考虑$n$次多项式微分系统
其中$\max{(\deg{(P_{n})}, \deg{(Q_{n})})}=n\geq 2, ~~ {\mu}=(\mu_{1}, \mu_{2}, \cdots, \mu_{m})\in \mathbf{R}^{m}, {0}\leq{\left|\delta\right|}\ll {1}$.当$\delta=0$时, 由于非线性项的影响, 系统(1.1) 以原点为中心或细焦点.如何区分称为中心焦点判定问题?
当$\delta\neq {0}$时, 系统(1.1) 以原点为粗焦点, 其第$0$阶焦点量为$v_{0}=\delta$; 当$\delta={0}$时, 存在形式幂级数$F(x, y)=x^2+y^2+\sum\limits_{k=3}^{\infty}F_{k}(x, y)$, 使得
其中$v_{k}(\mu)$称为系统在原点的第$k$阶焦点量.
一方面, 当多项式系统在原点处的各阶焦点量都为零时, 系统以该点为中心; 另一方面由Hilbert有限基定理, 所有焦点量生成的有理数域上的多项式理想是有限生成的, 因此中心焦点问题可在有限步内解决.为了获得系统(1.1) 具有中心的充要条件, 首先需要计算系统(1.1) 的前面各阶非零焦点量并对它们进行零点分解, 从而得到中心的必要条件; 然后利用首次积分、形式首次积分、积分因子、时间可逆性等方法证明所得条件都是充分的.
Bautin解决了二次系统的中心焦点判定问题; Sibirskii解决了一类$Z_{{2}}$对称三次系统的中心判定问题; Sadovskii等[1]利用Cherkas方法解决了一类可约化为Liénard系统的三次系统的中心判定问题; 然而对于一般三次系统以及三次以上系统, 目前还没有彻底的结论.
近二十多年以来出现了很多焦点量算法, 比如借助奇点量算法[2, 3]、基于伪除的形式幂级数法[4]和基于摄动的标准形算法[5].但当$P_{n}, Q_{n}$为非齐次多项式时, 系统(1.1) 的焦点量非常复杂且难于约化, 为此作者[6]基于重新参数化法给出了焦点量的约化方法.
一般来讲, 中心焦点问题的最终解决依赖于焦点量的计算, 但当计算量过大时, 可以通过增加条件的方法加以解决.例如:刘一戎等[2]定义基本李不变量, 给出了广义对称原理; Lloyd等[7]、Cozma[8]以Gröbner基为工具, 寻找双线性变换将一类多项式系统化为时间可逆系统, 从而确定中心条件.
设$(\delta, \mu)=(0, \mu_{c})$时, 系统(1.1) 以原点为$M\geq {1}$阶细焦点, 则当参数$(\delta, \mu)$通过点$(0, \mu_{c})$时, 系统(1.1) 从原点分支出的小振幅极限环的最大个数$H_{0}(n)$至多为$M$, 其中$H_{0}(n)$也称为系统(1.1) 在原点处的环性.
关于小振幅极限环的构造, 一般总是利用焦点量三角化后解出主变元达到目的; 但当无法精确求解主变元时, 需要借助陆征一等[9]的实根分离算法实现构造.
对三次系统而言, Chen等[10]利用正则链理论和三角列分解方法证明了$H_{0}(3)\geq 9$; Yu等[11]证明$H_{0}(3)\geq 12$, 这是目前已知最好的结果.
引理1.1[12] 设系统$(1.1)$的前$k$阶焦点量依次为
如果
(ⅰ) 当$\delta=0, \mu=\mu_{c}$时, $v_{0}=v_{1}=\cdots=v_{k-1}=0, v_{k}\neq {0};$
(ⅱ) $\det\left[\dfrac{\partial\left(v_{0}, v_{1}, v_{2}, \cdots, v_{k-1}\right)}{\partial{\left(\delta, \mu_{1}, \mu_{2}, \cdots, \mu_{k-1}\right)}}\right]_{\delta=0, \mu=\mu_{c}} \neq 0, $
则对系统$(1.1)_{\delta=0, \mu=\mu_{c}}$进行适当的系数微扰, 相应系统在原点可分支出$k$个小振幅极限环.
考虑一类具有齐五次项的$Z_{2}$对称系统
Chavarriga等[13]给出其在原点可积的若干充分条件; 为了简化计算, Fercec等[14]转而研究相应的复系统, 对四组仅有8个参数的特例给出了可积的充分条件; Chavarriga等[15]将中心条件的推导列为公开问题.
考虑一类特殊五次系统
下面将给出系统(1.2) 以原点为中心的充要条件, 并证明其从原点至多可分支出6个小振幅极限环, 最后给出具有6个极限环的实例.
根据文[6]的计算方法, 系统$(1.2)_{\delta=0}$的前6阶非零约化焦点量(不计非零常数因子)为
其中$v_{10}, v_{14}$分别是五次多项式、七次多项式, 其项数分别为53项、64项.
