On long-time asymptotics of solution to the non-local Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation with step-like initial data

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The non-linear steepest descent method is employed to study the long-time asymptotics of solution to the non-local Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation with step-like initial data$$q(x,0)=q_0(x)\to\begin{cases}0, &x\to-\infty,A, &x\to+\infty,\end{cases}$$where $A$ is an arbitrary positive constant. We first construct the basic Riemann–Hilbert (RH) problem. After that, to eliminate the influence of singularities, we use the Blaschke–Potapov factor to deform the original RH problem into a regular RH problem which can be clearly solved. Then different asymptotic behaviors on the whole $(x,t)$-plane are analyzed in detail. In the region $(x/t)^2<1/(27\gamma)$ with $\gamma>0$, there are three real saddle points due to which the asymptotic behaviors have a more complicated error term. We prove that the asymptotic solution constructed by the leading and error terms depends on the values of $\operatorname{Im}v(-\lambda_j)$, $j=1,2,3$, where $v(\lambda_j) =-(1/(2\pi))\ln|1+r_1(\lambda_j)r_2(\lambda_j)|-(i/(2\pi))\Delta(\lambda_j)$, $\Delta(\lambda_j)=\int_{-\infty}^{\lambda_j}d \arg(1+r_1(\zeta)r_2(\zeta))$, $r_i(\xi)$, $i=1,2$, are the reflection coefficients and $\lambda_j$ are the saddle points of thephase function $\theta(\xi,\mu)$. Besides, the leading term is characterized by parabolic cylinder functions and satisfies boundary conditions. In the region $(x/t)^2>1/(27\gamma)$ with $\gamma>0$, there are one real and two conjugate complex saddle points. Based on the positions of these points, we improve the extension forms of the jump contours and successfully obtain the large-time asymptotic results of the solution in this case.

About the authors

Wen-Yu Zhou

School of Mathematics, China University of Mining and Technology, Xuzhou, P. R. China

Email: sftian@cumt.edu.cn

Shou-Fu Tian

School of Mathematics, China University of Mining and Technology, Xuzhou, P. R. China

Email: sftian@cumt.edu.cn

Doctor of physico-mathematical sciences, Associate professor

Xiao-Fan Zhang

School of Mathematics, China University of Mining and Technology, Xuzhou, P. R. China

