Введение к работе
Актуальность темы. Первым результатом общей теории дифференциальных уравнений с частными производными была теорема Коши-Ковалев-ской1,2, которую в нужной нам общности можно сформулировать так. Пусть функция Р голоморфна по (x,t) в окрестности точки (xo,to) Є С2 и полиномиальна по остальным своим аргументам. Тогда задача Коши
ди = P{x,t,{d^dltu}k+Krni{kil)^{0,m))] dlu(x,to) = tpj(x), O^j^m — 1,
имеет единственное локальное голоморфное решение u(x,t) в окрестности точки (xo,to) для любых голоморфных ростков Vm-i Є 0(хо). Объясняя необходимость условий k + l ^ т, (к, I) ф (0,т), С. В. Ковалевская2 установила следующую теорему о принудительном аналитическом продолжении решений уравнения теплопроводности. Всякое решение и Є 0(D) уравнения Щ = ихх на произвольном бидиске D = {(x,t) Є С2 | \х — хо\ < Єї, \t — to\ < 2} допускает аналитическое продолжение до решения и Є 0(S) того же уравнения на полосе S = {(x,t) Є С2 | \t — to\ < 2}- Иными словами, любое локальное голоморфное решение u(x,t) продолжается до целой функции от х при каждом допустимом значении t. Из результатов последующих работ Г. С. Салехова3, К. Чисельмана4 и М. Цернера5 вытекает, что это же свойство имеет место и для всех локальных голоморфных решений u(x,t) следующих все более широких классов уравнений:
га—1
(1) dfu = дгхпи + ^2 CjdJxu,
(2) ди= ]Г сыдкЛи,
fc+Z (3) д?и= J2 akl(x,t)d^dltu, fc+Z 1A.-L. Cauchy, Memoire sur les systemes d'equations aux derivees partielles d'ordre quelconque et sur leur reduction a systemes d'equations lineaires du premier ordre // C. R. Acad. Sci. Paris, 40(1842), 131-138. 2S. von Kowalevsky, Zur Theorie der partiellen Difterentialgleichungen // J. reine angew. Math., 80(1875), 1-32. Г. С. Салехов, О задаче Коши—Ковалевской для одного класса линейных уравнений с частными производными в области сколь угодно гладких функций // Изв. Акад. Наук СССР Сер. матем., 14 (1950), 355-366. 4С. Kiselman, Prolongement des solutions d'une equation aux derivees partielles a coefficients constants II Bull. Soc. Math. France, 97(1969), 329-356. 5M. Zerner, Domaines d'holomorphie des fonctions verifiant une equation aux derivees partielles И С R. Acad. Sci. Paris 272(1971), 1646-1648. где m )2и Kp Попытки обобщить эти результаты и подходы на нелинейные уравнения и системы до сих пор приводили лишь к частичным и разрозненным результатам (см., например,9,10 и ссылки там). С другой стороны, сейчас активно изучается весьма близкое к принудительному аналитическому продолжению явление диссипативного сглаживания (регуляризующий эффект дисперсивных эволюционных уравнений математической физики)11,12, но там на решение u(x,t) всегда налагаются некоторые глобальные ограничения по х при t = to Є R, a заключения об аналитическом продолжении в ту или иную окрестность вещественной оси R1 С С1 делаются только для вещественных t > to- Немногочисленные исключения13,14 из этого правила также не дают никакой информации об аналитическом продолжении произвольных локальных голоморфных (по х и t) решений. Между тем, получение такой информации хотя бы для солитонных уравнений (параболического типа, ибо в гиперболическом случае вопрос тривиален по теореме Коши-Ковалевской) уже давно имеет статус мечты15, привлека- Л. Хёрмандер, Анализ линейных дифференциальных операторов с частными производными, т. I, Москва, Мир, 1986. См. особенно 9.4. 7G. М. Henkin, Jean Leray and several complex variables // in: J. Leray, Oeuvres Scientifiques, vol. Ill, Berlin and Paris, Springer and SMF, 1998, 1-31. 8S.Rigat, Application of functional calculus to complex Cauchy problems // Comput. Meth. Funct. Theory, 7(2007), 509-526. 9H. Tahara, On the singularities of solutions of nonlinear partial differential equations in the complex domain // Microlocal analysis and asymptotic analysis (T. Kawai, ed.), RIMS Kokyuroku 1397(2004), 102-111. 10H. Hannach, A. A. Himonas and G. Petronilho, Gevrey regularity in time for generalized KdV type equations // Contemp. Math. 400(2006), 117-127. 11F. Linares and G. Ponce, Introduction to nonlinear dispersive equations, New York, Springer, 2009. 12A. Rybkin, The Hirota т-function and well-posedness of the Korteweg-de Vries equation with an arbitrary step-like initial profile decaying on the right half-line // Nonlinearity 24(2011), 2953-2990. 