin{equation} U_{[2]}-U-[J,\xi\Lambda\xi^{-1}]=0 \end{equation} \tag{3.10} $$
и
$$ \begin{equation} -\partial_x (\xi\Lambda\xi^{-1})+[U,\xi\Lambda\xi^{-1}]+[J,\xi\Lambda\xi^{-1}]\xi\Lambda\xi^{-1}=0. \end{equation} \tag{3.11} $$
Чтобы проверить уравнение (3.11), запишем (2.1) через частные собственные функции $\xi$ следующим образом:
$$ \begin{equation} \xi_x=J\xi\Lambda+U\xi. \end{equation} \tag{3.12} $$
Используя полученное уравнение, нетрудно проверить, что (3.11) выполняется.

Для простоты формул введем матрицу $F$ с помощью равенства

$$ \begin{equation} U=[F,J]. \end{equation} \tag{3.13} $$
Оно удовлетворяется при $F=\frac{1}{2i}\bigl(\begin{smallmatrix} 0 & q^{}_{} \\ q^\unicode{8224} & 0 \end{smallmatrix}\bigr)$. Из равенств (3.10) и (3.13) имеем
$$ \begin{equation} F_{[2]}=F-\xi^{(1)}\xi^{-1}, \end{equation} \tag{3.14} $$
где $\xi^{(1)}=\xi\Lambda$. После $n$-кратного применения ПД $D_\xi$ получаем
$$ \begin{equation} F_{[n+1]}^{}=F_{[n]}^{}-\xi^{(1)}_{[n]}\xi^{-1}_{[n]}=F-\sum_{k=1}^{n}\xi^{(1)}_{[k]}\xi^{-1}_{[k]}, \end{equation} \tag{3.15} $$
где $F_{[1]}=F$, $\xi_{[1]}=\xi_1=\xi$ и $\Lambda_1=\Lambda$. По индукции запишем матрицу $F_{[n+1]}$ через квазидетерминанты как
$$ \begin{equation} F_{[n+1]}=F+ \begin{vmatrix} \Xi & 0_2 \\ \Xi^{(2)} & 0_2 \\ \vdots & \vdots \\ \Xi^{(n-2)} & 0_2 \\ \Xi^{(n-1)} & I_2 \\ \Xi^{(n)} & \fbox{$0_2$}\, \end{vmatrix}, \end{equation} \tag{3.16} $$
где $I_2$ и $0_2$ – единичная и нулевая матрицы размера $2\times 2$. Заметим, что в решении (3.16) каждая собственная функция $\xi_i$, $i=1,\ldots,n$, с частным собственным значением для операторов $\mathcal R$, $\mathcal Q$ – это матрица размера $2\times 2$, а не скаляр.

Наше НК-уравнение Хироты (2.4) выражается через $q$ и $q^\unicode{8224}$, поэтому более уместно выразить через них квазивронскианское решение (3.16). Для этого представим каждую функцию $\xi_i$, $i=1,\ldots,n$, в виде матрицы размера $2\times 2$:

$$ \begin{equation} \xi_i=\begin{pmatrix} \varphi_{2i-1} & \varphi_{2i} \\ \chi_{2i-1} & \chi_{2i} \end{pmatrix}. \end{equation} \tag{3.17} $$
Для $\varphi=\varphi(x,t)$ и $\chi=\chi(x,t)$ матрица $F_{[n+1]}$ может быть записана как
$$ \begin{equation} F_{[n+1]}=F+\begin{pmatrix} \begin{vmatrix} \widehat\Xi & f_{2n-1} \\ \varphi^{(n)} & \fbox{$0$}\,\end{vmatrix} & \begin{vmatrix} \widehat\Xi & f_{2n} \\ \varphi^{(n)} & \fbox{$0$}\,\end{vmatrix} \\ \begin{vmatrix} \widehat\Xi & f_{2n-1} \\ \chi^{(n)} & \fbox{$0$}\,\end{vmatrix} & \begin{vmatrix} \widehat\Xi & f_{2n} \\ \chi^{(n)} & \fbox{$0$}\,\end{vmatrix} \end{pmatrix}, \end{equation} \tag{3.18} $$
где $\widehat\Xi=(\xi_j^{(i-1)})_{i,j=1,\ldots,n}$ – матрица размера $2n\times 2n$, зависящая от $\xi_1,\ldots,\xi_n$, а $f_{2n-1}$ и $f_{2n}$ – вектор-столбцы размера $2n\times 1$, все элементы которых равны нулю, за исключением единицы, стоящей на $(2n-1)$-м и $(2n)$-м месте соответственно, в то время как $\varphi^{(n)}=(\varphi_1^{(n)},\ldots,\varphi_{2n}^{(n)})$ и $\chi^{(n)}=(\chi_1^{(n)},\ldots,\chi_{2n}^{(n)})$ обозначают вектор-строки размера $1\times 2n$. Используя матрицу $F=\frac{1}{2i}\bigl(\begin{smallmatrix} 0 & q \\ q^\unicode{8224} & 0 \end{smallmatrix}\bigr)$, мы немедленно получаем, что $q$ и $q^\unicode{8224}$ можно записать как квазивронскианы:
$$ \begin{equation} q_{[n+1]}=q+2i\begin{vmatrix} \widehat\Xi & f_{2n} \\ \varphi^{(n)} & \fbox{$0$}\,\end{vmatrix},\qquad q_{[n+1]}^\unicode{8224}=q^\unicode{8224}+2i\begin{vmatrix} \widehat\Xi & f_{2n-1} \\ \chi^{(n)} & \fbox{$0$} \end{vmatrix}. \end{equation} \tag{3.19} $$

В следующем разделе, следуя подходу работы [30], мы построим бинарное ПД для НК-уравнения Хироты.

