双线性方法求n分量非线性薛定谔方程的N孤子解

昂给鲁玛 ,  白玉山

内蒙古工业大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (2) : 150 -159.

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内蒙古工业大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 44 ›› Issue (2) : 150 -159. DOI: 10.13785/j.cnki.nmggydxxbzrkxb.2025.02.008
数理科学

双线性方法求n分量非线性薛定谔方程的N孤子解

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N-soliton solutions of n-component nonlinear Schrödinger equation via Hirota method

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摘要

利用Hirota双线性方法给出了光纤通信中重要模型n分量非线性薛定谔方程(Nonlinear Schrödinger equation, NLSE)的N孤子解一般表达式。作为例子,给出了三分量NLSE和六分量NLSE丰富的解,包括单孤子解、双孤子解和三孤子解,并通过取适当的参数,绘制了孤子解、呼吸解以及相互作用解等的图形,详细讨论了参数对波形的影响。这些结果丰富了n分量NLSE的孤子解的相关研究。

Abstract

The general expression of N-soliton solution of the n-component nonlinear Schrödinger equation (NLSE), an important model in optical fiber communication, was given by using Hirota bilinear method. As an example, a variety of solutions for three-component NLSE and six-component NLSE were given, including single-soliton solution, two-soliton solution and three-soliton solution. The graphs of soliton solutions, breather solutions and interaction solutions were plotted by taking appropriate parameters, and the influence of the parameters on the waveform was discussed in detail. These results could enrich the study of soliton solutions of n-component NLSE.

Graphical abstract

关键词

n分量非线性薛定谔方程 / 双线性形式 / 孤子解 / 呼吸解 / 相互作用解

Key words

n-component nonlinear Schrödinger equation / bilinear form / soliton solution / breather solution / interaction solution

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昂给鲁玛,白玉山. 双线性方法求n分量非线性薛定谔方程的N孤子解[J]. 内蒙古工业大学学报(自然科学版), 2025, 44(2): 150-159 DOI:10.13785/j.cnki.nmggydxxbzrkxb.2025.02.008

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求解非线性发展方程是研究非线性领域的核心内容。由于非线性的复杂性,求精确解还没有统一的方法,常用于求解非线性发展方程的方法有Lie对称法[1]、反散射法[2]、Darboux变换法[3]、Hirota双线性法[4]、Tanh函数法[5]、齐次平衡法[6]等。Hirota双线性方法是一种重要而直接的方法,自1971年Hirota提出双线性方法以来,这一方法一直保持较强的生命力[7]。基于该方法构造非线性方程的解,对数学、物理、力学等学科研究具有重要的理论和应用价值[8]。目前随着这些方法的发展,很多非线性发展方程的求解也得到了快速发展,但仍有许多需要深入研究求精确解的工作。
在光纤通信中,NLSE起着至关重要的作用[9]。光孤子的传播通常可以用NLSE来描述[10]。NLSE是可积系统里重要的非线性模型。学者们对孤子在单个NLSE和耦合NLSE中的传播问题进行了广泛研究,利用多种方法得到了NLSE的孤子解[11-12]、呼吸解[13-14]、怪波解[15-16]、Lump解[17-18]、周期波解[19]和行波解[20]。但是,目前关于n分量NLSE的N孤子解的研究较少。
综上所述,本文将经典耦合NLSE推广到多个分量相互作用的n分量NLSE。由于孤子的多分量结构,它们的传播和相互作用比单分量或者耦合的孤子更加丰富[21],一些物理现象需要三个或者更多分量的NLSE来描述。本文采用Hirota方法给出了n分量NLSE的N孤子解的一般表达式,绘制出了一些重要波解。

1 n 分量NLSE的双线性形式

考虑经典耦合NLSE方程:

iq1, t+12q1, xx+σ|q1|2+α|q2|2q1=0iq2, t+12q2, xx+σα|q1|2+|q2|2q2=0

其中,q1q2为变量xt的复函数,σ为任意常数,α>0。上述方程除α=1外,一般不完全可积,当α=1时,该方程组为可积Manakov方程[22]。Manakov首次研究发现耦合NLSE中,当方程耦合仅通过交叉相位调制实现,且自相位调制系数等于交叉相位调制系数时,NLSE是可积的[23-24]

α1,考虑由式(1)推广的n分量NLSE:

iqj, t+12qj, xx+σl=1nqlql*qj=0, (j=1, 2, , n)

其中,qj为变量xt的复函数。符号*表示复共轭。

假设

qjx, t=gjx, tfx, t, (j=1, 2, , n)

式(3)代入到方程(2),得到:

igjx, tfx, tt+12gjx, tfx, txx+σr=1ngrx, tfx, tgr*x, tfx, tgjx, tfx, t=0, (j=1, 2, , n)