13J. B. McLeod and P. J. Olver, The connection between partial differential equations soluble by inverse scattering and ordinary differential equations of Painleve type // SIAM J. Math. Anal. 14(1983), 488-506. 14N. Hayashi and K. Kato, Regularity in time of solutions to nonlinear Schrodinger equations И J. Funct. Anal. 128(1995), 253-277. 15M. D. Kruskal, N. Joshi and R. Halburd, Analytic and asymptotic methods for nonlinear singularity analysis : a review and extension of tests for the Painleve property // Lect. Notes Phys. 638(2004), 175-208. См. особенно стр.195. тельной, но недоступной из-за технических трудностей. Поясним, что такое солитонные уравнения, на следующих примерах: (4) щ = аиххх + Ьиих, а,6єС\{0}, utt = auxxxx + buuxx + bul, а,6єС\{0}, іщ = аихх + bu\u\2, а,6єМ\{0}, причем в (6) под \и\2 понимается и(х,t)u(x\t). Метод обратной задачи рассеяния был впервые предложен именно для уравнения Кортевега-де Фриза (4), описывающего (в случае вещественных а, Ъ) длинные волны на мелкой воде. К.Гарднер, Дж. Грин, М.Крускал и Р.Миура16 заметили, что когда потенциал u(x,t) эволюционирует согласно (4), то эволюция его данных рассеяния (некоторых спектральных характеристик оператора L = д2 + u(x,t) на пространстве Ь2(ЖХ)) оказывается линейной и "явно интегрируемой", что позволяет строить примеры решений и изучать свойства всех решений определенных классов. Объяснение неожиданного успеха этого подхода дал П. Лаке17, показав, что уравнение (4) (для определенности, с а = 1/4, Ъ = 3/2) есть условие разрешимости вспомогательной линейной задачи (7) Ьф = Хф, <фг = Рф для операторов L := д2 + и и Р := дх + (3/2)идх + (3/4)мж. Иными словами, уравнение (4) можно записать в виде Lf = [Р, L]. Отсюда в силу кососимметричности оператора Р вытекает, что эволюция оператора L сводится к его сопряжению посредством некоторого зависящего от t унитарного оператора на пространстве Ь2(ШХ), чем и объясняется удивительная простота закона эволюции данных рассеяния. Нелинейное уравнение Шредингера (6) описывает эволюцию огибающей волнового пакета, распространяющегося в нелинейной среде с дисперсией. Включение этого уравнения в рамки метода обратной задачи рассеяния, проведенное В. Е. Захаровым и А. Б. Шабатом18, потребовало перехода в (7) от скалярного дифференциального уравнения второго порядка Рф = \ф к матричному 2x2-уравнению первого порядка с последующей редукцией (т.е. подбором матриц специальной алгебраической структуры, в данном случае косоэрмитовых). При этом вспомогательная линейная задача приобрела вид (8) Ех = UE, Et = VE 16С. S. Gardner, J. М. Greene, М. D. Kruskal and R. M. Miura, Method for solving the Korte-weg-de Vries equation // Phys. Rev. Lett. 19(1967), 1095-1097. 17P. D. Lax, Integrals of nonlinear equations of evolution and solitary waves // Comm. Pure Appl. Math. 21(1968), 467-490. В. E. Захаров, А. Б. Шабат, Точная теория двумерной самофокусировки и одномерной автомодуляции волн в нелинейных средах // ЖЭТФ 61(1971), 118—134. для некоторых матричнозначных полиномов U(x, t, z) и V(x, t, z) степеней соответственно 1 и 2 от спектрального параметра z Є С (связанного с параметром Л из (7) соотношением Л = zn в случае п х n-матриц), а само уравнение (6) оказалось записанным, хотя и неявно, в виде редукции уравнения нулевой кривизны (9) Ut-Vx + [U,V]=0, играющего фундаментальную роль в нашей работе. Первая явная запись солитонных уравнений в виде редукций уравнений нулевой кривизны и первые применения такой формы записи принадлежат СП. Новикову19. Наконец, уравнение Буссинеска (5), описывающее (как и уравнение Кор-тевега-де Фриза) волны на воде, но допускающее (в отличие от уравнения Кортевега-де Фриза) движение волн как вправо, так и влево, было включено в рамки метода обратной задачи рассеяния В. Е. Захаровым (1973) и оказалось первым физически важным случаем, где вместо 2 х 2-матриц в (8) или операторов L второго порядка в (7) пришлось рассматривать 3 х 3-матрицы или операторы третьего порядка. Итак, все три уравнения (4)-(6) являются редукциями уравнения (9), в котором U и V суть полиномы от z, причем deg U = 1, degy ^ 2. Принимая это свойство за определение солитонного уравнения параболического типа, мы дадим полный ответ на вопрос об аналитическом продолжении локальных голоморфных решений таких уравнений. Оказывается, дело