4. Бинарное ПД

Пусть $\xi_1,\ldots,\xi_n$ – собственные функции операторов Лакса $\mathcal R$ и $\mathcal Q$, а $\zeta_1,\ldots,\zeta_n$ – собственные функции сопряженных операторов Лакса $\mathcal R^\unicode{8224}$ и $\mathcal Q^\unicode{8224}$. Предположим, что $\varphi_{[1]}=\varphi$ есть собственная функция с собственным значением общего вида для операторов Лакса $\mathcal R$ и $\mathcal Q$, а $\psi_{[1]}=\psi$ есть аналогичная собственная функция для сопряженных операторов Лакса $\mathcal R^\unicode{8224}$ и $\mathcal Q^\unicode{8224}$.

Бинарное ПД и его сопряженное задаются как

$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^{}&=I-\xi_{[1]}^{}\Delta(\xi_{[1]}^{},\zeta_{[1]}^{})^{-1}\Gamma^{-1\,\unicode{8224}}\zeta_{[1]}^\unicode{8224}, \\ D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^\unicode{8224}&=I-\zeta_{[1]}^{}\Delta(\xi_{[1]}^{},\zeta_{[1]}^{})^{-1\,\unicode{8224}}\Lambda^{-1\,\unicode{8224}}\xi_{[1]}^\unicode{8224}, \end{aligned} \end{equation} \tag{4.1} $$
где $\xi_{[1]}=\xi_1$ есть собственная функция, задающая ПД из операторов $\mathcal R$, $\mathcal Q$ в $\widetilde{\mathcal R}$, $\widetilde{\mathcal Q}$, а $\zeta_{[1]}:=\zeta_1$ есть собственная функция, задающая ПД из операторов $\mathcal R^\unicode{8224}$, $\mathcal Q^\unicode{8224}$ в $\widetilde{\mathcal R}^\unicode{8224}$, $\widetilde{\mathcal Q}^\unicode{8224}$. Потенциал $\Delta$ удовлетворяет уравнениям
$$ \begin{equation} \begin{gathered} \, \Gamma^\unicode{8224}\Delta(\xi_{[1]}^{},\zeta_{[1]}^{})+\Delta(\xi_{[1]}^{},\zeta_{[1]}^{})\Lambda=\zeta_{[1]}^\unicode{8224}\xi_{[1]}^{}, \\ (\lambda I+\Gamma^\unicode{8224})\Delta(\varphi_{[1]}^{},\zeta_{[1]}^{})=\zeta_{[1]}^\unicode{8224}\varphi_{[1]}^{},\qquad \Delta(\xi_{[1]}^{},\psi_{[1]}^{})(\mu^\unicode{8224} I+\Lambda)=\psi_{[1]}^\unicode{8224}\xi_{[1]}^{}. \end{gathered} \end{equation} \tag{4.2} $$
Полученные после преобразования операторы $\widetilde{\mathcal R}=\mathcal R_{[2]}$ и $\widetilde{\mathcal Q}=\mathcal Q_{[2]}$ имеют вид
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \mathcal R_{[2]}^{}&=D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^{}\mathcal R_{[1]}^{}D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^{-1}, \\ \mathcal Q_{[2]}^{}&=D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^{}\mathcal Q_{[1]}^{}D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^{-1}, \end{aligned} \end{equation} \tag{4.3} $$
и для них собственные функции и сопряженные собственные функции с собственными значениями общего вида записываются как
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \varphi_{[2]}&:=D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}} (\varphi_{[1]})= \varphi_{[1]}-\xi_{[1]}\Delta(\xi_{[1]},\zeta_{[1]})^{-1}(I+\lambda I\Gamma^{-1\,\unicode{8224}})\Delta(\varphi_{[1]},\zeta_{[1]}), \\ \psi_{[2]}^{}&:=D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}^{-1\,\unicode{8224}}(\psi_{[1]}^{})= \psi_{[1]}^{}-\zeta_{[1]}^{}\Delta(\xi_{[1]}^{},\zeta_{[1]})^{-1\,\unicode{8224}}(I+\mu I\Lambda^{-1\,\unicode{8224}})\Delta(\xi_{[1]}^{},\psi_{[1]})^\unicode{8224}. \end{aligned} \end{equation} \tag{4.4} $$