式(4)写成双线性导数形式:

iDt+Dx2gjf+gjf-12Dx2ff+σr=1ngrgr*gj=0,j=1, 2, , n

通过分离线性部分和非线性部分并使它们等于零,得到

iDt+12Dx2gjf=0, j=1, 2, , n12Dx2ff=σr=1n|gr|2

其中,DtDx2为双线性导数。双线性导数的定义如下:

Dxm1Dtm2gf=x-x1m1t-t1m2gx, tfx1, t1x1=x,t1=t=j=1m1j=1m2-1m1+m2-j-rm1!j!m1-j!m2!r!m2-r!r+jgtrxjm1+m2-r-jftm2-rxm1-r ,

其中,mn为整数,gf分别是关于变量xtx1t1的函数。

2 n 分量NLSE的孤子解

为了得到方程(2)的孤子解,还需要函数gjx, tj=1, 2, , nf(x, t)的有限摄动展开,其中复函数gjx, tj=1, 2, , n可由小参数ε的奇次幂展开为级数,实函数f(x, t)由小参数ε的偶次幂展开为级数:

fx, t=1+ε2f(2)x, t+ε4f(4)x, t+ε6f(6)x, t+gjx, t=εgj(1)x, t+ε3gj(3)x, t+ε5gj(5)x, t+,j=1, 2, 3, , n

将上述展开式代入双线性式(6),令ε中同次幂系数相等,得到

ε1:                               iDt+12Dx2gj(1)1=0ε2:                   12Dx21f(2)+f(2)1=σr=1ngr(1)gr(1)*ε3:                       iDt+12Dx2gj1f2+gj31=0ε4:  12Dx21f(4)+f(2)f(2)+f(4)1=σr=1ngr(1)gr(3)*+gr(3)gr(1)*ε5:              iDt+12Dx2gj1f4+gj3f2+gj51=0ε6:                 12Dx21f(6)+f(2)f(4)+f(4)f(2)+f(6)1                   =σr=1ngr1gr5*+gr3gr3*+gr5gr1*

2.1 n 分量NLSE的单孤子解

截断由参数ε的摄动展开的级数(6)如下:

gj=εgj(1), j=1, 2, 3, , nf=1+ε2f(2)

假设

gj(1)=eη1+εj, j=1, 2, 3, , n

要注意的是ε1=0ε2, , εn是复数。

η1=l1t+w1x+μ1, l1=-iw122

其中,l1w1μ1均为复数。式(9)~式(11)代入双线性方程(8),通过计算可以得到

f(2)=c11eη1+η1*=eη1+η1*+θ13+τ1c11=eθ13+τ1=σr=1neεr+εr*w1+w1*2

ε=1n分量NLSE式(2)的单孤子解如下:

qj, 1=gj(1)1+f(2)=eη1+εj1+eη1+η1*+θ12+τ1=e-iw122t+w1x+εj1+σr=1neεr+εr*w1+w1*2e-iw122t+w1x-iw1*22t+w1*x,      j=1, 2, 3, , n

2.2 n 分量NLSE的双孤子解

截断由参数ε的摄动展开的级数(7)如下:

gj=εgj(1)+ε3gj(3) , j=1, 2, 3, , nf=1+ε2f(2)+ε4f(4)

假设

gj(1)=eη1+εj+eη2+εj , j=1, 2, 3, , n

要注意的是ε1=0, ε2, , εn是复数。

η1=l1t+w1x+μ1, l1=-iw122η2=l2t+w2x+μ2, l2=-iw222

其中,l1l2w1w2μ1μ2均为复数。有

f(2)=c11eη1+η1*+c21eη2+η1*+c12eη1+η2*+c22eη2+η2*gj(3)=a121eη1+η2+η1*+εj+a122eη1+η2+η2*+εj, j=1, 2, , nf(4)=c1212eη1+η2+η1*+η2*

其中,c11, c12, c21, c22, c1212是待确定系数。式(14)~式(17)代入双线性方程(8)可以得到

c11=eθ13+τ=σr=1neεr+εr*w1+w1*c12=eθ14+τ=σr=1neεr+εr*w1+w2*c21=eθ23+τ=σr=1neεr+εr*w2+w1*c22=eθ24+τ=σr=1neεr+εr*w2+w2*a121=eθ13+θ23+θ12+τ=σr=1neεr+εr*w1-w22w1+w1*2w2+w1*2a122=eθ14+θ24+θ12+τ=σr=1neεr+εr*w1-w22w1+w2*2w2+w2*2c1212=eθ13+θ23+θ14+θ24+θ12+θ34+τ2               =σr=1neεr+εr*2w1-w22w1*-w2*2w1+w1*2w2+w1*2w1+w2*2w2+w2*2

