考虑近Hamilton系统
其中$ 0<|\varepsilon |\ll 1 $, $ H(x, y) $是关于$ x $和$ y $的$ m+1 $次实多项式, $ f(x, y) $和$ g(x, y) $是关于$ x $和$ y $的次数不超过$ n $的实多项式.假设系统$ {\left( \text{1}.\text{1} \right)}_{\varepsilon =0} $有连续闭轨线族
$ \Sigma $为$ h $的最大存在开区间.定义后继函数
其中$ {{P}_{\varepsilon }}(h) $为Poincar é映射下$ h $的像, 则$ \varepsilon $的系数$ I(h) $可表示为
式(1.2)称为Abelian积分.当$ I(h) $不恒等于零时, Abelian积分$ I(h) $的孤立零点的最大个数(计重数)就给出了在扰动前系统(1.1)的闭轨族所形成的区域内产生极限环个数(计重数)的上界[1].寻找Abelian积分$ I(h) $的零点个数的上界$ B(n) $称为弱化的Hilbert第16问题[2].对Hamilton函数
Horozov等[3]用Picard-Fuchs方程法证明了$ B(n)\le 5n+15 $.对于Hamilton函数
杨纪华[4]等证明了$ B(n)\le 90n+24 $. 对于Hamilton函数$ H(x, y)=\frac{1}{2}{{y}^{2}}+U(x) $, $ \deg U(x)=4 $时, 赵育林等[5]证明了$ B(n)\le 7n+5 $.对于4次Hamilton函数
周鑫等[6]得到相应Abelian积分$ I(h) $的代数结构, 并给出了$ a>0, b=0 $和$ c=0 $时$ I(h) $零点个数的上界.对于Hamilton函数
吴娟娟等[7]证明了$ B(n)\le 2[\frac{n-1}{4}]+12[\frac{n-3}{4}]+23 $.对Hamilton函数
赵丽琴等[8]证明了$ B(n)\le 54n-13 $.对Hamilton函数
张永康等[9]证明了$ B(2n+2)=B(2n+1)\le 2[\frac{n}{2}]+3[\frac{n-1}{2}]+4 $
本文研究了如下Hamilton函数
相应的向量场
在多项式$ f(x, y)\text{=}\sum\limits_{1\le 4i+4j+1\le n}{{{a}_{ij}}{{x}^{4i}}{{y}^{4j+1}}} $和$ g(x, y)=\sum\limits_{1\le 4i+4j+1\le n}{{{b}_{ij}}{{x}^{4i+1}}{{y}^{4j}}} $扰动下相应的Abelian积分$ I(h) $零点个数的上界(计重数). 设$ P(x, y)\text{=}-{{y}^{3}}, Q(x, y)\text{=}\frac{x^3}{6}\left(6-6x^4+x^8\right). $由 $ P(x, y)\text{=}0 $且$ Q(x, y)\text{=}0 $可得系统(1.4)有五个奇点$ \widetilde{O_1}(-\sqrt[4]{3+\sqrt{3}}, 0) $, $ O\left(0, 0\right) $, $ O_1\left(\sqrt[4]{3+\sqrt{3}}, 0\right) $, $ C^{\prime}\left(-\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, 0\right) $, $ C\left(\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, 0\right) $. 根据矩阵
在五点$ \widetilde{O_1}, O, O_1, C^{\prime}, C $处的特征根可得, 当$ h\in \Sigma=\left(0, \frac{\sqrt{3}}{12}\right) $时, 系统有三个中心点$ \widetilde{O_1}(-\sqrt[4]{3+\sqrt{3}}, 0) $, $ O\left(0, 0\right) $, $ O_1\left(\sqrt[4]{3+\sqrt{3}}, 0\right) $和两个对称的退化鞍点$ C^{\prime}\left(-\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, 0\right) $, $ C\left(\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, 0\right) $, 有三个分别围绕中心$ \widetilde{O_1}, O, O_1 $的周期环域$ \widetilde{\Gamma_h^1}, \Gamma_h, \Gamma_h^{1} $. 如图 1所示.
其中
$ \widetilde{\Gamma_h^1}=\left\lbrace\left(x, y\right)\left|H(x, y)={\frac{1}{4}x^4+\frac{1}{4}y^4-\frac{1}{8}x^8+\frac{1}{72}x^{12}=h, x<-\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, h\in \left(0, \frac{\sqrt{3}}{12}\right)}\right.\right\rbrace, $
$ \Gamma_h=\left\lbrace\left(x, y\right)\left|H(x, y)={\frac{1}{4}x^4+\frac{1}{4}y^4-\frac{1}{8}x^8+\frac{1}{72}x^{12}=h, -\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}<x<\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, h\in \left(0, \frac{\sqrt{3}}{12}\right)}\right.\right\rbrace, $
$ \Gamma_h^{1}=\left\lbrace\left(x, y\right)\left|H(x, y)={\frac{1}{4}x^4+\frac{1}{4}y^4-\frac{1}{8}x^8+\frac{1}{72}x^{12}=h, x>\sqrt[4]{3-\sqrt{3}}, h\in \left(0, \frac{\sqrt{3}}{12}\right)}\right.\right\rbrace. $
下面对$ h\in \Sigma=\left(0, \frac{\sqrt{3}}{12}\right) $时在周期环域$ \Gamma_h $上的情形进行讨论, 本文的主要结果为
定理1.1 对Hamilton函数
在周期环域$ \Gamma_h $上, $ B(n)\le 7[\frac{n-1}{4}]+5, $其中$ n=\max \{\deg f, \deg g\} $且$ n=4k+1, k\in{\mathbb{N}}_{+} $.