Чтобы выполнить $n$-ю итерацию, выберем собственную функцию $\xi_{[n]}$, определяющую ПД из $\mathcal R_{[n]}$, $\mathcal Q_{[n]}$ в $\mathcal R_{[n+1]}$, $\mathcal Q_{[n+1]}$, и собственную функцию $\zeta_{[n]}$, определяющую сопряженное ПД из $\mathcal R_{[n]}^\unicode{8224}$, $\mathcal Q_{[n]}^\unicode{8224}$ в $\mathcal R_{[n+1]}^\unicode{8224}$, $\mathcal Q_{[n+1]}^\unicode{8224}$. Операторы Лакса $\mathcal R_{[n]}$ и $\mathcal Q_{[n]}$ ковариантны относительно бинарного ПД

$$ \begin{equation} D_{\xi_{[n]},\zeta_{[n]}}^{}=I-\xi_{[n]}\Delta(\xi_{[n]}^{},\zeta_{[n]})^{-1}\Gamma^{-1\,\unicode{8224}}\zeta_{[n]}^\unicode{8224}, \end{equation} \tag{4.5} $$
а сопряженные операторы $\mathcal R_{[n]}^\unicode{8224}$ и $\mathcal Q^\unicode{8224}_{[n]}$ ковариантны относительно сопряженного бинарного ПД
$$ \begin{equation} D_{\xi_{[n]},\zeta_{[n]}}^{-1\,\unicode{8224}}=I-\zeta_{[n]}\Delta(\xi_{[n]},\zeta_{[n]})^{-1}\Lambda^{-1\,\unicode{8224}}\xi_{[n]}^\unicode{8224}. \end{equation} \tag{4.6} $$
Преобразованные операторы
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \mathcal R_{[n+1]}^{}&=D_{\xi_{[n]},\zeta_{[n]}}^{}\mathcal R_{[n]}^{}D_{\xi_{[n]},\zeta_{[n]}}^{-1}, \\ \mathcal Q_{[n+1]}^{}&=D_{\xi_{[n]},\zeta_{[n]}}^{}\mathcal Q_{[n]}^{}D_{\xi_{[n]},\zeta_{[n]}}^{-1} \end{aligned} \end{equation} \tag{4.7} $$
имеют собственные функции и сопряженные собственные функции с собственными значениями общего вида, задающиеся как
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \varphi_{[n+1]}&=\varphi_{[n]}-\xi_{[n]}\Delta(\xi_{[n]},\zeta_{[n]})^{-1}(I+\lambda I\Gamma^{-1\,\unicode{8224}})\Delta(\varphi_{[n]},\zeta_{[n]}), \\ \psi_{[n+1]}&=\psi_{[n]}-\zeta_{[n]}\Delta(\xi_{[n]},\zeta_{[n]})^{-1} (I+\mu I\Lambda^{-1\,\unicode{8224}})\Delta(\xi_{[n]},\psi_{[n]})^\unicode{8224}. \end{aligned} \end{equation} \tag{4.8} $$
Введя $\Xi=(\xi_1,\ldots,\xi_n)$ и $Z=(\zeta_1,\ldots,\zeta_n)$, мы можем выразить эти результаты через квазиграмианы:
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, \varphi_{[n+1]}&=\begin{vmatrix} \Delta(\Xi,Z) & (I+\lambda I\widehat\Gamma^{-1\,\unicode{8224}})\Delta(\varphi,Z) \\ \Xi & \fbox{$\varphi$} \end{vmatrix}, \\ \psi_{[n+1]}&=\begin{vmatrix} \Delta(\Xi,Z)^\unicode{8224} & (I+\mu I\widehat\Lambda^{-1\,\unicode{8224}})\Delta(\Xi,\psi)^\unicode{8224} \\ Z & \fbox{$\psi$} \end{vmatrix}, \end{aligned} \end{equation} \tag{4.9} $$
где $\widehat\Gamma=\operatorname{diag}(\Gamma,\ldots,\Gamma)$, $\widehat\Lambda=\operatorname{diag}(\Lambda,\ldots,\Lambda)$ и матрицы $\Gamma$ и $\Lambda$ имеют размер $2\times 2$.

4.1. Квазиграмианные решения НК-уравнения Хироты

Здесь мы определяем, как действует на оператор $\mathcal R$ бинарное ПД $D_{\xi,\zeta}=I-\xi\Delta(\xi,\zeta)^{-1}\Gamma^{-1\,\unicode{8224}}\zeta^\unicode{8224}$, где $\xi_1,\ldots,\xi_n$ – собственные функции оператора $\mathcal R$, а $\zeta_1,\ldots,\zeta_n$ – собственные функции сопряженного оператора Лакса $\mathcal R^\unicode{8224}$. Аналогичные результаты справедливы для операторов $\mathcal Q$ и $\mathcal Q^\unicode{8224}$.

Бинарное ПД $D_{\xi_{[1]},\zeta_{[1]}}=D_{\xi,\zeta}$ является комбинацией двух обычных ПД $D_{\xi_{[1]} }=D_\xi$ и $D_{\hat{\xi}_{[1]}}=D_{\hat{\xi}}$. Таким образом, при бинарном ПД оператор Лакса $\mathcal R$ отображается в новый оператор Лакса $\widehat{\mathcal R}$,

