Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η σύνδεση της μοντέρνας θεωρίας σολιτονίων
με την κλασική διαφορική γεωμετρία. Ειδικότερα, αρχίζουμε με ένα εισαγωγικό μέρος,
όπου παραθέτουμε τις βασικές έννοιες που αφορούν: α) Τις λύσεις μη-γραμμικών μερικών
διαφορικών εξισώσεων (ΜΔΕ) που ονομάζονται σολιτόνια (solitons) και β) Την γεωμετρία
των ομαλών καμπυλών και επιφανειών του Ευκλείδειου χώρου). Ακολουθεί, το δεύτερο
και κύριο μέρος, στο οποίο μελετάμε την σχέση τριών χαρακτηριστικών μη-γραμμικών
εξισώσεων εξέλιξης, της εξίσωσης sine-Gordon, της τροποποιημένης εξίσωσης Korteweg
de Vries (mKdV) και της μη γραμμικής εξίσωσης Schrödinger (NLS), με την θεωρία
καμπυλών και επιφανειών.
Αναλυτικότερα, στο πρώτο μέρος και πιο συγκεκριμένα στο πρώτο κεφάλαιο
παρουσιάζουμε μια ιστορική αναδρομή στην έννοια του σολιτονίου. Στην συνέχεια
αναζητούμε κυματικές-σολιτονικές λύσεις για τις εξισώσεις KdV και NLS. Κλείνουμε
παραθέτοντας τις προϋποθέσεις κάτω από τις οποίες μια μη γραμμική εξίσωση είναι
ολοκληρώσιμη. Επιλέγουμε να αναλύσουμε δύο από αυτές τις προϋποθέσεις,
χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα παραδείγματα, ενώ, για τις άλλες δύο, περιοριζόμαστε σε
μια συνοπτική περιγραφή .
Στο δεύτερο κεφάλαιο του εισαγωγικού μέρους γίνεται μια εκτενής αναφορά σε
θεμελιώδεις έννοιες της διαφορικής γεωμετρίας. Πιο συγκεκριμένα, οι έννοιες αυτές
σχετίζονται με την θεωρία καμπυλών και επιφανειών και για ορισμένες από αυτές
παρουσιάζουμε κάποια αντιπροσωπευτικά παραδείγματα.
Ακολουθεί το κύριο μέρος και ειδικότερα το πρώτο κεφάλαιο, στο οποίο,
μελετώντας υπερβολικές επιφάνειες, καταλήγουμε σε ένα κλασικό μη γραμμικό σύστημα
εξισώσεων. Είναι αυτό που οφείλουμε στον Bianchi και το οποίο ενσωματώνει τις
εξισώσεις Gauss-Mainardi-Codazzi. Στην συνέχεια, περιοριζόμαστε στις ψευδοσφαιρικές
επιφάνειες και έτσι καταλήγουμε στην εξίσωση sine-Gordon. Ακολουθεί η ενότητα 1.2,
στην οποία βρίσκουμε τον μετασχηματισμό auto-Bäcklund για την εξίσωση sine-Gordon
και περιγράφουμε την γεωμετρική διαδικασία για την κατασκευή ψευδοσφαιρικών
επιφανειών. Στην ενότητα 1.3, χρησιμοποιώντας τον παραπάνω μετασχηματισμό
Bäcklund, καταλήγουμε στο Θεώρημα Αντιμεταθετικότητας του Bianchi. Συνεχίζουμε με
την ενότητα 1.4, στην οποία παρουσιάζουμε ψευδοσφαιρικές επιφάνειες, οι οποίες
αντιστοιχούν σε σολιτονικές λύσεις της εξίσωσης sine-Gordon. Πιο αναλυτικά, στην
υποενότητα 1.4.1 κατασκευάζουμε την ψευδόσφαιρα του Beltrami, η οποία αντιστοιχεί
στην στάσιμη μονο-σολιτονική λύση. Στην υποενότητα 1.4.2 μελετάμε το ελικοειδές που
δημιουργείται από την έλκουσα καμπύλη, δηλαδή την επιφάνεια Dini, την οποία και
κατασκευάζουμε. Ακολουθεί η υποενότητα 1.4.3, όπου, χρησιμοποιώντας το θεώρημα
μεταθετικότητας, καταλήγουμε στην λύση δύο-σολιτονίων για την εξίσωση sine-Gordon
και συνεχίζουμε με την υποενότητα 1.4.4, όπου κατασκευάζουμε περιοδικές λύσεις των
δύο-σολιτονίων γνωστές ως breathers. Στο δεύτερο κεφάλαιο μελετάμε την κίνηση συγκεκριμένων καμπυλών και
επιφανειών, οι οποίες οδηγούν σε σολιτονικές εξισώσεις. Ειδικότερα, στην ενότητα 2.1
καταλήγουμε στην εξίσωση sine-Gordon μέσω της κίνησης μιας μη-εκτατής καμπύλης
σταθερής καμπυλότητας ή στρέψης. Ακολουθεί η ενότητα 2.2, όπου η εξίσωση sine-
Gordon προκύπτει ως η συνθήκη συμβατότητας για το 2 2 γραμμικό σύστημα AKNS. Στην
συνέχεια, στην ενότητα 2.3 ασχολούμαστε με την κίνηση ψευδοσφαιρικών επιφανειών.