同样地,取ε=1n分量NLSE的双孤子解如下:

qj, 2=eη1+εj+eη2+εj+eη1+η2+η1*+εj+θ12+θ13+θ23+τ1          +eη1+η2+η2*+εj+θ12+θ14+θ24+τ11+eη1+η1*+θ13+τ1+eη2+η1*+θ23+τ1+eη1+η2*+θ14+τ1   +eη2+η2*+θ24+τ1+eη1+η2+η1*+η2*+θ12+θ13+θ14+θ23+θ24+θ34+τ2, j=1, 2, 3, , n

2.3 n 分量NLSE的三孤子解

截断由参数ε的摄动展开的级数(7)如下:

gj=εgj(1)+ε3gj(3)+ε5gj(5) , j=1, 2, , nf3=1+ε2f(2)+ε4f(3)+ε6f(6)

假设

gj(1)=eη1+εj+eη2+εj+eη3+εj , j=1, 2, , n

要注意的是ε1=0ε2, ε3是复数。

η1=l1t+w1x+μ1, l1=-iw122η2=l2t+w2x+μ2, l2=-iw222η3=l3t+w3x+μ3, l3=-iw322

其中,l1l2l3w1w2w3μ1μ2μ3均为复数。

f(2)=c11 eη1+η1*+c12eη1+η2*+c13eη1+η3*+c21eη2+η1*+c22eη2+η2*+c23eη2+η3*+c31eη3+η1*+c32eη3+η2*+c33eη3+η3*gj(3)=a121eη1+η2+η1*+εj+a122eη1+η2+η2*+εj+a123eη1+η2+η3*+εj+a131eη1+η3+η1*+εj+a132eη1+η3+η2*+εj+a133eη1+η3+η3*+εj+a231eη2+η3+η1*+εj+a232eη2+η3+η2*+εj+a233eη2+η3+η3*+εjf(4)=c1212eη1+η2+η1*+η2*+c1213eη1+η2+η1*+η3*+c1223eη1+η2+η2*+η3*+c1312eη1+η3+η1*+η2*+c1313eη1+η3+η1*+η3*+c1323eη1+η3+η2*+η3*+c2312eη2+η3+η1*+η2*+c2313eη2+η3+η1*+η3*+c2323eη2+η3+η2*+η3*gj(5)=a12312eη1+η2+η3+η1*+η3*+εj+a12313eη1+η2+η3+η1*+η2*+εj+a12323eη1+η2+η3+η2*+η3*+εjf(6)=c123123eη1+η2+η3+η1*+η2*+η3*

经过计算确定未确定系数:

c11=eθ14+τ=σr=1neεr+εr*w1+w1* ,c12=eθ15+τ=σr=1neεr+εr*w1+w2* ,c13=eθ16+τ=σr=1neεr+εr*w1+w3* ,c21=eθ24+τ=σr=1neεr+εr*w2+w1* ,c22=eθ25+τ=σr=1neεr+εr*w2+w2* ,c23=eθ26+τ=σr=1neεr+εr*w2+w3* ,c31=eθ34+τ=σr=1neεr+εr*w3+w1* ,c32=eθ35+τ=σr=1neεr+εr*w3+w2* ,c33=eθ36+τ=σr=1neεr+εr*w3+w3* ,
a121=eθ14+θ24+θ12+τ=σr=1neεr+εr*w1-w22w1+w1*2w2+w1*2 ,a122=eθ15+θ25+θ12+τ=σr=1neεr+εr*w1-w22w1+w2*2w2+w2*2 ,a123=eθ16+θ26+θ12+τ=σr=1neεr+εr*w1-w22w1+w3*2w2+w3*2 ,a131=eθ14+θ34+θ13+τ=σr=1neεr+εr*w1-w32w1+w1*2w3+w1*2 ,a132=eθ15+θ35+θ13+τ=σr=1neεr+εr*w1-w32w1+w2*2w3+w2*2 ,a133=eθ16+θ36+θ13+τ=σr=1neεr+εr*w1-w32w1+w3*2w3+w3*2 ,a231=eθ24+θ34+θ23+τ=σr=1neεr+εr*w2-w32w2+w1*2w3+w1*2 ,a232=eθ25+θ35+θ23+τ=σr=1neεr+εr*w2-w32w2+w2*2w3+w2*2 ,a233=eθ26+θ36+θ23+τ=σr=1neεr+εr*w2-w32w2+w3*2w3+w3*2 ,c1212=eθ14+θ24+θ15+θ25+θ12+θ45+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w22w1*-w2*2w1+w1*2w2+w1*2w1+w2*2w2+w2*2 ,c1213=eθ14+θ24+θ15+θ25+θ12+θ46+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w22w1*-w3*2w1+w1*2w2+w1*2w1+w3*2w2+w3*2 ,
c1223=eθ15+θ25+θ16+θ26+θ12+θ56+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w22w2*-w3*w1+w2*2w2+w2*2w1+w3*2w2+w3*2 ,
c1312=eθ14+θ34+θ15+θ35+θ13+θ45+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w32w1*-w2*2w1+w1*2w3+w1*2w1+w2*2w3+w2*2 ,c1313=eθ14+θ34+θ16+θ36+θ13+θ46+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w32w1*-w3*2w1+w1*2w3+w1*2w1+w3*2w3+w3*2 ,
c1323=eθ15+θ35+θ16+θ36+θ13+θ56+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w32w2*-w3*2w1+w2*2w3+w2*2w1+w3*2w3+w3*2 ,c2312=eθ24+θ34+θ25+θ35+θ23+θ45+τ2=σr=1neεr+εr*2w2-w32w1*-w2*2w2+w1*2w3+w1*2w2+w2*2w3+w2*2 ,c2313=eθ24+θ34+θ26+θ36+θ23+θ46+τ2=σr=1neεr+εr*2w2-w32w1*-w3*2w2+w1*2w3+w1*2w2+w3*2w3+w3*2 ,c2323=eθ25+θ35+θ26+θ36+θ23+θ56+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w32w2*-w3*2w1+w2*2w3+w2*2w1+w3*2w3+w3*2 ,a12312=eθ14+θ24+θ34+θ15+θ25+θ35+θ12+θ13+θ23+θ45+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w22w1-w32w2-w32w1*-w2*2w1+w1*2w2+w1*2w3+w1*2w1+w2*2w2+w2*2w3+w2*2 ,
a12313=eθ14+θ24+θ34+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ46+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w22w1-w32w2-w32w1*-w3*2w1+w1*2w2+w1*2w3+w1*2w1+w3*2w2+w3*2w3+w3*2 ,
a12323=eθ15+θ25+θ35+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ56+τ2=σr=1neεr+εr*2w1-w22w1-w32w2-w32w2*-w3*2w1+w2*2w2+w2*2w3+w2*2w1+w3*2w2+w3*2w3+w3*2 ,c123123=eθ14+θ24+θ34+θ15+θ25+θ35+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ45+θ56+θ46+τ3=σr=1neεr+εr*2w1-w22w1-w32w2-w32w1*-w2*2w2*-w3*2w1*-w3*2w1+w1*2w2+w1*2w3+w1*2w1+w2*2w2+w2*2w3+w2*2w1+w3*2w2+w3*2w3+w3*2

ε=1n分量NLSE的三孤子解为

qj=gj(1)+gj(3)+gj(5)1+f(2)+f(4)+f(6) ,j=1, 2, , n

2.4 n 分量NLSEN 孤子解

如果取幂级数展开式(7)中:

gj1=eη1+εj+eη2+εj++eηN+εj, j=1, 2, , nηN=lNt+wNx+μN, lN=-iwN22, N=1, 2, , N

n分量NLSE式(2)N孤子解qj, Nj=1, 2, , n,所对应的分母与分子可以表示为

fNx, t=μ=0, 1A1μek=12Nμkηk+1k<l2Nμlθkl+τpgj, Nx, t=μ=0, 1A2μek=12Nμkηk+1k<l2Nμlθkl+τp+εj ,                           j=1, 2, , n

其中

ηN+k=ηk*, k=1, 2, , NeθkN+l=1wk+wl*2, k, l=1, 2, , Neθkl=wl-wk2, k<l=1, 2, , NeθN+kN+l=wl*-wk*2, k<l=1, 2, , Nτ=σj=1neεj+εj*p=k=1NμN+k, k=1, 2, , N

A1μA2μ表示当μjj=1, 2, , N取所有可能的01时,还需要分别满足条件

k=1Nμk=k=1NμN+k, k=1Nμk=k=1NμN+k+1

3 举例

3.1 三分量NLSE的孤子解

式(2)中,当n=3时,有以下三分量NLSE:

iq1, t+12q1, xx+σ|q1|2+|q2|2+|q3|2q1=0iq2, t+12q2, xx+σ|q1|2+|q2|2+|q3|2q2=0iq3, t+12q2, xx+σ|q1|2+|q2|2+|q3|2q3=0