обстоит почти так же как для линейных уравнений (1)-(3), только теперь решения продолжаются не до целых функций от х, а до глобально мероморфных. Утверждение 1. Для каждого из уравнений (4)-(6), любое голоморфное решение u(x,t) в бидиске D = {(x,t) Є С2\\х — хо\ < i, \t — to I < 2} (с вещественным центром (xo,to) Є М2 в случае уравнения (6)) допускает аналитическое продолжение до мероморфной функции u(x,t) в полосе S = {(x,t) Є C2||t-t0| <2}- Из теоремы Коши-Ковалевской (с х в качестве временной переменной) вытекает, что утверждение 1 неулучшаемо: для каждого из уравнений (4)-(6) можно указать такое решение и, что его продолжение и не может быть продолжено далее ни через одну граничную точку полосы S. Иными словами, оболочка мероморфности любого локального голоморфного (или мероморфно-го) решения покрывает всю плоскость в направлении оси х и может быть совершенно произвольной (любой наперед заданной) в направлении оси t. Для доказательства утверждения 1 мы развиваем локальный вариант метода обратной задачи рассеяния для солитонных уравнений параболического типа С. П. Новиков, Периодическая задача для уравнения Кортевега—де Фриза // Функц. анализ приложен. 8(1974), вып. 3, 54-66. (до сих пор имевшийся лишь в гиперболическом случае20), где потенциалами являются голоморфные ростки без каких-либо граничных условий. Это можно считать шагом на пути к еще одной мечте21: единому подходу к изучению конечнозонных и быстроубывающих решений. Предлагаемый метод использует задачу Римана22,23 о факторизации мат-ричнозначных функций на окружности, точнее, обобщение этой задачи на случай расходящихся рядов жевреевского типа. Установив условия симметричности, достаточные для разрешимости подобных задач, мы приходим к следующему более точному (не допускающему полюсов) нелинейному аналогу упомянутой выше теоремы СВ. Ковалевской2. Этот аналог касается лишь вещественных значений переменных (x,t) и так называемого фокусирующего случая аЪ > 0 нелинейного уравнения Шредингера (6). Он не имеет места в дефокуси-рующем случае аЪ < 0. Утверждение 2. Всякое веществ енно-аналитическое решение и : П —> С уравнения (6) с аЬ > 0 на прямоугольнике П := {(x,t) Є Ш2 \ \х — хо\ < Єї, \t — to\ < 2} продолжается до вещественно-аналитической функции и : Е —> С на полосе Е := {(x,t) Є Ш2 \ \t — to\ < 2}- Простейшим и самым известным солитонным уравнением гиперболического типа является так называемая унитарная сигма-модель теории поля или уравнение гармонических отображений вещественной двумерной плоскости с лоренцевой метрикой в унитарную группу22,23. Вопросы об аналитическом продолжении голоморфных решений становятся в этом случае тривиальными. Но если мы перейдем от лоренцевой метрики к евклидовой и добавим условие конечности энергии, то возникает новая задача: описать все такие решения. Ею занимались Ш. Чжень, Э.Калаби, Дж. Иллс (см. обзоры24,25). Один из подходов к решению этой задачи был предложен К. Уленбек26 и мотивирован теорией солитонных уравнений. Он основан на понятии добавления унитона (предельный случай операции добавления солитона). Пользуясь пред- И. М. Кричевер, Нелинейные уравнения и эллиптические кривые // Итоги науки техн. Соврем, проблемы математики, 23(1983), стр. 79-136. См. особенно стр. 81-90. 21D. Bennequin, Hommage a Jean-Louis Verdier: Au jardin des systemes integrables // in: Integrable systems. The Verdier memorial conference (О. Babelon et al. eds), Boston, Birkhauser, 1993, 1-36. См. особенно стр. 35-36. 22B.E. Захаров, СВ. Манаков, СП. Новиков и Л. П. Питаевский, Теория солитонов. Метод обратной задачи рассеяния, Москва, Наука, 1980. Л. А. Тахтаджян и Л. Д. Фаддеев, Гамильтонов подход в теории солитонов, Москва, Наука, 1986. См. особенно гл. II части I и 6—8 гл. I части П. И.Давидов, А.Г.Сергеев, Твисторные пространства и гармонические отображения // Успехи Матем. Наук 48(1993), вып. 3, 3-96. 25F. Helein and J. С Wood, Harmonic maps // in: Handbook of global analysis (D. Krupka, D.Saunders eds.), Amsterdam, Elsevier, 2008, 417-491. См. особенно стр. 476-480. 