$$ \begin{equation} \widehat{\mathcal R}=D_{\hat\xi}^{}\mathcal RD_{\hat\xi}^{-1}. \end{equation} \tag{4.10} $$
В результате получаем
$$ \begin{equation} \widehat U=U+[J,\xi\Delta(\xi,\zeta)^{-1}\zeta^\unicode{8224}]. \end{equation} \tag{4.11} $$
Поскольку $U=[F,J]$, имеем
$$ \begin{equation} \widehat F=F-\xi\Delta(\xi,\zeta)^{-1}\zeta^\unicode{8224}. \end{equation} \tag{4.12} $$
Повторив $n$ раз бинарное ПД $G_{\xi,\zeta}$, получаем
$$ \begin{equation} F_{[n+1]}^{}=F_{[n]}^{}-\xi_{[n]}^{}\Delta(\xi_{[n]}^{},\zeta_{[n]})^{-1}\zeta_{[n]}^\unicode{8224}= F-\sum_{i=1}^{n}\xi_{[i]}^{}\Delta(\xi_{[i]}^{},\zeta_{[i]})^{-1}\zeta_{[i]}^\unicode{8224}, \end{equation} \tag{4.13} $$
где $F_{[1]}=F$, $F_{[2]}=\widehat F$, $\xi_{[1]}=\xi_1$ и $\zeta_{[1]}=\zeta_1$. Введем $\Xi=(\xi_1,\ldots,\xi_n)$, $Z=(\zeta_1,\ldots,\zeta_n)$ и запишем результат (4.13) в форме квазиграмиана:
$$ \begin{equation} F_{[n+1]}=F+\begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & Z^\unicode{8224} \\ \Xi & \fbox{$0_2$}\,\end{vmatrix}. \end{equation} \tag{4.14} $$

Заметим, что каждая $\xi_i$, $\zeta_i$, $i=1,\ldots,n$, является матрицей размера $2\times 2$. Рассматриваемое НК-уравнение Хироты записано в терминах некоммутативных объектов $q$, $q^\unicode{8224}$, и мы выражаем квазиграмианское решение (4.14) через эти объекты. Зададим матрицы $\xi_i$, как в квазивронскианском случае (3.17). Кроме того, введем $Z=\Xi H^\unicode{8224}$, где $H$ – постоянная матрица размера $2n\times 2n$. Следует отметить, что матрицы $\Xi$ и $Z$ удовлетворяют одному и тому же дисперсионному соотношению и остаются неизменными при умножении на постоянную матрицу. Таким образом, квазиграмианное решение (4.14) также можно записать как

$$ \begin{equation} F_{[n+1]}=F+ \begin{pmatrix} \begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\varphi^\unicode{8224} \\ \varphi & \fbox{$0$} \end{vmatrix} & \begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\chi^\unicode{8224} \\ \varphi & \fbox{$0$} \end{vmatrix} \\ \begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\varphi^\unicode{8224} \\ \chi & \fbox{$0$} \end{vmatrix} & \begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\chi^\unicode{8224} \\ \chi & \fbox{$0$} \end{vmatrix} \end{pmatrix}, \end{equation} \tag{4.15} $$
где $\varphi=(\varphi_1,\ldots,\varphi_n)$ и $\chi=(\chi_1,\ldots,\chi_n)$ – вектор-строки. Отсюда получаем, что квазиграмианнное выражение для решений $q$ и $q^\unicode{8224}$ НК-уравнения Хироты (2.4) имеет вид
$$ \begin{equation} q_{[n+1]}^{}=q+2i\begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\chi^\unicode{8224} \\ \varphi & \fbox{$0$} \end{vmatrix},\qquad q_{[n+1]}^\unicode{8224}=q^\unicode{8224}+2i\begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\varphi^\unicode{8224} \\ \chi & \fbox{$0$} \end{vmatrix}. \end{equation} \tag{4.16} $$
Это решение можно свести к отношению обычных грамианов, если снять условие некоммутативности: в коммутативном пределе имеем
$$ \begin{equation} q_{[n+1]}=q-2i\frac{\begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\chi^\unicode{8224} \\ \phi & 0 \end{vmatrix}}{|\Delta(\Xi, Z)|},\qquad \bar q_{[n+1]}=\bar q-2i\frac{\begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\varphi^\unicode{8224} \\ \chi & 0 \end{vmatrix}}{|\Delta(\Xi,Z)|}. \end{equation} \tag{4.17} $$
Эти формулы задают грамианное решение уравнения Хироты (2.8).

5. Явные решения

При $q=0$ спектральная задача (2.1), (2.2) имеет решение

$$ \begin{equation} \varphi_j=e^{i\beta_j},\qquad \chi_j=e^{-i\beta_j},\qquad \beta_j=-\lambda_jx+2(2\gamma\lambda_j^3+\gamma_2\lambda^2_j)t. \end{equation} \tag{5.1} $$
Чтобы работать только с $\varphi_1,\ldots,\varphi_n$ и $\chi_1,\ldots,\chi_n$, перенумеруем $\varphi_i$ как $\varphi_{(i+1)/2}$ для нечетных $i$ (т. е. для $i=1,3,\ldots,2n-1$) и положим $\varphi_i=0$ для четных $i$ (т. е. для $i=2,4,\ldots,2n$); аналогично перенумеруем $\chi_i$ как $\chi_{i/2}$ для четных $i$ и положим $\chi_i=0$ для нечетных $i$. Тогда имеем
$$ \begin{equation} \varphi=(\varphi_1,0,\varphi_2,0, \ldots,\varphi_n,0),\qquad\chi=(0,\chi_1,0, \chi_2, \ldots,0,\chi_n) \end{equation} \tag{5.2} $$
и $\xi_i=\operatorname{diag}(\varphi_i,\chi_i)$, $i=1,\ldots,n$, где $\varphi_i$, $\chi_i$ заданы в (5.1).