三分量NLSE的双线性形式为

iDt+12Dx2g1f=0iDt+12Dx2g2f=0iDt+12Dx2g3f=012Dx2ff=σ|g1|2+|g2|2+|g3|2

3.1.1 三分量NLSE的单孤子解

根据式(26),可以得到式(30)的单孤子解如下:

q1, 1=eη1+ε1eη1+η1*+θ12+τ=e-iw122t+w1x+ε11+1+eε2+ε2*+eε3+ε3*σw1+w1*e-iw122t+w1x-iw1*22t+w1*xq2, 1=eη1+ε2eη1+η1*+θ12+τ=e-iw122t+w1x+ε21+1+eε2+ε2*+eε3+ε3*σw1+w1*e-iw122t+w1x-iw1*22t+w1*xq3, 1=eη1+ε3eη1+η1*+θ12+τ=e-iw122t+w1x+ε31+1+eε2+ε2*+eε3+ε3*σw1+w1*e-iw122t+w1x-iw1*22t+w1*x

q2, 1通过取适当的参数w1=-1+0.5iμ1=0.3-iε2=0.5+0.25iε3=0.5+0.3iσ=0.5,利用mathematica可以画出单亮孤子解,如图1所示。

3.1.2 三分量NLSE的双孤子解

根据式(26),可以得到式(30)的双孤子解如下:

q1, 2=eη1+ε1+eη2+ε1+eη1+η2+η1*+ε1+θ13+θ23+θ12+τ+eη1+η2+η2*+ε1+θ14+θ24+θ12+τ1+eη1+η1*+θ13+τ+eη1+η2*+θ14+τ+eη2+η1*+θ23+τ+eη2+η2*+θ24+τ+eη1+η2+η1*+η2*+θ13+θ23+θ14+θ24+θ12+θ34+τ2q2, 2=eη1+ε2+eη2+ε2+eη1+η2+η1*+ε2+θ13+θ23+θ12+τ+eη1+η2+η2*+ε2+θ14+θ24+θ12+τ1+eη1+η1*+θ13+τ+eη1+η2*+θ14+τ+eη2+η1*+θ23+τ+eη2+η2*+θ24+τ+eη1+η2+η1*+η2*+θ13+θ23+θ14+θ24+θ12+θ34+τ2q3, 2=eη1+ε3+eη2+ε3+eη1+η2+η1*+ε3+θ13+θ23+θ12+τ+eη1+η2+η2*+ε3+θ14+θ24+θ12+τ1+eη1+η1*+θ13+τ+eη1+η2*+θ14+τ+eη2+η1*+θ23+τ+eη2+η2*+θ24+τ+eη1+η2+η1*+η2*+θ13+θ23+θ14+θ24+θ12+θ34+τ2

其中

ηN=lNt+wNx+μN, lN=-iwN22, N=1, 2eθk2+l=1wk+wl*2, k, l=1, 2eθkl=wl-wk2, k<l=1, 2eθ2+k2+l=wl*-wk*2, k<l=1, 2τ=σj=13eεj+εj*

接下来通过取不同参数,利用mathematica可以绘制出一些不同的解。第一种情形:q2, 2w1=1.01w2=1μ1=0.3-iμ2=0.25-iε2=0.5+0.2iε3=0.5+0.3iσ=0.5图2(a)中显示了平行双亮孤子解。第二种情形:q3, 2w1=1.8w2=0.8μ1=0.3-iμ2=0.25-iε2=0.5+0.2iε3=0.5+0.3iσ=0.5图2(b)中显示了呼吸解。第三种情形:q3, 2w1=0.5+iw2=0.5-1.25iμ1=0.3-iμ2=0.25-iε2=0.5-iε3=0.5-0.3iσ=0.1,得到双亮孤子解转向呼吸解传播过程,如图3所示。

3.1.3 三分量NLSE的三孤子解

根据式(26),可以得到式(30)的三孤子解如下:

qj, 3=gj, 3f=eη1+εj+eη2+εj+eη3+εj+eη1+η2+η1*+εj+θ14+θ24+θ12+τ   +eη1+η2+η2*+εj+θ15+θ25+θ12+τ+eη1+η2+η3*+εj+θ16+θ26+θ12+τ   +eη1+η3+η1*+εj+θ14+θ34+θ13+τ+eη1+η3+η2*+εj+θ15+θ35+θ13+τ   +eη1+η3+η3*+εj+θ16+θ36+θ13+τ+eη2+η3+η1*+εj+θ24+θ34+θ23+τ   +eη2+η3+η2*+εj+θ25+θ35+θ23+τ+eη2+η3+η3*+εj+θ26+θ36+θ23+τ   +eη1+η2+η3+η1*+η3*+εj+θ14+θ24+θ34+θ15+θ25+θ35+θ12+θ13+θ23+θ45+τ2   +eη1+η2+η3+η1*+η2*+εj+θ14+θ24+θ34+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ46+τ2   +eη1+η2+η3+η2*+η3*+εj+θ15+θ25+θ35+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ56+τ21+eη1+η1*+θ14+τ+eη1+η2*+θ15+τ+eη1+η3*+θ16+τ   +eη2+η1*+θ24+τ+eη2+η2*+θ25+τ+eη2+η3*+θ26+τ   +eη3+η1*+θ34+τ+eη3+η2*+θ35+τ+eη3+η3*+θ36+τ   +eη1+η2+η1*+η2*+θ14+θ24+θ15+θ25+θ12+θ45+τ2   +eη1+η2+η1*+η3*+θ14+θ24+θ15+θ25+θ12+θ46+τ2   +eη1+η2+η2*+η3*+θ15+θ25+θ16+θ26+θ12+θ56+τ2   +eη1+η3+η1*+η2*+θ14+θ34+θ15+θ35+θ13+θ45+τ2   +eη1+η3+η1*+η3*+θ14+θ34+θ16+θ36+θ13+θ46+τ2   +eη1+η3+η2*+η3*+θ15+θ35+θ16+θ36+θ13+θ56+τ2   +eη2+η3+η1*+η2*+θ24+θ34+θ25+θ35+θ23+θ45+τ2   +eη2+η3+η1*+η3*+θ24+θ34+θ26+θ36+θ23+θ46+τ2   +eη2+η3+η2*+η3*+θ25+θ35+θ26+θ36+θ23+θ56+τ2   +eη1+η2+η3+η1*+η2*+η3*+θ14+θ24+θ34+θ15+θ25+θ35     +θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ45+θ56+θ46+τ3,j=1, 2, 3

其中

ηN=lNt+wNx+μN, lN=-iwN22, N=1, 2, 3eθk3+l=1wk+wl*2, k, l=1, 2, 3eθkl=wl-wk2, k<l=1, 2, 3eθ3+k3+l=wl*-wk*2, k<l=1, 2, 3τ=σj=13eεj+εj*

q1, 3通过取适当的参数w1=1-iw2=1+iw3=1μ1=0.3-iμ2=0.25-iμ3=0.1+iε2=0.5-0.2iε3=0.6-0.3iσ=0.5,可以得到三亮孤子解,如图4(a)所示。q3, 3取参数w1=1-iw2=1.25-iw3=0.75+iμ1=0.3-iμ2=0.25-iμ3=0.1+iε2=0.5-0.2iε3=0.6-0.3iσ=0.75,可以得到三亮孤子解,如图4(b)所示。

3.2 六分量NLSE的孤子解

式(2)中,当n=6时,有以下六分量NLSE:

iq1, t+12q1, xx+σr=16qlql*q1=0iq2, t+12q2, xx+σr=16qlql*q2=0iq3, t+12q3, xx+σr=16qlql*q3=0iq4, t+12q4, xx+σr=16qlql*q4=0iq5, t+12q5, xx+σr=16qlql*q5=0iq6, t+12q6, xx+σr=16qlql*q6=0

上式的双线性形式为

iDt+12Dx2gjf=0, j=1, 2, , 612Dx2ff=σr=16glgl*

3.2.1 六分量NLSE的单孤子解

根据式(26),可以得到式(37)的单孤子解:

qj, 1=gj, 1f1=eη1+εj1+eη1+η1*+θ12+τ1=e-iw122t+w1x+εj1+σr=16eεj+εj*w1+w1*2e-iw122t+w1x-iw1*22t+w1*x,j=1, 2, , 6

3.2.2 六分量NLSE的双孤子解

根据式(26),可以得到式(37)的双孤子解:

qj, 2=gj, 2f=eη1+εj+eη2+εj+eη1+η2+η1*+εj+θ13+θ23+θ12+τ          +eη1+η2+η2*+εj+θ14+θ24+θ12+τ1+eη1+η1*+θ13+τ+eη1+η2*+θ14+τ+eη2+η1*+θ23+τ+eη2+η2*+θ24+τ   +eη1+η2+η1*+η2*+θ13+θ23+θ14+θ24+θ12+θ34+τ2,j=1, 2, , 6

其中

ηN=lNt+wNx+μN, lN=-iwN22, N=1, 2eθk2+l=1wk+wl*2, k, l=1, 2eθkl=wl-wk2, k<l=1, 2eθ2+k2+l=wl*-wk*2, k<l=1, 2τ=σj=16eεj+εj*

q5, 2通过取适当的参数w1=1-iw2=-1μ1=0.3-iμ2=0.25-iε2=0.5-0.2iε3=0.3-0.3iε4=0.7-0.4iε5=0.7-0.5iε6=0.7-0.6iσ=0.5,得到如图5(a)所示的双孤子解。通过取适当的参数w1=1-iw2=-1μ1=0.3-iμ2=0.25-iε2=0.25+iε3=1.5-0.3iε4=0.5-0.4iε5=1.25-0.5iε6=1.75-0.6iσ=0.5,得到图5(b)所示的孤子和呼吸子相互作用解。

