一類廣義鞍結平面系統正規形的計算

李夢曉，黃土森

(浙江理工大學理學院，杭州 310018)

一類廣義鞍結平面系統正規形的計算

李夢曉，黃土森

(浙江理工大學理學院，杭州 310018)

對于一類廣義鞍結系統，利用Carleman線性化方法，把非線性系統轉化為無窮維上的線性系統，得到矩陣中具體項之間的遞推關系，從而計算出它的正規形，并給出相應的近恒等變量變換。文章提出的計算方法和結果把經典正規形理論中只能計算具非零線性部分動力系統的正規形,推廣到可以計算具零線性部分動力系統的正規形情形；從計算過程中可以直接得出相應的近恒等變量變換，從而解決了經典正規形理論中只能在理論上說明相應近恒等變量變換的存在卻無法給出具體變換的難題。該文結果為簡化分析這類退化系統的動力學性質奠定基礎。

廣義鞍結系統；正規形；近恒等變量變換；Carleman方法

0 引 言

正規形理論是研究非線性微分方程奇點附近軌線結構的基本工具之一。正規形理論研究的主要內容是計算給定非線性微分方程的正規形以及相應近恒等變量變換[1]。目前國內外已提出了很多計算正規形的有效方法，例如直接計算法[2-3]、內積法[4-5]、李括號法[6-7]等。這些方法主要計算了具有非零系數矩陣的非線性微分方程的正規形，但是受方法本身的限制，不能同時給出相應的近恒等變量變換。然而，由于應用學科中的許多非線性微分方程在奇點的系數矩陣為零矩陣，因此需要研究當非線性微分方程在奇點的系數矩陣為零(即退化非線性微分方程)時正規形的計算問題。這方面的研究直到最近幾年才涉及，如：Algaba等[8]利用李括號法結合非線性微分方程的主系統的守恒-耗散分解研究了一類所謂廣義冪零系統，并解決了此系統按齊次分解的正規形計算及其解析可積性問題；Algaba等[9]利用李括號方法結合非線性微分方程的擬主系統的守恒-耗散分解研究了一類平面退化系統，并解決了此系統按擬齊次分解的正規形計算及其解析可積性問題；Algaba等[10]利用李括號方法結合非線性微分方程的擬主系統的守恒-耗散分解，研究了退化非線性微分方程按擬齊次分解的正規形計算及其中心問題；李夢曉等[11]利用Carleman方法計算了

(1)

的正規形。

本文利用Carleman方法研究另外一類所謂的廣義鞍結非線性微分方程

(2)

的正規型的計算，并給出所做的近恒等變量變換。由于系統(2)的最低次齊次項比系統(1)的最低次齊次項高一次，因此本文采用比文獻[11]中更復雜的近恒等變量變換計算系統(1)的正規形。

1 正規形的推導

考慮平面系統

(3)

(4)

k=4,5,…，

若記M(k,m)表示λ=(λ1,…,λn)矩陣構成的線性空間，則D1k∈M(2,dk)。

經典正規形理論計算正規形的一般步驟是：假定已經求得系統的k-1階正規形，然后再求k階正規形[1]。而對于系統(3)，則需要假定已經求得k+1階正規形，再去求k+2階正規形。為此本文做如下近恒等變換：

φ(x1,x2)=(x1,x2)T+ξk(x1,x2)，

其中：ξk(x1,x2)是待求的2維k次齊次多項式向量場，并且它在H∞的標準基下的表示分別為：

φ(mi)=mi+Ei,k+i-1mk+i-1+Ei,2k+i-2m2k+i-2+…+ Ei,(i-1)k+1m(i-1)k+1+Ei,ikmik，

于是，近恒等變量變換φ可以用矩陣形式表示如下：

其中：

先來求系統(3)的4階正規形，為此令k=2，并取k+2=4階截斷式，即：

所以

所以

所以

于是

D13E34-E12D24=

令E12中的元素分別為：

則

繼續令k=3，并取k+2=5階截斷式，即：

經簡單計算得:

所以

又

所以

于是

類似地，當k≥4時，取k+2次截斷式：

經簡單計算得

于是

因為

Dk,k+2=

又

所以

D13E3,k+2-E1kDk,k+2=

其中：

現為求出E1k中的元素，令

則求得E1k的第一行上各個元素。再令

則求得E1k的第二行各個元素，從而可給出：

綜上，本文得到系統(3)的正規形定理如下：

定理1 考慮形式為(3)的廣義鞍結平面系統，可通過近恒等變量變換化為正規形，使得4次齊次多項式向量場中非零參數系統最多有4個；5次齊次多項式向量場中非零參數系統最多有6個，而對于j≥6，j次齊次多項式向量場中非零參數系統最多有4個。

2 結 論

本文利用Carleman線性化方法計算出了一類廣義鞍結系統的正規形，把其正規形進行簡化，使得5次齊次多項式向量場中最多有6項非零，而其它

的齊次多項式向量場中最多都只有4項非零，并給出所作的相應近恒等變量變換。這些結果可以用于微分方程的可積性與中心問題的研究。

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[9] ALGABA A, GARCIA C, GINE J. Analytic integrability for some degenerate planar vector fields[J]. Journal of Dynamics and Differential Equations,2014,257(2)：549-565.

[10] ALGABA A, GARCIA C, GINE J. The center problem：a view from the normal form theory[J]. Journal of Mathematical Analysis and Applications.2016,434(1):680-697.

[11] 李夢曉,黃土森.一類退化平面系統的正規形的計算[J].應用數學進展,2016,5(1)：98-111.

(責任編輯： 康 鋒)

Computation of Normal Forms for a Type of Generalized Planar Saddle-node System

LIMengxiao,HUANGTusen

(School of Sciences, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

For a type of generalized saddle-node system, nonlinear system is transformed to linear system on the infinite dimension by using the method of Carleman linearization. In this way, the recursive relation among the terms in the matrix the system is obtained and then its normal forms are computed. At the same time, the corresponding nearly identical transformation of variables is given. The calculation method and results in this paper generalize the computation of normal forms for non-linear differential equations with non-zero linear part in the classic theory of normal forms to that with zero linear part. The corresponding nearly identical transformation of variables can be directly gained from the calculation process, which solves the problem that classical theory of normal forms can explain the existence of nearly identical transformation of variables only in theory but cannot give the specific transformation. The results in this paper lay a foundation for simplify analyses of the dynamical behaviors of such type of degenerate system.

generalized saddle-node system; normal form; nearly identical transformation of variables; Carleman’s method

10.3969/j.issn.1673-3851.2017.01.019

2016-04-07

日期： 2017-01-03

浙江省自然科學基金項目(LY15A010021)

李夢曉(1992-)，女，河南焦作人，碩士研究生，主要從事微分方程定性理論方面的研究。

O175.14

A

1673- 3851 (2017) 01- 0116- 06