Сначала обсудим коммутативный случай. Для этого запишем грамианное решение (4.17) как

$$ \begin{equation} q_{[n+1]}=-2i\frac{\begin{vmatrix} \Delta(\Xi, Z) & H\chi^\unicode{8224} \\ \varphi & 0 \end{vmatrix}}{|\Delta(\Xi, Z)|}= -2i \frac{\mathcal G}{\mathcal F}, \end{equation} \tag{5.3} $$
где $\mathcal F=\det W$ и
$$ \begin{equation} W=\Delta(\Xi,Z)=\int Z^\unicode{8224} J\Xi\,dx+I_{2n}. \end{equation} \tag{5.4} $$
Здесь $I_{2n}$ – единичная матрица размера $2n\times 2n$, $\Xi=(\xi_1,\ldots,\xi_n)$, где каждая $\xi_i$ – собственная функция операторов Лакса $\mathcal R$, $\mathcal Q$ (матрица размера $2\times 2$). Аналогично $Z=(\zeta_1,\ldots,\zeta_n)$, где каждая $\zeta_i$ – собственная функция сопряженных операторов Лакса $\mathcal R^\unicode{8224}$, $\mathcal Q^\unicode{8224}$. Следовательно, $\Delta(\Xi,Z)$ – матрица размера $2n\times 2n$ со скалярными (размера $1\times 1$) элементами.

Позже, когда мы будем обсуждать НК-случай, каждый элемент собственных функций $\xi_i$, $\zeta_i$ будет рассматриваться как матрица. Так как $Z=\Xi H^\unicode{8224}$, где $H$ – постоянная матрица размера $2n\times 2n$, мы имеем

$$ \begin{equation} W=H\int\Xi^\unicode{8224} J\Xi\,dx+I_{2n}=H\Theta+I_{2n}, \end{equation} \tag{5.5} $$
где
$$ \begin{equation} \Theta=\begin{pmatrix} -i\displaystyle\int^{x}\varphi_1^\ast\varphi_1^{}\,dx & 0_2^{} & \ldots & -i\displaystyle\int^{x}\varphi_1^\ast\varphi_n^{}\,dx & 0_2^{} \\ 0_2^{} & i\displaystyle\int^{x}\chi_1^\ast\chi_1^{}\,dx & \ldots & 0_2^{} & i\displaystyle\int\chi_1^\ast\chi_n^{}\,dx \\ \vdots & \vdots & \ddots & \vdots & \vdots \\ -i\displaystyle\int^{x}\varphi_n^\ast\varphi_1^{}\,dx & 0_2 & \ldots &-i\displaystyle\int^{x}\varphi_n^\ast\varphi_n^{}\,dx & 0_2^{} \\ 0_2^{} & i\displaystyle\int^{x}\chi_n^\ast\chi_1^{}\,dx & \ldots & 0_2^{} & i\displaystyle\int^{x}\chi_n^\ast\chi_n^{}\,dx \end{pmatrix}. \end{equation} \tag{5.6} $$

Теперь найдем односолитонное ($n=1$) решение коммутативного уравнения Хироты. Положив $H=\bigl(\begin{smallmatrix} h_1 & h_2 \\ h_2 & h_1 \end{smallmatrix}\bigr)$, получаем решение

$$ \begin{equation} q_{[2]}=\frac{2ih_2e^{i\omega}}{1+\frac{h_1^{}}{\lambda_1^{}-\lambda^\ast_1}(e^{iv}+e^{-iv})+\frac{h_1^2-h_2^2}{(\lambda_1^{}-\lambda^\ast_1)^2}}, \end{equation} \tag{5.7} $$
где $h_1$, $h_2$ – вещественные постоянные и $v=(\lambda^\ast-\lambda) x+(4\gamma(\lambda^{\ast3}-\lambda^3)+2\gamma_2(\lambda^{\ast 2}-\lambda^2))t$. В односолитонном решении (5.7) мы берем ненулевые $h_1$, $h_2$, поскольку случай, когда $h_1$ или $h_2$ равно нулю, дает тривиальное решение. Таким образом, в коммутативном случае распространение солитона $q_{[2]}$ происходит со скоростью
$$ \begin{equation*} 4(\gamma(\lambda_{\mathrm I}^2-3\lambda_{\mathrm R}^2)-\gamma_2\lambda_{R}),\qquad \lambda_{\mathrm R}:=\operatorname{Re}\lambda,\quad \lambda _{\mathrm I}:=\operatorname{Im}\lambda. \end{equation*} \notag $$
Это решение изображено на рис. 1.

GRAPHIC

Рис. 1.Эволюция решения (5.7) с параметрами $h_1=2$, $h_2=-1$, $\lambda=0.5+0.9i$ при различных $\gamma$, $\gamma_2$.

Из рис. 1 видно, что амплитуда солитона в точке $(0,0)$ не зависит от $\gamma$, $\gamma_2$, и когда оба параметра отличны от нуля, и когда один из параметров равен нулю. Таким образом, $\gamma$ и $\gamma_2$ не влияют на амплитуду солитона. Но эти параметры влияют на скорость солитона. Солитон на рис. 1в движется быстрее, чем два других солитона, а солитон на рис. 1б распространяется в противоположном направлении по сравнению с солитонами на рис. 1а и 1в.

Некоммутативный случай

Теперь обсудим НК-случай. В работе [31] было показано, что амплитуды матричных солитонов, которые, в отличие от скалярного случая, являются векторами, а не числами, не сохраняются при взаимодействии, а преобразуются по определенным правилам.

