Мультибризерные решения вещественного и комплексного нелокальных дефокусирующих уравнений коротких импульсов с обращением пространственной и временно́й переменных
Аннотация:
С помощью преобразования Дарбу и нелокальных редукций построены мультибризерные решения детерминантного вида для вещественного и комплексного нелокальных дефокусирующих уравнений коротких импульсов с обращением пространственной и временно́й переменных. Показано, что мультибризерные решения этих двух уравнений можно получить только путем редукции четных многосолитонных решений двухкомпонентного уравнения коротких импульсов. В качестве примеров приведены графики одно- и двухбризерных решений и их динамики.
Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang autonomous region, China
2022GXNSFAA035598
Эта работа была поддержана National Natural Science Foundation of China (грант № 12261061), а также Natural Science Foundation of Guangxi Zhuang autonomous region, China (грант № 2022GXNSFAA035598).
Поступило в редакцию: 07.11.2023 После доработки: 05.01.2024
В работе Бендера и Бётчера [1] в 1998 г. впервые было показало, что неэрмитов гамильтониан может иметь вещественные и положительные собственные значения при условии, что он симметричен относительно преобразований четности и обращения времени, т. е. обладает свойством $\mathcal{PT}$-симметрии. С тех пор неэрмитовы, но $\mathcal{PT}$-симметричные уравнения рассматривались и широко изучались во многих областях [2]. В работе [3] в 2013 г. Абловиц и Мусслимани предложили нелокальное нелинейное уравнение Шредингера с обращением пространственных переменных, которое является первым примером сочетания $\mathcal{PT}$-симметрии с нелинейной интегрируемой системой. Впоследствии были предложены и изучались многочисленные $\mathcal{PT}$-симметричные нелинейные интегрируемые системы (см. работы [4]–[16] и ссылки в них).
Уравнение коротких импульсов (КИ) впервые появилось в работе Рабело [17] при исследовании псевдосферических поверхностей. В стандартном виде оно записывается как
Это уравнение в частных производных также описывает распространение ультракоротких оптических импульсов в нелинейных средах [18]. Впоследствии численные расчеты показали, что в случае сверхкоротких импульсов уравнение КИ дает более точное приближение решения уравнения Максвелла, чем нелинейное уравнение Шредингера [19]. При выводе уравнения КИ основным является предположение о том, что поляризация импульса сохраняется в процессе его распространения в оптическом волокне. Однако при рассмотрении эффектов поляризации в двулучепреломляющих волокнах это уже не так [20]. В этом случае для описания распространения сверхкоротких импульсов следует использовать двухкомпонентную версию уравнения КИ. При дальнейших исследованиях было предложено еще несколько интегрируемых связанных уравнений КИ [21]–[26]. Одним из них является следующее двухкомпонентное уравнение коротких импульсов (уравнение 2КИ), предложенное Мацуно [25]:
Недавно были представлены четыре $\mathcal{PT}$-симметричные редукции уравнения 2КИ, полученные с помощью нелокальной симметричной редукции [5], [6]. А именно, если наложить условие $v(x,t)=\sigma u(-x,-t)$, $\sigma=\pm 1$, то система (2) сводится к двум вещественным нелокальным уравнениям КИ с обращением пространственной и временно́й переменных:
где $u(x,t)$ – вещественная функция, а значения параметра $\sigma=1$ и $\sigma=-1$ соответствуют фокусирующему и дефокусирующему случаям. Если предположить, что $v(x,t)=\sigma u^*(-x,-t)$, где звездочка означает комплексное сопряжение, то система (2) сводится к двум комплексным нелокальным уравнениям КИ с обращением пространственной и временно́й переменных:
где $u(x,t)$ – комплексная функция, а $\sigma=1$ и $\sigma=-1$ опять же соответствуют фокусирующему и дефокусирующему случаям. В настоящей статье эти четыре нелокальные редукции называются вещественным/комплексным фокусирующим/дефокусирующим уравнением КИ с обратным пространством и временем.