在周期环域$ \Gamma_h $上, 由分部积分可得
所以Abelian积分(1.2)可表示为
其中$ L(x, y)=\sum\limits_{1\le 4i+4j+1\le n}{{{c}_{ij}}{{x}^{4i}}{{y}^{4j+1}}}, $ $ i $和$ j $是自然数, $ {{c}_{ij}}=-\left(\frac{4i+1}{4j+1}{{{a}_{ij}}+{{b}_{ij}}}\right) $.
对$ {h\in \Sigma} $, 记
所以
从而, Abelian积分$ I(h) $的代数结构可由下面两个引理给出.
引理2.1 当$ n=4i+4j+1=4k+1\ge 5 $时, 积分$ {{I}_{4i, 4j+1}}(h) $可以表示为$ {{I}_{l, m}}(h)(l+m=4k-7, 4k-3) $和$ h{{I}_{l, m}}(h)(l+m=4k-11, 4k-7 $或$ 4k-3) $的线性组合.
证 在式(1.3)两端同时对$ x $求导可得
给式(2.4)两端同乘以$ {{x}^{4i-11}{y}^{4j+1}} $, 并沿$ {\Gamma }_{h} $关于$ x $积分可得
其中$ i\ge 3, $给式(1.3)两端同乘以$ {{x}^{4i}}{{y}^{4j-3}} $, 并沿$ {{\Gamma }_{h}} $关于$ x $积分可得
由式(2.5)可得
把式(2.7)代入式(2.6)可得
由式(2.6)可得
把式(2.9)代入式(2.5)可得
在式(2.5)中取$ (i, j)=(3, k-1) $可得
在式(2.8)中取$ (i, j)=(2, k-1) $可得
由式(2.10)可得
在式(2.13)中取$ (i, j)=(1, k-1), (2, k-1), (2, k-2) $可得
在式(2.8)中分别取$ (i, j)=(0, k), (1, k-1), (2, k-2), $在式(2.10)中取$ (i, j)=(3, k-3), (4, k-4), \cdots, (k-1, 1), (k, 0), $同时结合(2.11), (2.12), (2.14), (2.15)和(2.16)可得
其中$ J=({{I}_{0, 4k+1}}, {{I}_{4, 4k-3}}, {{I}_{8, 4k-7}}, {{I}_{12, 4k-11}}, {{I}_{16, 4k-15}}, \cdots , {{I}_{4k-4, 5}}, {{I}_{4k, 1}}), $
显然, $ \rm{det} $$ A=1 $, 且$ B $中的元素仅含有$ {{I}_{l, m}}(h)(l+m=4k-7, 4k-3) $和$ h{{I}_{l, m}}(h)(l+m=4k-11 $, $ 4k-7 $或$ 4k-3) $. 所以, 引理2.1成立.
引理2.2 在(1.2)中假设$ n\ge 5 $, 对Hamilton函数(1.3), $ I(h) $可表示为
其中$ \alpha (h) $, $ \beta (h) $, $ \gamma(h) $是关于$ h $的多项式, $ \deg \alpha (h)\le \left[ \frac{n-1}{4} \right]=k, \deg\{ \beta (h), \gamma(h)\}\le \left[ \frac{n-1}{4} \right]-1=k-1. $且$ k $是$ \deg \alpha (h) $的最小上界, $ k-1 $是$ \deg \beta (h) $和$ \deg{\gamma(h)} $的最小上界.
证 下面用数学归纳法证明. 由式(2.8)和式(2.10)可得
所以, 当$ k=1, 2, 3 $时结论成立.
假设当$ k\le d-1 $时, 即$ n=4k+1\le 4d-3 $时, $ {I}(h)=\oint_{{{\Gamma }_{h}}}{L(x, y)dx} $能表示成
其中$ \deg {{\alpha }^{n}}(h)\le \left[ \frac{n-1}{4} \right]=k\le d-1, \deg\{ {{\beta }^{n}}(h), {{\gamma}^{n}}(h)\}\le \left[ \frac{n-1}{4} \right]-1=k-1\le d-2. $
当$ k=d $时, 由引理2.1和式(2.19)可得
其中$ \deg \{{{{\alpha }^{4d-3}}(h), {{{\alpha}_{1} }^{4d-3}}(h)}\}\le d-1, \deg \{{{{\beta}^{4d-3}}(h), {{\beta}_{1}}^{4d-3}(h), {{\gamma}^{4d-3}}(h), {{{\gamma}_{1}}^{4d-3}}(h)}\}\le d-2 $, $ {A}_{lm} $和$ {B}_{lm} $是任意常数.因此,
所以, 对任意的$ k\in{\mathbb{N}}_{+} $, 引理2.2成立.