Для $n=1$ выберем солитоны $\varphi$, $\chi$ пары Лакса как матрицы размера $2\times 2$,

$$ \begin{equation} \varphi_j^{}=e^{i\beta_j}I_2^{},\qquad \chi_j^{}=e^{-i\beta_j}I_2^{},\qquad \beta_j^{}=-\lambda_j^{}x+2(2\gamma\lambda_j^3+\gamma_2^{}\lambda^2_j)t. \end{equation} \tag{5.8} $$
Таким образом, каждый элемент матриц $\varphi$ и $\chi$ и постоянной матрицы $H$ имеет размер $2\times 2$, эти матрицы задаются формулами
$$ \begin{equation} \begin{gathered} \, \varphi=\begin{pmatrix} \varphi_1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \varphi_1 & 0 & 0 \end{pmatrix},\qquad \chi=\begin{pmatrix} 0 & 0 & \chi_1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & \chi_1 \end{pmatrix}, \\ H=\begin{pmatrix} h_{11} & h_{12} & h_{13} & h_{14} \\ h_{12} & h_{11} & h_{14} & h_{13} \\ h_{13} & h_{14} & h_{33} & h_{34} \\ h_{14} & h_{13} & h_{34} & h_{33} \end{pmatrix}. \end{gathered} \end{equation} \tag{5.9} $$
В результате для $n=1$ квазиграмианное выражение для решения $q_2$ (в НК-случае теперь мы обозначаем это решение как $q^{1}$) имеет вид
$$ \begin{equation} \begin{aligned} \, q^{1}&= 2i\begin{pmatrix} \begin{vmatrix} & & \Delta(\Xi, Z) & & \chi^{11} \\ \varphi_1 & 0 & 0 & 0 & \!\fbox{$0$}\; \end{vmatrix} & \begin{vmatrix} & & \Delta(\Xi, Z) & & \chi^{12} \\ \varphi_1 & 0 & 0 & 0 & \!\fbox{$0$}\; \end{vmatrix} \\ \begin{vmatrix} & & \Delta(\Xi, Z) & & \chi^{11}\\ 0 & \varphi_1 & 0 & 0 & \!\fbox{$0$}\; \end{vmatrix} & \begin{vmatrix} & & \Delta(\Xi, Z) & & \chi^{12} \\ 0 & \varphi_1 & 0 & 0 & \!\fbox{$0$}\; \end{vmatrix} \end{pmatrix}= \nonumber\\ &=2i\begin{pmatrix} q_{11}^{1} & q_{12}^{1} \\ q_{21}^{1} & q_{22}^{1} \end{pmatrix}, \end{aligned} \end{equation} \tag{5.10} $$
где $\chi^{11}=(h_{13}^{}\chi_1^\ast h_{14}^{}\chi_1^\ast h_{33}^{}\chi_1^\ast h_{34}^{}\chi_1^\ast)^\unicode{8224}$, $\chi^{12}=(h_{14}^{}\chi_1^\ast h_{13}^{}\chi_1^\ast h_{34}^{}\chi_1^\ast h_{33}^{}\chi_1^\ast)^\unicode{8224}$ и $\Delta$ – потенциал (5.4), каждый элемент которого есть матрица размера $2\times 2$. Различные графики решений (5.10) изображены на рис. 25.

GRAPHIC

Рис. 2.Эволюция решения (5.10) с параметрами $h_{11}=0.23$, $h_{12}=-h_{13}=1$, $h_{14}=-2$, $h_{33}=0.2$, $h_{34}=1$ и $\gamma=1$, $\gamma_2=0.5$, $\lambda=0.5+0.9i$.

GRAPHIC

Рис. 3.Эволюция решения (5.10) с параметром $h_{14}=0$ и остальными параметрами, как на рис. 2.

GRAPHIC

Рис. 4.Эволюция решения (5.10) с параметром $h_{14}=0$ и остальными параметрами, как на рис. 2.

GRAPHIC

Рис. 5.Эволюция решения (5.10) с параметром $\gamma_2=0$ и остальными параметрами, как на рис. 2.

В НК-случае солитонное решение (5.10) определяется не только спектральным параметром $\lambda$, но и элементами матрицы $H$: если выбирать элементы $h_{13}^{}$, $h_{14}^{}$ нулевыми, то мы получаем, что все решения $q_{11}^{1}$, $q_{12}^{1}$, $q_{21}^{ 1}$ и $q_{22}^{1}$ тривиальны. Аналогично выбор $h_{13}^{}=h_{14}^{}=-2$ дает один и тот же график для четырех решений $q_{11}^{1}$, $q_{12}^{ 1}$, $q_{21}^{1}$ и $q_{22}^{1}$, а не четыре, как хотелось бы. Заметим, что если $h_{13}^{}=h_{14}=-2$, то все солитоны движутся с одинаковой амплитудой ($0.9261$ единиц). Если $h_{13}^{}\neq h_{14}^{}$, то для элементов матрицы $q^{1}$ мы получаем четыре различных графика с двойными пиками (см. рис. 2). Если $h_{14}^{}=0$, а все остальные элементы матрицы $H$ те же, что на рис. 2, то мы получаем графики с одним пиком. Выбор $h_{14}=0$ дает одинаковые графики для солитонов $q_{12}^{1}$ и $q_{21}^{1}$ с амплитудой $1.1387$, а движение солитонов $q_{11}^{1}$ и $q_{22}^{1}$ с соответствующими амплитудами $0.7607$ и $1.0322$ неидентично (см. рис. 3). Если $h_{12}^{}=-h_{14}^{}=-2$ и $h_{11}^{}=h_{13}^{}=h_{33}^{}= h_{34}^{}=0$, мы получаем идентичные графики для $q_{11}^{1}$, $q_{22}^{1}$ с одним пиком, а для $q_{12}^{1}$ и $q_{21}^{1}$ имеем два различных кинка (см. рис. 4).