Следует отметить, что, хотя вещественное нелокальное фокусирующее уравнение КИ с обратным пространством и временем переходит в соответствующее дефокусирующее уравнение КИ при замене $u\rightarrow\pm iu$, при такой замене его решение становится комплексной, а не вещественной функцией. Поэтому вещественное решение вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем необходимо изучить отдельно.
Имеется ряд результатов [14], [16], [27] о точных решениях уравнений (3) и (4). В частности, в работах [14], [16] было построено неустойчивое солитонное решение вещественного и комплексного нелокальных фокусирующих уравнений КИ с обратным пространством и временем, которое показало, какое влияние оказывает нелокальность в уравнениях, и вызвало наш большой интерес. Однако, проанализировав литературу, мы не нашли аналогичных результатов для дефокусирующего случая. Построение и анализ таких солитонных решений для этого случая является основной целью настоящей работы.
Работа организована следующим образом. В разделе 2 мы вводим преобразование Дарбу (ПД) для уравнения 2КИ с помощью преобразования взаимности и ассоциированного уравнения 2КИ (уравнения а2КИ). В разделе 3 мы строим однобризерные решения двух $\mathcal{PT}$-симметричных нелокальных уравнений путем редукции двухсолитонного решения уравнения 2КИ. В разделе 4 для двух $\mathcal{PT}$-симметричных нелокальных уравнений представлены мультибризерные решения и графически продемонстрированы их динамические свойства.
2. Преобразование Дарбу для уравнения 2КИ
Чтобы построить ПД для уравнения 2КИ, сначала напомним некоторые связанные с этим результаты об уравнении 2КИ. Согласно работе [25] уравнение 2КИ (2) можно вывести из следующей пары Лакса типа Вадати–Конно-Ичикавы:
которая называется уравнением a2КИ. Отметим, что любое решение системы (11) также является решением системы (10), а обратное утверждение справедливо только при надлежащем выборе константы интегрирования.
Теперь применим метод калибровочного преобразования, чтобы построить ПД для уравнения a2КИ (11). Для этого введем матрицу $\widehat\Phi=G\Phi$, где $G$ – подлежащая определению матрица калибровочного преобразования, а $\widehat\Phi$ удовлетворяет условиям
с матрицами $\widehat M$, $\widehat N$ того же вида, что и $M$, $N$, за исключением того, что в них переменные $p$, $u$ и $v$ заменены новыми переменными $p_n$, $u_n$ и $v_n$. Отсюда получаем
где $a_j$, $b_j$, $c_j$, $d_j$ ($j=0,1,\ldots,n-1$) – подлежащие определению неизвестные, $I$ – единичная матрица. Заметим, что матрица $G$ зависит от $4n$ неизвестных параметров, поэтому выберем $2n$ частных решений $\Phi_j=(\phi_{j1},\phi_{j2})^{\mathrm T}$ спектральной задачи с $\lambda=1/\lambda_j$ ($j=1,2\ldots,2n$). Тогда $a_j$, $b_j$, $c_j$, $d_j$ ($j=0,1,\ldots,n-1$) можно найти по правилу Крамера.
Например, для $n=1$ получаем из линейных уравнений
Замечание. Определители $\Delta_{n-1}$, $\Delta_{n-1}^{11}$, $\Delta_{n-1}^{12}$ и $\Delta_{n-1}^{21}$ – это определители матриц размера $2n\times2n$. В $2n$-м столбце определителя $\Delta_{n-1}^{21}$ и $n$-х столбцах определителей $\Delta_{n-1}^{11}$ и $\Delta_{n-1}^{12}$ степени параметров $\lambda_j$ равны $n$, а не $n-1$. Окончательно столбцы указанных выше определителей записываются по порядку от $2n$-го столбца до первого. Например, при $n=3$ определитель $\Delta_{n-1}^{11}$ имеет вид
Преобразование взаимности (6) показывает, что ПД уравнения 2КИ содержит не только зависимые переменные, но и независимую переменную $x$. Из (8) и (15) мы имеем
где $c$ – постоянная интегрирования; мы выбираем $c=\sum_{j=1}^{n}\frac{\lambda_j+\lambda_{n+j}}{2}$. Таким образом, мы можем задать ПД для уравнения 2КИ в следующем компактном виде:
В этом разделе мы построили ПД (17) для уравнения 2КИ с помощью калибровочного преобразования. По сравнению с формулой (15) в разделе 3 статьи [14] мы придали переменным $x_n$ более компактный вид за счет правильного выбора константы интегрирования $c$. Это сделает более удобным построение решения вещественной и комплексной задач для нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем.