本节将证明$ {I}_{0, 1} $, $ {I}_{4, 1} $, $ {I}_{8, 1} $满足的Picard-Fuchs方程和相关的Riccati方程.
引理3.1 对Hamilton函数(1.3), 向量$ V=({I}_{0, 1}, {I}_{4, 1}, {I}_{8, 1})^T $满足Picard-Fuchs方程
证 在式(1.3)两端关于$ h $求导可得
进而由式(2.3)可得$ {{{I}'}_{4i, 4j+1}}=(4j+1)\oint_{{{\Gamma }_{h}}}{{{x}^{4i}}{{y}^{4j-3}}\text{d}x}, $即可得
把(3.3)代入(2.8)可得
在式(3.4)中分别取$ (i, j)=(0, 0), (1, 0) $和$ (2, 0) $可得
由式(2.18)可得
把式(3.6)代入式(3.5)即可得结论成立.证毕.
引理3.2 对系统(1.4), $ {I}_{0, 1} $, $ {I}_{4, 1} $和$ {I}_{8, 1} $满足
证 在式(3.1)两端对$ h $求导可得
由(3.8)可得(3.7). 证毕.
注 由(3.8)推导(3.7)时,由于三阶矩阵$ (Bh+C) $的逆矩阵计算量大,系数复杂,本文借助数学软件Maple进行相关计算,程序如下:LinearAlgebra: -MatrixInverse(rtable$ (1..3, 1..3, [[-4*h, -4, 1], [(1/7)*k*h, -4*h-9/7*k, 27/28*k-1], [-(4/7*k)*h+(3/28*(k^2))*h, k*h+36/7*k-27/28*(k^2), -4*h+81/112*\\(k^2)-48/7*k]], \text{subtype=Matrix})).$
由式(3.3)可得$ {{I}'_{0, 1}}(h)= \oint_{{{\Gamma }_{h}}}{y^{-3}\text{d}x}=3 \int\!\!\! \int_{\operatorname{int}({{\Gamma }_{h}})}{y^{-4}}{dxdy}\ne 0, $所以可得如下引理.
引理3.3 对Hamilton函数(1.3), $ \omega(h)=\frac{{I}'_{4, 1}(h)}{{I}'_{0, 1}(h)} $满足Riccati方程
证 由于$ {\omega }'(h)=\frac{{{I}''_{4, 1}}(h){{I}'_{0, 1}}(h)-{{I}'_{4, 1}}(h){{I}''_{0, 1}}(h)}{{{I}'_{0, 1}}^{2}(h)} $, 结合式(3.7)即可得式(3.9).证毕.
由(2.17)和(3.1)可得
其中$ \deg {{\alpha}_{1} }{(h)}\le k, \deg \{{{\beta}_{1}}(h), {{\gamma}_{1}}(h)\}\le k-1 $.
引理4.1 设$ \Omega=\{h|{{\gamma}_{1}}(h)=0, {h\in \Sigma}\}, $则当$ h\in \Sigma\backslash\Omega $时, 等式
成立, 其中
$ \deg {{{\alpha}_{2} }{(h)}\le 2k+1, \deg {{\beta}_{2}}(h)}\le 2k $.
证 由(4.1)和(3.7)可得
并且$ \deg {{{\alpha}_{2} }{(h)}\le 2k+1, \deg {{\beta}_{2}}(h)}\le 2k. $证毕.
引理4.2[3] 设$ I'(h), M(h), {\gamma}_{1}(h) $在$ \Sigma $中的零点个数分别为$ \#I'(h), \#M(h), \#{\gamma}_{1}(h) $, 则
定理4.3 对Hamilton函数(1.3), $ W(h)=\frac{M(h)}{{I}'_{0, 1}(h)} $满足Riccati方程
证 由式(4.3)可得
同时结合式(3.9)即可得证.
引理4.4[5] 假设$ \Sigma_0=(a, b)\subset\Sigma $, 则当$ h\in\Sigma_0 $时, $ \#W(h)\le \#\beta_2 (h)+\#R_2(h)+1. $其中表达式$ \#\psi(h) $表示$ \psi(h) $在$ {\Sigma }_{0} $上的零点个数(计重数).
定理1.1的证明 分别由引理4.1和引理4.3可得$ \deg {{\beta}_{2}}(h)\le 2k, \deg{R_2(h)}\le 4k+3. $从而由引理4.4可得
由式(4.1)可得$ \deg {{\gamma}_{1}}(h)\le k-1 $. 从而由引理4.2可得
因此, 对$ h\in\Sigma=\left(0, \frac{\sqrt{3}}{12}\right) $且在周期环域$ \Gamma_h $上时, $ B(n)\le 7\left[\frac{n-1}{4}\right]+5. $定理1.1证毕.