При $\gamma_2^{}=0$ мы получаем решения НК-уравнения Хироты–НУШ (2.5). Движение солитонов, соответствующих каждому элементу матрицы $q^{1}$ для НК-уравнения Хироты–НУШ показано на рис. 5.

Подведем итог: важность изучения НК-обобщений интегрируемых систем состоит в том, что в этом случае мы имеем богатый выбор солитонных конфигураций, которые контролируются не только спектральным параметром $\lambda$, но и элементами матрицы $H$. Еще один важный факт заключается в том, что солитонные решения этих систем претерпевают фазовый сдвиг и, в отличие от скалярного случая, могут менять амплитуду при взаимодействии с другими солитонами.

6. Заключительные замечания

В представленной статье мы изучили некоммутативное обобщение уравнения Хироты, построили преобразования Дарбу и бинарные преобразования Дарбу и с их помощью получили большое семейство решений в форме квазивронскианов и квазиграмианов. Эти квазивронскианы и квазиграмианы выражаются через решения некоммутативного уравнения Хироты и соответствующей пары Лакса. Для некоммутативной задачи мы получили решения с одним и двумя пиками. Представленный в этой работе подход является эффективным инструментом, позволяющим строить явные выражения для мультисолитонных решений других родственных некоммутативных интегрируемых систем.

Конфликт интересов

Автор заявляет, что у него нет конфликта интересов.

Список литературы

1. S. Carillo, C. Schiebold, “Noncommutative Korteweg–de Vries and modified Korteweg–de Vries hierarchies via recursion methods”, J. Math. Phys., 50:7 (2009), 073510, 14 pp.  crossref  mathscinet  zmath
2. C. X. Li, J. J. C. Nimmo, S. Shen, “On integrability of a noncommutative $q$-difference two-dimensional Toda lattice equation”, Phys. Lett. A, 379:47–48 (2015), 3075–3083  crossref  mathscinet
3. S. Carillo, M. L. Schiavo, E. Porten, C. Schiebold, “A novel noncommutative KdV-type equation, its recursion operator, and solitons”, J. Math. Phys., 59:4 (2018), 043501, 14 pp.  crossref  mathscinet
4. М. Хаманака, Х. Окабе, “Рассеяние солитонов в некоммутативных пространствах”, ТМФ, 197:1 (2018), 68–88  mathnet  crossref  crossref  mathscinet  adsnasa
5. H. W. A. Riaz, M. Hassan, “An integrable noncommutative generalization of the AB system and its multisoliton solutions”, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 79:2 (2019), 104936, 14 pp.  crossref  mathscinet
6. S. R. Macfarlane, Quasideterminant solutions of noncommutative integrable systems, PhD thesis, University of Glasgow, Scotland, UK, 2010
7. N. Seiberg, E. Witten, “String theory and noncommutative geometry”, JHEP, 09 (1999), 032, 93 pp.  mathnet  crossref  mathscinet  adsnasa
8. K. Furuta, T. Inami, “Ultraviolet property of noncommutative Wess–Zumino–Witten model”, Mod. Phys. Lett. A, 15:15 (2000), 997–1002, arXiv: hep-th/0004024  crossref  mathscinet  adsnasa
9. P. Etingof, I. Gelfand, V. Retakh, “Factorization of differential operators, quasideterminants and nonabelian Toda field equations”, Math. Res. Lett., 4:3 (1997), 413–425  crossref  mathscinet
10. И. М. Гельфанд, В. С. Ретах, “Детерминанты матриц над некоммутативными кольцами”, Функц. анализ и его прил., 25:2 (1991), 13–25  mathnet  crossref  mathscinet  zmath
11. M. Hamanaka, “Noncommutative Ward's conjecture and integrable systems”, Nucl. Phys. B, 741:3 (2006), 368–389, arXiv: hep-th/0601209  crossref  mathscinet
12. Fa-Jun Yu, “Noncommutative AKNS equation hierarchy and its integrable couplings with Kronecker product”, Chinese Phys. Lett., 25:2 (2008), 359–362  crossref
13. A. Dimakis, F. Müller-Hoissen, “Bicomplexes, integrable models, and noncommutative geometry”, Internat. J. Modern Phys. B, 14:22–23 (2000), 2455–2460  crossref  mathscinet
14. O. Lechtenfeld, A. D. Popov, “Noncommutative multi-solitons in $2+1$ dimensions”, JHEP, 11 (2001), 040, 32 pp.  crossref  mathscinet
15. O. Lechtenfeld, L. Mazzanti, S. Penati, A. D. Popov, L. Tamassia, “Integrable noncommutative sine-Gordon model”, Nucl. Phys. B, 705:3 (2005), 477–503  crossref
16. C. R. Gilson, J. J. C. Nimmo, “On a direct approach to quasideterminant solutions of a noncommutative KP equation”, J. Phys. A: Math. Theor., 40:14 (2007), 3839–3850, arXiv: nlin/0701027  crossref  mathscinet  adsnasa
17. C. R. Gilson, S. R. Macfarlane, “Dromion solutions of noncommutative Davey–Stewartson equations”, J. Phys. A: Math. Theor., 42:23 (2009), 235202, 20 pp.  crossref  mathscinet  adsnasa
18. H. W. A. Riaz, M. Hassan, “Multi-component noncommutative coupled dispersionless system and its quasideterminant solutions”, Modern Phys. Lett. A, 33:15 (2018), 1850086, 15 pp.  crossref  mathscinet; “Noncommutative negative order AKNS equation and its soliton solutions”, 33:35 (2018), 1850209, 17 pp.  crossref  mathscinet
19. H. W. A. Riaz, M. Hassan, “Multisoliton solutions of integrable discrete and semi-discrete principal chiral equations”, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 54 (2018), 416–427  crossref  mathscinet  adsnasa
20. H. W. A. Riaz, “Noncommutative coupled complex modified Korteweg–de Vries equation: Darboux and binary Darboux transformations”, Modern Phys. Lett. A, 34:7–8 (2019), 1950054, 15 pp.  crossref  mathscinet
21. I. Gelfand, S. Gelfand, V. Retakh, R. L. Wilson, “Quasideterminants”, Adv. Math., 193:1 (2005), 56–141  crossref  mathscinet
22. R. Hirota, “Exact envelope-soliton solutions of a nonlinear wave equation”, J. Math. Phys., 14:7 (1973), 805–809  crossref  mathscinet  adsnasa
23. V. S. Gerdjikov, G. G. Grahovski, “On the multi-component NLS type systems and their gauge equivalent: Examples and reductions”, AIP Conf. Proc., 729:1 (2004), 162–169  crossref  mathscinet  zmath
24. T. Xu, G. He, “Higher-order interactional solutions and rogue wave pairs for the coupled Lakshmanan–Porsezian–Daniel equations”, Nonlinear Dyn., 98:3 (2019), 1731–1744  crossref
25. A. Silem, C. Zhang, D.-J. Zhang, “Dynamics of three nonisospectral nonlinear Schrödinger equations”, Chinese Phys. B, 28:2 (2019), 020202  crossref
26. Y. Zhang, R. Ye, W. Ma, “Binary Darboux transformation and soliton solutions for the coupled complex modified Korteweg–de Vries equations”, Math. Methods Appl. Sci., 43:2 (2020), 613–627  crossref  mathscinet
27. A. Ankiewicz, J. M. Soto-Crespo, N. Akhmediev, “Rogue waves and rational solutions of the Hirota equation”, Phys. Rev. E, 81:4 (2010), 046602, 8 pp.  crossref  mathscinet
28. A. Ankiewicz, M. Bokaeeyan, N. Akhmediev, “Shallow-water rogue waves: An approach based on complex solutions of the Korteweg–de Vries equation”, Phys. Rev. E, 99:5 (2019), 050201, 5 pp.  crossref
29. H.-Q. Zhang, F. Chen, “Dark and antidark solitons for the defocusing coupled Sasa–Satsuma system by the Darboux transformation”, Appl. Math. Lett., 88 (2018), 237–242  mathscinet
30. Д. К. Ниммо, К. Р. Джилсон, Я. Охта, “Применения преобразований Дарбу к самодуальным уравнениям Янга–Миллса”, ТМФ, 122:2 (2000), 284–293  mathnet  crossref  crossref  mathscinet  zmath
31. В. М. Гончаренко, “О многосолитонных решениях матричного уравнения КдФ”, ТМФ, 126:1 (2001), 102–114  mathnet  crossref  crossref  mathscinet  zmath