3.2.3 六分量NLSE的三孤子解

根据式(26),可以得到式(37)的三孤子解:

qj, 3=gj, 3f=eη1+εj+eη2+εj+eη3+εj+eη1+η2+η1*+εj+θ14+θ24+θ12+τ   +eη1+η2+η2*+εj+θ15+θ25+θ12+τ+eη1+η2+η3*+εj+θ16+θ26+θ12+τ   +eη1+η3+η1*+εj+θ14+θ34+θ13+τ+eη1+η3+η2*+εj+θ15+θ35+θ13+τ   +eη1+η3+η3*+εj+θ16+θ36+θ13+τ+eη2+η3+η1*+εj+θ24+θ34+θ23+τ   +eη2+η3+η2*+εj+θ25+θ35+θ23+τ+eη2+η3+η3*+εj+θ26+θ36+θ23+τ   +eη1+η2+η3+η1*+η3*+εj+θ14+θ24+θ34+θ15+θ25+θ35+θ12+θ13+θ23+θ45+τ2   +eη1+η2+η3+η1*+η2*+εj+θ14+θ24+θ34+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ46+τ2   +eη1+η2+η3+η2*+η3*+εj+θ15+θ25+θ35+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ56+τ21+eη1+η1*+θ14+τ+eη1+η2*+θ15+τ+eη1+η3*+θ16+τ   +eη2+η1*+θ24+τ+eη2+η2*+θ25+τ+eη2+η3*+θ26+τ   +eη3+η1*+θ34+τ+eη3+η2*+θ35+τ+eη3+η3*+θ36+τ   +eη1+η2+η1*+η2*+θ14+θ24+θ15+θ25+θ12+θ45+τ2   +eη1+η2+η1*+η3*+θ14+θ24+θ15+θ25+θ12+θ46+τ2   +eη1+η2+η2*+η3*+θ15+θ25+θ16+θ26+θ12+θ56+τ2   +eη1+η3+η1*+η2*+θ14+θ34+θ15+θ35+θ13+θ45+τ2   +eη1+η3+η1*+η3*+θ14+θ34+θ16+θ36+θ13+θ46+τ2   +eη1+η3+η2*+η3*+θ15+θ35+θ16+θ36+θ13+θ56+τ2   +eη2+η3+η1*+η2*+θ24+θ34+θ25+θ35+θ23+θ45+τ2   +eη2+η3+η1*+η3*+θ24+θ34+θ26+θ36+θ23+θ46+τ2   +eη2+η3+η2*+η3*+θ25+θ35+θ26+θ36+θ23+θ56+τ2   +eη1+η2+η3+η1*+η2*+η3*+θ14+θ24+θ34+θ15+θ25+θ35+θ16+θ26+θ36+θ12+θ13+θ23+θ45+θ56+θ46+τ3 ,j=1, 2, , 6

其中

ηN=lNt+wNx+μN, lN=-iwN22, N=1, 2, 3eθk3+l=1wk+wl*2, k, l=1, 2, 3eθkl=wl-wk2, k<l=1, 2, 3eθ3+k3+l=wl*-wk*2, k<l=1, 2, 3τ=σj=16eεj+εj*

q6, 2通过取适当的参数w1=-1+0.5iw2=-1.25-iw3=-0.75+iμ1=-0.3-iμ2=0.25-iμ3=0.1+iε2=0.5-0.2iε3=0.3-0.3iε4=0.7-0.4iε5=0.7-0.5iε6=0.7-0.6iσ=0.3,得到如图6所示的三孤子解。

4 总结

本文基于n分量NLSE的Hirota双线性形式,得到了n分量NLSE的N孤子解的一般表达式。并由三维图像展现了孤子和呼吸子的传播过程以及孤子和呼吸子的交互行为。发现在孤子解中当参数wi为实数时,可以导出特殊孤子,如图2平行双亮孤子解和呼吸解。当所有参数取相同的数值,各分量间的波形相差不大。图5描述了不同εi值时,孤子和呼吸子之间的相互作用。因此,分量越多,相互作用会更加丰富,波形结构主要受参数wiεi的影响,参数σ的微小差异对波形结构的影响较小。本文所获得的结果对物理学或非线性光学等相关领域的研究具有一定的启示意义。

参考文献

[1]

PEI J T, BAI Y S. Lie symmetries, conservation laws and exact solutions for jaulent-miodek equations[J]. Symmetry, 2019, 11(10): 1319.

[2]

LASHKIN V M. N--soliton solutions of the Fokas-Lenells equation for the plasma ion-cyclotron waves: Inverse scattering transform approach[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2023, 118: 107006.

[3]

BAI Y S, SU P X, MA W X. N-fold darboux transformation for the classical three-component nonlinear Schrödinger equations and its exact solutions[J]. Mathematics, 2021, 9(7): 733.

