Fredholm积分方程在非线性可积模型中的应用

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本论文主要包含两个部分:第一部分,利用Fredholm积分方程给出非线性可积演化方程初边值问题的一种解法;第二部分,利用Fredholm积分方程和Darboux变换等方法给出一些非线性可积演化方程的精确解.  非线性可积演化方程初边值问题的求解是重要的,但是却极为困难.所以,研究该问题的方法通常是将其转化为等价的已知问题,例如Riemann-Hilbert问题.这样做的优势是一旦另外一个问题解决了(不管是以精确解的方式解决的、还是以数值计算等方式给出了逼近解),相应的初边值问题也就解决了.考虑到矩阵Riemann-Hilbert问题并没有十分完善的解决方法,所以我们研究的重点是将相应待解决的问题转化为Fredholm积分方程.与Riemann-Hilbert问题相比,Fredholm积分方程在数值解等方面的相关研究则更加完善.  在第二章至第四章,以Fredholm积分方程作为工具,我们分别研究了非线性Schr(o)dinger方程在有限区间上的初边值问题、修正Korteweg-de Vries方程在半直线上的初边值问题以及矩阵非线性Schr(o)dinger方程在半直线上的初边值问题.从初边值条件到Fredholm积分方程的构造过程分为几步.  第一步,应用反散射变换和Fokas统一变换,确定所需的散射数据、跳跃矩阵和留数条件.在反散射变换中,散射数据包含连续数据和离散数据两部分.在Fokas统一变换法中,连续数据则对应着跳跃矩阵,而离散数据则对应着留数条件.我们发现,对于初边值问题来说,离散数据和连续数据并不是相互独立的.这种不同源于反散射变换法中的连续散射数据(以非线性Schr(o)dinger方程为例)只在实轴上有定义,但是Fokas统一变换法中的跳跃矩阵却可以延拓到整个上半平面或下半平面.  第二步,利用Fredholm方程将散射数据和特征函数的关系表示出来.我们发现特征函数的分量之间有些是由可逆Volterra算子相联系的.于是我们利用Volterra算子的逆消去了部分谱函数,最后得到了一个Fredholm积分方程,该积分方程中未知函数的个数与位势的分量个数恰好相等.当所研究的是标量的非线性Schr(o)dinger方程时,所得到的Fredholm积分方程是复标量的Fredholm积分方程;当所研究的是修正Korteweg-de Vries方程时,所得到的Fredholm积分方程是实标量的Fredholm积分方程;当研究的是矩阵非线性Schr(o)dinger方程或者矩阵修正Korteweg-de Vries方程时,所得到的Fredholm积分方程则是相应复的或实的矩阵Fredholm积分方程.另外,利用Fredholm积分方程的相关理论,我们证明了相关的Fredholm积分方程是唯一可解的.Fredholm积分方程(尤其是当涉及到反常积分时)的可解性是有条件的,所以证明其唯一可解性是至关重要的.  第三步,我们确定初边值的相容性条件,以便给出散射数据随时间的演化关系.在反散射变换中没有边值条件,因此也就不存在初边值的相容性.在Fokas统一变换中,初边值的相容性所对应的是整体关系.它的存在是因为Lax对中所要求的边值条件比初边值问题的定解条件要多,所以对于给定的初边值条件我们需要判断相应的解是否存在.Fokas变换法中的整体关系仅给出了初边值问题有解的一个必要条件,而本文中我们给出了一个有效的估计式,然后找到了初边值问题有解的充分必要条件.  在第五章,我们构造可分离核的Fredholm积分方程,然后给出了矩阵非线性Schr(o)dinger方程和矩阵修正Korteweg-de Vries方程的一些精确解.这些结果是对之前得到的Fredholm积分方程的扩展和应用.此外,在第六章,我们首先构造了两分量Drinfeld-Sokolov-Satsuma-Hirota方程的Darboux变换,由此得到许多精确解;然后利用行波法推导了广义Harry Dym方程的精确解.
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