3. Однобризерные решения
В этом разделе мы сначала на примере $n=1$ показываем, как строятся решения $\mathcal{PT}$-симметричных нелокальных уравнений путем редукции решения уравнения 2КИ. Для этого сначала выберем тривиальное начальное решение $u=0$, $v=0$ и $p=1$. В силу (6) имеем $x=y$, $t=\tau$. Затем зададим частные решения линейной спектральной задачи (9) при $\lambda=1/\lambda_1$ и $\lambda=1/\lambda_2$ в виде
Как мы отмечали выше, вещественное нелокальное дефокусирующее уравнение КИ с обратным пространством и временем можно получить путем редукции уравнения 2КИ, и это дает нам основания предполагать, что решение первого уравнения также можно построить путем редукции решения второго. В самом деле, предположим, что $\mu_1\mu_2=-1$ и $\mu_2=\mu_1$, тогда с учетом формул (19) получаем соотношения $v_1(x,t)=-u_1(-x,- t)$ и $x_1(x,t)=-x_1(-x,-t)$. Следовательно, имеем редукцию $v_1(x_1,t_1)=-u_1(-x_1,-t_1)$.
Из приведенного выше предположения следует, что если взять $\mu_1=\mu_2=i$, то мы получаем следующее решение вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем:
Из-за наличия в выражении (20) экспоненты $e^{\xi_1+\xi_2}$ решение $u_1$ будет либо затухать, либо расти при $t\to\infty$ в зависимости от значений $\lambda_1$ и $\lambda_2$. Таким образом, этот тип решения представляет собой неустойчивый солитон или солитоноподобное решение [14], [16].
Нетрудно понять, что если $\lambda_1$ и $\lambda_2$ – вещественные числа, то $u_1$ в (20) – комплексное решение. Однако мы уже упоминали, что для вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ (3) с обратным пространством и временем предполагается, что решение $u$ должно быть вещественным. Аналогичный анализ показывает, что соответствующее комплексное уравнение КИ при $n=1$ также не может иметь осмысленного решения.
Чтобы получить более физически содержательные решения для рассматриваемых вещественных и комплексных уравнений, нам необходимо применить редукцию к солитонным решениям уравнения 2КИ с четным $n$. Начнем с простейшего положительного четного числа $n=2$ и выберем частные решения линейной спектральной задачи (9) при $\lambda=1/\lambda_j$ ($j=1,2,3,4$) как
Используя рассуждения для случая $n=1$, можно построить решение комплексного и вещественного нелокальных дефокусирующих уравнений КИ с обратным пространством и временем путем редукции решения (22). Если $\lambda_j$ – вещественные числа, то, чтобы получить решение комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем (22), нам нужно предположить, что $v_2(x,t)=-u_2^* (-x,-t)$. Это приводит к условиям
Однако отсюда возникает ограничение $\mu_1\mu_1^*=\mu_2\mu_2^*=\mu_3\mu_3^*=\mu_4\mu_4^*=-1$.
Если $\lambda_j$ – комплексные числа, удовлетворяющие условиям $\lambda_2=\lambda_1^*$ и $\lambda_4=\lambda_3^*$, то из $v_2(x,t)=-u_2^*(-x,-t)$ мы имеем
Для простоты положим $\mu_1=e^{i\theta}$, $\mu_2=-e^{i\theta}$, $\mu_3=-e^{-i\theta}$, $\mu_4=e^{-i\theta}$, при этом равенство $x_2(-x,-t)=-x_2(x,t)$ выполнено. Отсюда $v_2(x_2,t_2)=-u_2^*(-x_2,-t_2)$ и
Подобно решениям (20) экспонента $e^{\xi_1+\xi_1^*+\xi_3+\xi_3^*}$ в выражении (23) для $u_2$ также делает это решение неустойчивым.