Πιο συγκεκριμένα, στην υποενότητα 2.3.1 συνδέουμε την κίνηση μιας ψευδοσφαιρικής
επιφάνειας με ένα μη αρμονικό μοντέλο πλέγματος, το οποίο ενσωματώνει την εξίσωση
mKdV. Επιπλέον, στην υποενότητα 2.3.2 δείχνουμε ότι η καθαρά κάθετη κίνηση μιας
ψευδοσφαιρικής επιφάνειας, παράγει το κλασικό σύστημα Weingarten. Ολοκληρώνουμε
την ενότητα 2.3 με την κατασκευή των μετασχηματισμών Bäcklund τόσο για το μοντέλο
πλέγματος, όσο και για το σύστημα Weingarten. Το κεφάλαιο κλείνει με την ενότητα 2.4,
όπου μέσω της κίνησης μιας μη εκτατής καμπύλης μηδενικής στρέψης, καταλήγουμε στην
εξίσωση mKdV. Στην συνέχεια μελετάμε την κίνηση των επιφανειών Dini και τελικά
κατασκευάζουμε επιφάνειες που αντιστοιχούν στο τριπλά ορθογώνιο σύστημα Weingarten.
Στο τρίτο και τελευταίο κεφάλαιο επικεντρωνόμαστε στην εξίσωση NLS. Πιο
συγκεκριμένα, στην ενότητα 3.1 καταλήγουμε στην εξίσωση NLS μ’ έναν καθαρά
γεωμετρικό τρόπο. Επιπλέον, κατασκευάζουμε επιφάνειες, οι οποίες αντιστοιχούν στην
μονο-σολιτονική λύση της εξίσωσης NLS και παρουσιάζουμε γι’ αυτές κάποιες γενικές
γεωμετρικές ιδιότητες. Το κεφάλαιο 3 ολοκληρώνεται με την ενότητα 3.3 όπου αρχικά
λαμβάνουμε ακόμη μια φορά την εξίσωση NLS, χρησιμοποιώντας την μελέτη στην
κινηματική των Marris και Passman. Κλείνουμε και αυτό το κεφάλαιο με τον auto-
Bäcklund μετασχηματισμό για την εξίσωση NLS και επιπλέον παρουσιάζουμε χωρικά
περιοδικές λύσεις της, γνωστές ως smoke-ring (δαχτυλίδι-καπνού). / The aim of this diploma thesis is to find a connection between modern soliton
theory and classical differential geometry. More particularly, we begin with an introductory
section, where we present the basic concepts regarding soliton equations and the geometry
of smooth curves ans surfaces. This is followed by the main body of the thesis, which
focuses on three partial differential equations, namely, the sine-Gordon equation, the
modified Korteweg de Vries equation (mKdV) and the nonlinear Scrödinger equation
(NLS), and their connection to the theory of curves and surfaces.
The first introductory chapter is a historical overview of the notion of solitons. We
then seek travelling wave solutions for the KdV and NLS equations. Closing, we quote the
conditions under which a nonlinear equation is integrable. We choose to analyze in detail
two of these conditions while we settle for a brief description of the other two.
The second chapter is an extensive report on fundamental concepts of differential
geometry, namely, those associated with the theory of curves and surfaces in Euclidean
three-dimensional space, and we present some representative examples.
Chapter 1 of the main part, opens with the derivation of a classical nonlinear
system which we owe to Bianchi and embodies the Gauss-Mainardi-Codazzi equations. We
then specialise to pseudospherical surfaces and produce the sine-Gordon equation. Section
1.2 includes the derivation of the auto-Bäcklund transformation for the sine-Gordon
equation along with the geometric procedure for the construction of pseudospherical
surfaces. In section 1.3, we use the above transformation to conclude to Bianchi’s
Permutability Theorem. We continue to section 1.4, where we present certain
pseudospherical surfaces. These surfaces correspond to solitonic solutions of the sine-
Gordon equation, i.e. in subsection 1.4.1 we construct the pseudosphere which corresponds
to the stationary single soliton solution. Also, in subsection 1.4.2 we examine the helicoid
that is created by the tractrix, namely, the Dini surface. In section 1.4.3, by use of Bianchi’s
Permutability Theorem, we end up in the two-soliton solution for the sine-Gordon equation
and continue in the next subsection, where we present periodic two-soliton solutions,
known as breathers.
In Chapter 2, we show how certain motions of curves and surfaces can lead to
solitonic equations. More precisely, in section 2.1, we arrive at the sine-Gordon equation,
through the motion of an inextensible curve of constant curvature or torsion. Then, section
2.2 displays how the sine-Gordon equation arises as the compatibility condition for the
linear 2 2 AKNS system. In section 2.3 we study the movement of pseudospherical
surfaces. In particular, we connect, in subsection 2.3.1, the motion of a pseudospherical
surface to a continuum version of an unharmonic lattice model, which encorporates the
mKdV equation. Moreover, in subsection 2.3.2, we show that a purely normal motion of a
pseudospherical surface produces the classical Weingarten system. We conclude section 2.3 by constructing the Bäcklund transformation both for the lattice model and the
Weingarten system. The chapter ends with section 2.4, where through the motion of an
inextensible curve of zero torsion, we produce the mKdV equation. Furthermore, we
investigate the motion of Dini surfaces and, finally, construct surfaces corresponding to the
triply orthogonal Weingarten system.
The third and final chapter focuses on the NLS equation. In section 3.1 we produce
the NLS equation through a purely geometric manner. We then construct surfaces, that
correspond to the single-soliton solution of this equation, and also present certain general
geometric properties of them. We conclude the final chapter with the auto-Bäcklund
transformation for the NLS equation and the presentation of spatially periodic solutions,
known as smoke-ring.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/8074 |
| Date | 09 October 2014 |
| Creators | Βλάχου, Αναστασία |
| Contributors | Τσουμπελής, Δημήτρης, Vlachou, Anastasia, Παπαγεωργίου, Βασίλειος, Αρβανιτογεώργος, Ανδρέας |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0061 seconds