定理2.1 系统$(1.2)_{\delta=0}$以原点为中心的充要条件是下列$6$组条件之一成立
(ⅰ) $ a_{{2}}=-3\, b_{{3}}-b_{{1}}-3\, a_{{0}}, a_{{3}}={\dfrac {C_{1}}{ \left( b_{{2}}+a_{{1}} \right) \left( 3\, a_{{0}}+b_{{1}} \right) }}, b_{{0}}=-{\dfrac {C_{2}}{ \left( b_{{2}}+a_{{1}} \right) \left( 3\, a_{{0}}+b_{{1}} \right) }};$
(ⅱ) $ a_{{2}}=-3\, b_{{3}}, b_{{1}}=-3\, a_{{0}}, b_{{2}}=-a_{{1}};$
(ⅲ) $ a_{{2}}=-b_{{1}}, a_{{3}}=-b_{{0}}, b_{{2}}=-a_{{1}}, b_{{3}}=-a_{{0}};$
(ⅳ) $ a_{{0}}=0, a_{{2}}=-{\dfrac {a_{{1}}a_{{3}}+a_{{1}}b_{{0}}+a_{{3}}b_{{0}}+{b_{{0}}}^{2}+{b_{{3}}}^{2}}{b_{{3}}}}, \\$
$ \;\;\;\;\;\;b_{{1}}={\dfrac {a_{{1}}a_{{3}}+a_{{1}}b_{{0}}+a_{{3}}b_{{0}}+{b_{{0}}}^{2}-2\, {b_{{3}}}^{2 }}{b_{{3}}}}, $
$\\ \;\;\;\;\;\;b_{{2}}=-{\dfrac {{a_{{1}}}^{2}+a_{{1}}a_{{3}}+2\, a_{{1}}b _{{0}}+a_{{3}}b_{{0}}+{b_{{0}}}^{2}-2\, {b_{{3}}}^{2}}{b_{{0}}+a_{{1}}} };$
(ⅴ) $ a_{{0}}=a_{{2}}=b_{{1}}=b_{{3}}=0;$
(ⅵ) $ a_{{0}}=b_{{3}}=0, a_{{2}}=-b_{{1}}, a_{{3}}=-3\, a_{{1}}, b_{{0}}=-a_{{1}}, b_{{2}}=3\, a_{{1}}, $
其中
证 必要性:通过求解多项式集$G=\left\{v_{{2}}, v_{{4}}, v_{{6}}, v_{{8}}, v_{{10}}, v_{{14}}\right\}$, 共得到定理中的6组独立系数条件, 从而必要性得证.
充分性:当条件(ⅰ)成立时, 系统$(1.2)_{\delta=0}$的向量场关于直线
对称, 因此它以原点为中心.
当条件(ⅱ)成立时, 系统$(1.2)_{\delta=0}$以
为积分因子, 因此它以原点为中心.
当条件(ⅲ)成立时, 系统$(1.2)_{\delta=0}$的向量场关于直线$x+y=0$对称, 因此它以原点为中心.
当条件(ⅳ)成立时, 系统$(1.2)_{\delta=0}$的向量场关于直线
当条件(ⅴ)成立时, 系统$(1.2)_{\delta=0}$的向量场关于$y$轴对称, 因此它以原点为中心.
当条件(ⅵ)成立时, 系统$(1.2)_{\delta=0}$是Hamilton系统, 因此它以原点为中心.定理证毕.
由系统$(1.2)_{\delta=0}$的焦点量结构和定理2.1, 可得
推论2.1 系统(1.2) 在原点邻近至多存在$6$个小振幅极限环.
下面总设$a_{0}=1, a_{3}=b_{0}=-1$.通过计算得到
其中$J$是十次多项式, 长达1171项.
定理3.1 设系统(1.2) 的系数满足
则系统以原点为$14$阶细焦点; 对其进行适当的系数扰动, 从原点可分支出$6$个小振幅极限环.
证 在定理的系数条件下, 通过计算可得系统$(1.2)$的前14阶焦点量和$J$依次为
从而满足引理1.1的条件, 故定理得证.
定理3.2 假设系统(1.2) 满足
则当$0<\vert{\epsilon}\vert\ll {1}$时, 在原点充分小的邻域内, 系统$(1.2)$恰有$6$个小振幅极限环, 其位置分别在圆$x^2+y^2=k^2{\epsilon}^2$附近, $k=1, 2, \cdots, 6$.
证 当$0<\vert{\epsilon}\vert\ll {1}$时, 系统(1.2) 的第0阶至第14阶焦点量依次为
所以系统(1.2) 在原点邻域的拟后继函数为
从而由文[3]知系统(1.2)在原点的充分小邻域内恰有$6$个小振幅极限环, 其位置分别在圆$x^2+y^2=k^2{\epsilon}^2$附近, $k=1, 2, \cdots, 6$.