Подобрав подходящие параметры, мы можем получить однобризерное решение комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем. На рис. 1 показаны два примера такого решения с параметрами
Далее, если выбрать $\theta=\pi/2$ (т. е. $\mu_1=\mu_3=i$, $\mu_2=\mu_4=-i$), то решение $u_2(x_2,t_2)$ становится вещественной функцией, и тогда имеет место редукционное соотношение $v_2(x_2,t_2)=-u_2(-x_2,-t_2)$. Таким образом, однобризерное решение вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем также можно построить по формулам (23). Графики этого решения с параметрами
Из приведенного выше анализа видно, что решения уравнений КИ должны содержать независимую переменную $x$. В работе [16] авторы построили только солитонные решения комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем и проигнорировали независимую переменную $x$. Приведем в качестве дополнительного результата бризерное решение этого уравнения. Если $\lambda_j$ – комплексные числа, удовлетворяющие условиям $\lambda_2=\lambda_1^*$ и $\lambda_4=\lambda_3^*$, то, чтобы получить равенство $v_2(x,t)=u_2^*(-x,- t)$, нам потребуются следующие ограничения:
Возьмем $\mu_1=\mu_2=-e^{-i\theta}$, $\mu_3=\mu_4=e^{i\theta}$, при этом равенство $x_2(-x,-t)=-x_2(x,t)$ также выполнено. Получаем редукционное соотношение $v_2(x_2,t_2)=u_2^*(-x_2,-t_2)$ и решение
Это неустойчивое однобризерное решение комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем. Графики этого решения при $\theta=\pi/6$ для двух наборов параметров
Если взять $\theta=\pi$ (т. е. $\mu_1=\mu_2=1$, $\mu_3=\mu_4=-1$), то решение $u_2(x_2,t_2)$ становится вещественной функцией, и тогда имеет место редукционное соотношение $v_2(x_2,t_2)=-u_2(-x_2,-t_2)$. Это однобризерное решение вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем, соответствующее решению (28) в работе [14].
Замечание. Если применить редукцию к решению уравнения 2КИ с $n=1$, то мы получим решение (20) вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем, которое имеет вид $iU$, где $U$ – вещественная функция, и соответствует решению (25) в [14]. Как мы отмечали выше, решение (20) не является осмысленным. Напротив, когда мы сравниваем результаты при $n=2$, решение (23) с $\theta=\pi/2$ и решение (26) с $\theta= \pi$ являются вещественными функциями, причем они не связаны между собой заменой $u\to\pm i u$. Следовательно, при $n=2$ мы можем редуцировать решение уравнения 2КИ к решению вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем.
4. Мультибризерные решения
В предыдущем разделе мы построили однобризерные решения путем редукции двухсолитонного решения уравнения 2КИ. Естественно, что для построения мультибризерных решений нам необходимо подвергнуть редукции ($2m$)-солитонное решение уравнения 2КИ. Для этого выберем начальное решение как $u=0$, $v=0$ и $p=1$. Предположим, что $n$ – четное целое число, $n=2m$, и выберем частные решения линейной спектральной задачи (9) в точке $\lambda=1/\lambda_j$ ($j=1,\ldots,2m$) как
необходимое для комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем, можно взять параметры равными $\mu_{2j-1}=e^{i\theta}$, $\mu_{2j}=-e^{i\theta}$ при $j\leqslant m$ и $\mu_{2j-1}=-e^{-i\theta}$, $\mu_{2j}=e^{-i\theta}$ при $m<j\leqslant 2m$. После этого, подобрав подходящие параметры, мы можем получить $m$-бризерное решение комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем по формуле (29).