26K. Uhlenbeck, Harmonic maps into Lie groups: classical solutions of the chiral model // J.Diff. Geom. 30(1989), 1-50. ставлением нулевой кривизны (9) для изучаемого уравнения, мы переносим теорию унитонов на некоммутативную сигма-мод ель27, получаемую из обычной сигма-модели квантованием по Вейлю (см. монографию Л. Хёрмандера6, т. III, 18.5), и извлекаем следствия: целочисленность энергии всех решений (в надлежащих единицах измерения) и описание всех решений энергии не выше 5. Цель работы. Изучение вопроса об аналитическом продолжении и глобальных аналитических свойств голоморфных решений нелинейных интегрируемых уравнений математической физики (солитонных уравнений) параболического типа в пространстве нескольких комплексных переменных. Разработка локального варианта метода обратной задачи рассеяния для построения таких решений и исследования их свойств. Изучение решений некоммутативной сигма-модели в рамках теории унитонов и полное описание пространств всех решений малой энергии. Научная новизна. Все результаты работы являются новыми. В диссертации получены следующие основные результаты. Доказана теорема о глобальном мероморфном продолжении по пространственной переменной любого ростка голоморфного решения для солитонных уравнений параболического типа. Описаны все возможные оболочки мероморфности ростков голоморфных решений таких уравнений. Получен критерий разрешимости локальной голоморфной задачи Копій для солитонных уравнений параболического типа в терминах данных рассеяния начального условия. Установлено свойство тривиальности монодромии в полюсах глобальных мероморфных функций, полученных продолжением ростков решений солитонных уравнений. Описаны пространства модулей решений некоммутативной сигма-модели теории поля, имеющих нормированную энергию не выше 5. Теоретическая и практическая ценность. Работа носит теоретический характер. Результаты диссертации могут найти применение в теории функций нескольких комплексных переменных, теории уравнений с частными производными и математической физике. Методы исследования. В диссертации используется разработанный автором локальный вариант метода обратной задачи рассеяния, а также общие методы комплексного и функционального анализа. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова на семинаре 27О. Lechtenfeld, Noncommutative solitons // Recent developments in gravitation and cosmology (A. Macias et al. eds), AIP Conf. Proc. 977(2008), 37-51. кафедры ТФФА по многомерному комплексному анализу (семинаре Витушки-на) под руководством чл.-корр. РАН Е. М. Чирки, чл.-корр. РАН СЮ. Неми-ровского, проф. А. Г. Сергеева и проф. В. К. Белошапки и на семинаре "Операторные модели в математической физике" под руководством проф. А. А. Шпаликова, в Математическом институте им. В. А. Стеклова РАН на семинаре по комплексному анализу под руководством академика А. А. Гончара, чл.-корр. РАН Е. М. Чирки и проф. А. И. Аптекарева, семинаре отдела математической физики под руководством академика B.C. Владимирова и семинаре "Комплексные задачи математической физики" под руководством проф. А. Г. Сергеева, на семинаре кафедры анализа под руководством проф. А. Т. Хаклберри в Рурском университете в Бохуме, семинаре по теории струн под руководством проф. О. Лехтенфельда в институте физики университета им. Лейбница в Ганновере, семинаре по теории интегрируемых систем под руководством проф. А. Дегаспериса в университете Рим-3, семинаре по многомерному комплексному анализу под руководством проф. К. Pea в университете Рим-2, семинаре по комплексному анализу и геометрии под руководством проф. Р. Кобаяши в университете г. Нагоя и на ряде других семинаров, а также на международных конференциях, в том числе: международная конференция "Геометрический анализ и его приложения" (Волгоград, 2004), международная конференция SCV2004 (Пекин, 2004), XXV международная конференция по геометрическим методам в физике (Беловежа, Польша, 2006), международная школа-конференция "Геометрия и квантование" (Москва, 2007), II российско-армянское совещание по математической физике, комплексному анализу и смежным вопросам (Москва, 2008), академический симпозиум "Римановы поверхности, гармонические отображения и визуализация" (Осака, Япония, 2008), российско-германская конференция по многомерному комплексному анализу (Москва, 2012). Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 11 работах автора, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка литературы из 116 наименований. Общий объем диссертации — 205 страниц.
Похожие диссертации на Голоморфные решения солитонных уравнений
