近年来, 数学、物理等各个领域都在研究孤子, 其中求解孤子方程的精确解是应用数学领域中的热门话题之一.目前已有了多种求解孤子方程精确解的方法, 如:双线性导数法[1]、反散射方法[2, 3]、Darboux变换[4, 5]、tanh方法[6, 7]等.
这些方法中, 双线性导数法是由著名的日本数学、物理学家Ryogo Hirota提出, 他是在研究非线性偏微分方程的解的过程中, 利用摄动法得到一种双线性方程, 并定义出一种新的微分算子——Hirota双线性算子
如果某一方程具有双线性形式, 那么该方程就能具备可积性.在Hirota双线性算子基础上, 马文秀[8-11]教授提出了一般的双线性微分算子
其中$ p $是素数且$ p\geq2 $, 并且(1.1)式中的$ \alpha_{p}^s $满足
且$ \begin{aligned} \alpha_{p}^i \alpha_{p}^j \neq \alpha_{p}^{i+j}, \, \, \, \, i, j\geq0\, . \end{aligned} $
本文中, 借助这个一般双线性算子(1.1), 从(2+1)维浅水波方程[12, 13]
的双线性形式, 构造出$ p = 3 $对应的一个广义浅水波类方程.再通过求解该方程的一般双线性方程的多项式解, 构造了该广义浅水波类方程的有理解.
(2+1)维浅水波方程(1.3)通过变换$ u = 2(\ln f)_{x} $得到其双线性形式
通过计算可以证明, (2.1)即为$ p = 2 $时$ (D_{2, x}^3 D_{2, y}-D_{2, x} D_{2, y}-D_{2, x} D_{2, t}) f\cdot f $的形式.
根据一般的双线性算子(1.1), 求得
其中$ \alpha_{3} = -1, \, \, \alpha_{3}^2 = \alpha_{3}^3 = 1, \, \, \alpha_{3}^4 = -1, \, \, \alpha_{3}^5 = \alpha_{3}^6 = 1, \, \cdots , $所以有
利用贝尔多项式理论[14-16], 选取变换
可得
则有广义(2+1)维浅水波类方程
比较浅水波方程(1.3)和广义浅水波类方程(2.5), 可以发现(2.5)的双线性形式(2.2)比(1.3)的双线性形式(2.1)更简单一些, 但(2.5)比(1.3)更具有非线性.
根据变换(2.3), 若$ f $是方程(2.2)的解, 则有$ u $为方程(2.5)的解.
借助数学软件Mathematica, 令
代入(2.2)式, 可以得到它的一系列的多项式解
对应地, 根据变换$ u = (\ln f)_{x} $, 可以求得广义(2+1)维浅水波类方程(2.5)的4类有理解.
第一类有理解
其中
第二类有理解
第三类有理解
第四类有理解
本文中, 在(2+1)维浅水波方程(1.3)的基础上, 利用一般的双线性微分算子(1.1), 当素数$ p = 3 $时, 得到了具有一般双线性形式的微分方程——广义(2+1)维浅水波类方程(2.5).借助广义(2+1)维浅水波类方程(2.5)的一般双线性形式, 利用数学软件Mathematica, 得到了方程(2.5)的4类有理解.
当参数被选取为
时, 解(3.6) – (3.8)分别为
即得到广义(2+1)维浅水波类方程(2.5)的3类特殊有理解.解(4.2), (4.3)和(4.4)在$ t = 1 $时刻的三维图、密度图和等高线图如图 1–3所示.从这些图能看出, $ y = 0 $直线附近解曲面变化很大, 且当$ x $趋于无穷大时这些解都趋向于0, 即解曲面趋向水平面.