Далее возьмем $\theta=\pi/2$ (т. е. $\mu_{2j-1}=i$ и $\mu_{2j}=-i$), тогда $u_{2m}(x_{2m},t_{2m})$ становится вещественной функцией, и мы имеем редукционное соотношение
Таким образом, $m$-бризерное решение вещественного нелокального дефокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем также можно построить по формулам (29). Конкретный вид решения (29) для $n=4$ довольно сложный, и мы здесь его опускаем. На рис. 4 и рис. 5 показаны примеры мультибризерных решений со следующими параметрами:
необходимое для комплексного нелокального фокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем, можно взять параметры равными $\mu_{2j-1}=e^{i\theta}$, $\mu_j=-e^{-i\theta}$ при $j\leqslant m$ и $\mu_j=e^{i\theta}$ при $m<j\leqslant 2m$. После этого, подобрав подходящие значения параметров $\lambda_j$, мы можем получить $m$-бризерное решение по формуле (29). Два примера таких решений с параметрами
Если взять $\theta=\pi$ (т. е. $\mu_j=1$ при $j\leqslant m$, $\mu_j=-1$ при $m<j\leqslant 2m$), то решение $u_{2m}(x_{2m},t_{2m})$ становится вещественной функцией, и мы имеем редукционное соотношение
Это $m$-бризерное решение вещественного нелокального фокусирующего уравнения КИ с обратным пространством и временем.
5. Заключение
В представленной работе мы применили модернизированный метод преобразования Дарбу из работы [14] и посредством более детального анализа редукции $n$-солитонного решения уравнения 2КИ обнаружили, что только тогда, когда $n$ является четным целым числом, $n=2m$, можно получить $m$-бризерные решения комплексного и вещественного дефокусирующих нелокальных уравнений КИ с обратным пространством и временем, в вещественном случае являющиеся вещественными. Это отличает дефокусирующие уравнения от фокусирующих, решения которых имеют смысл независимо от того, является ли $n$ четным или нечетным числом. Дополнительно для комплексного нелокального дефокусирующего уравнения КИ мы получили $m$-бризерное решение, которое отличается от солитоноподобного решения из работы [16].
Подведем итог: для комплексного (вещественного) фокусирующего уравнения можно построить и петлевые солитонные, и бризерные решения, тогда как в дефокусирующем случае можно получить только бризерное решение. Такого рода бризерные решения (или неустойчивые бризерные решения) могут отражать влияние нелокальности на нелокальные уравнения КИ с обращениями пространства и времени и заслуживают дальнейшего изучения.
Благодарности
Автор с удовольствием благодарит анонимного рецензента за полезные предложения и комментарии.
Конфликт интересов
Автор заявляет, что у него нет конфликта интересов.
Список литературы
1.
C. M. Bender, S. Boettcher, “Real spectra in non-Hermitian Hamiltonians having $\mathscr{P\!T}$ symmetry”, Phys. Rev. Lett., 80:24 (1998), 5243–5246
2.
C. M. Bender, PT Symmetry in Quantum and Classical Physics, World Sci., Hackensack, NJ, 2019
3.
M. J. Ablowitz, Z. H. Musslimani, “Integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, Phys. Rev. Lett., 110:6 (2013), 064105, 5 pp.
4.
A. K. Sarma, M.-A. Miri, Z. H. Musslimani, D. N. Christodoulides, “Continuous and discrete Schrödinger systems with parity-time-symmetric nonlinearities”, Phys. Rev. E, 89:5 (2014), 052918, 7 pp.
5.
B. Yang, J. Yang, “Transformations between nonlocal and local integrable equations”, Stud. Appl. Math., 140:2 (2018), 178–201
6.
J. C. Brunelli, “Nonlocal short pulse equations”, Braz. J. Phys., 48:4 (2018), 421–425
7.
M. J. Ablowitz, Z. H. Musslimani, “Inverse scattering transform for the integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, Nonlinearity, 29:3 (2016), 915–946
8.
D. Sinha, P. K. Ghosh, “Integrable nonlocal vector nonlinear Schrödinger equation with self-induced parity-time-symmetric potential”, Phys. Lett. A, 381:3 (2017), 124–128
9.
M. J. Ablowitz, Z. H. Musslimani, “Inverse scattering transform for the integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, Nonlinearity, 29:3 (2016), 915–946
10.