Образец цитирования: Х.  Ваджахат А. Риаз, “Некоммутативное обобщение и квазиграмианные решения уравнения Хироты”, ТМФ, 214:2 (2023), 224–238; Theoret. and Math. Phys., 214:2 (2023), 194–206
Цитирование в формате AMSBIB
\RBibitem{Ria23}
\by Х.~~Ваджахат~А.~Риаз
\paper Некоммутативное обобщение и~квазиграмианные решения уравнения Хироты
\jour ТМФ
\yr 2023
\vol 214
\issue 2
\pages 224--238
\mathnet{http://mi.mathnet.ru/tmf10347}
\crossref{https://doi.org/10.4213/tmf10347}
\mathscinet{http://mathscinet.ams.org/mathscinet-getitem?mr=4563403}
\adsnasa{https://adsabs.harvard.edu/cgi-bin/bib_query?2023TMP...214..194R}
\transl
\jour Theoret. and Math. Phys.
\yr 2023
\vol 214
\issue 2
\pages 194--206
\crossref{https://doi.org/10.1134/S0040577923020046}
\scopus{https://www.scopus.com/record/display.url?origin=inward&eid=2-s2.0-85149261539}
Образцы ссылок на эту страницу:
  • https://www.mathnet.ru/rus/tmf10347
  • https://doi.org/10.4213/tmf10347
  • https://www.mathnet.ru/rus/tmf/v214/i2/p224
  • Citing articles in Google Scholar: Russian citations, English citations
    Related articles in Google Scholar: Russian articles, English articles
    Теоретическая и математическая физика Theoretical and Mathematical Physics
    Статистика просмотров:
    Страница аннотации:136
    PDF полного текста:12
    HTML русской версии:92
    Список литературы:21
    Первая страница:3
     
      Обратная связь:
     Пользовательское соглашение  Регистрация посетителей портала  Логотипы © Математический институт им. В. А. Стеклова РАН, 2024