[4]

KUMAR S, MOHAN B. A novel and efficient method for obtaining Hirota's bilinear form for the nonlinear evolution equation in (n+1)dimensions[J]. Partial Differential Equations in Applied Mathematics, 2022, 5: 100274.

[5]

李萍, 白羽. tanh函数法及其在Joseph-Egri方程中的推广和应用[J]. 井冈山大学学报(自然科学版), 2020, 41(4): 6-9.

[6]

王璐, 李丽. 利用齐次平衡法求解时间分数阶KdV|mKdV方程[J]. 平顶山学院学报, 2022, 37(5): 5-9.

[7]

陈登远. 孤子引论[M]. 北京: 科学出版社, 2006.

[8]

日広田良吾. 孤子理论中的直接方法[M]. 王红艳, 李春霞, 赵俊霄, 译. 北京: 清华大学出版社, 2008.

[9]

JIA R R, WANG Y F. Dark soliton solutions for the coupled variable-coefficient fourth-order nonlinear Schrödinger equations in the inhomogeneous optical fiber[J]. Wave Motion (North-Holland Publishing Company), 2022, 114: 103042.

[10]

YOUNAS U, SULAIMAN T A, BILAL M, et al. Modulation instability analysis, optical and other solutions to the modified nonlinear Schrödinger equation[J]. Communications in Theoretical Physics, 2020, 76(2): 065001.

[11]

LI L, WANG L, YU F. Some general bright soliton solutions and interactions for a (2+1)-dimensional nonlocal nonlinear Schrödinger equation[J]. Applied Mathematics Letters, 2023, 141: 108600.

[12]

MA W X. Soliton solutions to constrained nonlocal integrable nonlinear Schrödinger hierarchies of type (-λ, λ)[J]. International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, 2023, 20(6): 2350098.

[13]

ZHOU X M, ZHANG T T, ZHU C H, et al. Transition of the breather wave of six-order nonlinear Schrödinger equation[J]. Applied Mathematics Letters, 2022, 131: 108072.

[14]

WENG W F, YAN Z Y. Inverse scattering and N-triple-pole soliton and breather solutions of the focusing nonlinear Schrödinger hierarchy with nonzero boundary conditions[J]. Physics Letters. A, 2021, 407: 127472.

[15]

ASADI E, RIAZ H W A, GANJKHANLOO M A. Generalized Darboux transformation for nonlinear Schrödinger system on general Hermitian symmetric spaces and rogue wave solutions[J]. International Journal of Geometric Methods in Modern Physics, 2023, 20(8): 2350127.

[16]

RAO J G, MIHALACHE D, HE J S, et al. Dynamics of general higher-order rogue waves in the two-component nonlinear Schrödinger equation coupled to the Boussinesq equation[J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2022, 110: 106382.

[17]

RIZVI S T R, SEADAWY A R, YOUNIS M, et al. Lump and optical dromions for paraxial nonlinear Schrödinger equation[J]. International Journal of Modern Physics B, 2021, 35(5): 2150078.

[18]

UR-REHMAN S, AHMAD J. Dynamics of optical and multiple lump solutions to the fractional coupled nonlinear Schrödinger equation[J]. Optical and Quantum Electronics, 2022, 54(10): 640.

[19]

CONFORTI M, MUSSOT A, KUDLINSKI A, et al. Doubly periodic solutions of the focusing nonlinear Schrödinger equation: recurrence,period doubling, and amplification outside the conventional modulation-instability band[J]. Physical Review A, 2020, 101: 023843.

[20]

LI Y, LU D C, ARSHAD M, XU X. New exact traveling wave solutions of the unstable nonlinear Schrödinger equations and their applications[J]. Optik, 2021, 226: 165386.

[21]

赵岩, 宋丽军, 王艳. 多组分耦合非线性薛定谔方程的3-孤子解及其相互作用[J]. 光学学报, 2019, 39(4): 340-355.

[22]

ZAHAROV V E, MANAKOV S V. On the complete integrability of a nonlinear Schrödinger equation[J]. Theoretical and Mathematical Physics, 1974, 19: 551-559.

[23]

STALIN S, SENTHILVELAN M, LAKSHMANAN M. Energy-sharing collisions and the dynamics of degenerate solitons in the nonlocal Manakov system[J]. Nonlinear Dynamics, 2019, 95: 1767-1780.

[24]

STALIN S, RAMAKRISHNAN R, SENTHILVELAN M, et al. Nondegenerate solitons in manakov system[J]. Physical Review Letters, 2019, 122(4): 043901.

基金资助

国家自然科学基金项目(12262027)

内蒙古自治区自然科学基金项目(2023LHMS01006)

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