M. J. Ablowitz, X.-D. Luo, Z. H. Musslimani, “Inverse scattering transform for the nonlocal nonlinear Schrödinger equation with nonzero boundary conditions”, J. Math. Phys., 59:1 (2018), 011501, 42 pp.
11.
M. J. Ablowitz, B.-F. Feng, X.-D. Luo, Z. H. Musslimani, “Reverse space-time nonlocal sine-Gordon/sinh-Gordon equations with nonzero boundary conditions”, Stud. Appl. Math., 141:3 (2018), 267–307
12.
Ya. Rybalko, D. Shepelsky, “Long-time asymptotics for the integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, J. Math. Phys., 60:3 (2019), 031504, 16 pp.
13.
J.-L. Ji, Z.-N. Zhu, “Soliton solutions of an integrable nonlocal modified Korteweg–de Vries equation through inverse scattering transform”, J. Math. Anal. Appl., 453:2 (2017), 973–984
14.
Y. Hanif, H. Sarfraz, U. Saleem, “Dynamics of loop soliton solutions of $\mathcal{PT}$-symmetric nonlocal short pulse equation”, Nonlinear Dyn., 100:2 (2020), 1559–1569
15.
G. Zhang, Z. Yan, “Inverse scattering transforms and soliton solutions of focusing and defocusing nonlocal mKdV equations with non-zero boundary conditions”, Phys. D, 402 (2020), 132170, 14 pp.
16.
H. Sarfraz, U. Saleem, “Symmetry broken and symmetry preserving multi-soliton solutions for nonlocal complex short pulse equation”, Chaos Solitons Fractals, 130 (2020), 109451, 8 pp.
17.
M. L. Rabelo, “On equations which describe pseudospherical surfaces”, Stud. Appl. Math., 81:3 (1989), 221–248
18.
T. Schäfer, C. E. Wayne, “Propagation of ultra-short optical pulses in cubic nonlinear media”, Phys. D, 196:1–2 (2004), 90–105
19.
Y. Chung, C. K. T. Jones, T. Schäfer, C. E. Wayne, “Ultra-short pulses in linear and nonlinear media”, Nonlinearity, 18:3 (2005), 1351–1374, arXiv: nlin/0408020
20.
Д. В. Карташов, А. В. Ким, С. А. Скобелев, “Солитонные структуры волнового поля с произвольным числом колебаний в нерезонансных средах”, Письма в ЖЭТФ, 78:5 (2003), 722–726
21.
S. Sakovich, “Integrability of the vector short pulse equation”, J. Phys. Soc. Japan, 77:12 (2008), 123001, 4 pp.
22.
A. Dimakis, F. Müller-Hoissen, “Bidifferential calculus approach to AKNS hierarchies and their solutions”, SIGMA, 6 (2010), 055, 27 pp., arXiv: 1004.1627
23.
M. Pietrzyk, I. Kanattšikov, U. Bandelow, “On the propagation of vector ultra-short pulses”, J. Nonlinear Math. Phys., 15:2 (2008), 162–170
24.
Y. Yao, Y. Zeng, “Coupled short pulse hierarchy and its Hamiltonian structure”, J. Phys. Soc. Japan, 80:6 (2011), 064004, 4 pp.
25.
Y. Matsuno, “A novel multi-component generalization of the short pulse equation and its multisoliton solutions”, J. Math. Phys., 52:12 (2011), 123702, 22 pp., arXiv: 1111.1792
26.
B.-F. Feng, “An integrable coupled short pulse equation”, J. Phys. A, 45:8 (2012), 085202, 14 pp.
27.
X. Wang, J. S. He, “Darboux transformation and general soliton solutions for the reverse space-time nonlocal short pulse equation”, Phys. D, 446 (2023), 133639, 20 pp.
Образец цитирования:
Хуэй Мао, “Мультибризерные решения вещественного и комплексного нелокальных дефокусирующих уравнений коротких импульсов с обращением пространственной и временно́й переменных”, ТМФ, 219:3 (2024), 508–522; Theoret. and Math. Phys., 219:3 (2024), 973–985