Author for correspondence.
Email: sftian@cumt.edu.cn

References

  1. M. J. Ablowitz, P. A. Clarkson, Solitons, nonlinear evolution equations and inverse scattering, London Math. Soc. Lecture Note Ser., 149, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1991, xii+516 pp.
  2. P. A. Clarkson, J. A. Tuszynski, “Exact solutions of the multidimensional derivative nonlinear Schrödinger equation for many-body systems of criticality”, J. Phys. A, 23:19 (1990), 4269–4288
  3. L. Brizhik, A. Eremko, B. Piette, W. J. Zakrzewski, “Static solutions of a $D$-dimensional modified nonlinear Schrödinger equation”, Nonlinearity, 16:4 (2003), 1481–1497
  4. Shou-Fu Tian, “Initial-boundary value problems for the general coupled nonlinear Schrödinger equation on the interval via the Fokas method”, J. Differential Equations, 262:1 (2017), 506–558
  5. Shou-Fu Tian, Tian-Tian Zhang, “Long-time asymptotic behavior for the Gerdjikov–Ivanov type of derivative nonlinear Schrödinger equation with time-periodic boundary condition”, Proc. Amer. Math. Soc., 146:4 (2018), 1713–1729
  6. M. Lakshmanan, K. Porsezian, M. Daniel, “Effect of discreteness on the continuum limit of the Heisenberg spin chain”, Phys. Lett. A, 133:9 (1988), 483–488
  7. M. J. Ablowitz, D. J. Kaup, A. C. Newell, H. Segur, “Nonlinear-evolution equations of physical significance”, Phys. Rev. Lett., 31:2 (1973), 125–127
  8. Hai-Qiang Zhang, Bo Tian, Xiang-Hua Meng, Xing Lü, Wen-Jun Liu, “Conservation laws, soliton solutions and modulational instability for the higher-order dispersive nonlinear Schrödinger equation”, Eur. Phys. J. B, 72:2 (2009), 233–239
  9. Rui Guo, Hui-Qin Hao, “Breathers and multi-soliton solutions for the higher-order generalized nonlinear Schrödinger equation”, Commun. Nonlinear Sci. Numer. Simul., 18:9 (2013), 2426–2435
  10. Xiao-Li Wang, Wei-Guo Zhang, Bao-Guo Zhai, Hai-Qiang Zhai, “Rogue waves of the higher-order dispersive nonlinear Schrödinger equation”, Commun. Theor. Phys. (Beijing), 58:4 (2012), 531–538
  11. Yunqing Yang, T. Suzuki, Xueping Cheng, “Darboux transformations and exact solutions for the integrable nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation”, Appl. Math. Lett., 99 (2020), 105998, 8 pp.
  12. Wei-Kang Xun, Shou-Fu Tian, Tian-Tian Zhang, “Inverse scattering transform for the integrable nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation”, Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. B, 27:9 (2022), 4941–4967
  13. Yu-Feng Wang, Bo-Ling Guo, Nan Liu, “Riemann–Hilbert problem for a fourth-order dispersive nonlinear Schrödinger equation on the half-line”, J. Math. Anal. Appl., 488:2 (2020), 124078, 8 pp.
  14. M. J. Ablowitz, Z. H. Musslimani, “Integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, Phys. Rev. Lett., 110:6 (2013), 064105, 5 pp.
  15. C. M. Bender, S. Boettcher, “Real spectra in non-Hermitian Hamiltonians having $mathscr{PT}$ symmetry”, Phys. Rev. Lett., 80:24 (1998), 5243–5246
  16. A. S. Fokas, “Integrable multidimensional versions of the nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, Nonlinearity, 29:2 (2016), 319–324
  17. Jia-Liang Ji, Zuo-Nong Zhu, “Soliton solutions of an integrable nonlocal modified Korteweg–de Vries equation through inverse scattering transform”, J. Math. Anal. Appl., 453:2 (2017), 973–984
  18. R. Hernandez-Heredero, E. G. Reyes, “Nonlocal symmetries and a Darboux transformation for the Camassa–Holm equation”, J. Phys. A, 42:18 (2009), 182002, 9 pp.
  19. С. В. Манаков, “О нелинейной дифракции Фраунгофера”, ЖЭТФ, 65:4 (1974), 1392–1398
  20. P. Deift, X. Zhou, “A steepest descent method for oscillatory Riemann–Hilbert problems. Asymptotics for the MKdV equation”, Ann. of Math. (2), 137:2 (1993), 295–368
  21. Jian Xu, Engui Fan, “Long-time asymptotics for the Fokas–Lenells equation with decaying initial value problem: without solitons”, J. Differential Equations, 259:3 (2015), 1098–1148
  22. J. Lenells, “The nonlinear steepest descent method for Riemann–Hilbert problems of low regularity”, Indiana Univ. Math. J., 66:4 (2017), 1287–1332
  23. Y. Rybalko, D. Shepelsky, “Long-time asymptotics for the integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, J. Math. Phys., 60:3 (2019), 031504, 16 pp.
  24. M. Borghese, R. Jenkins, K. D. T.-R. McLaughlin, “Long time asymptotic behavior of the focusing nonlinear Schrödinger equation”, Ann. Inst. H. Poincare C Anal. Non Lineaire, 35:4 (2018), 887–920
  25. A. Boutet de Monvel, V. P. Kotlyarov, D. Shepelsky, “Focusing NLS equation: long-time dynamics of step-like initial data”, Int. Math. Res. Not. IMRN, 2011:7 (2011), 1613–1653
  26. A. Boutet de Monvel, J. Lenells, D. Shepelsky, “The focusing NLS equation with step-like oscillating background: scenarios of long-time asymptotics”, Comm. Math. Phys., 383:2 (2021), 893–952
  27. A. Boutet de Monvel, J. Lenells, D. Shepelsky, “The focusing NLS equation with step-like oscillating background: the genus 3 sector”, Comm. Math. Phys., 390:3 (2022), 1081–1148
  28. R. Jenkins, “Regularization of a sharp shock by the defocusing nonlinear Schrödinger equation”, Nonlinearity, 28:7 (2015), 2131–2180
  29. Y. Rybalko, D. Shepelsky, “Long-time asymptotics for the nonlocal nonlinear Schrödinger equation with step-like initial data”, J. Differential Equations, 270 (2021), 694–724
  30. Y. Rybalko, D. Shepelsky, “Long-time asymptotics for the integrable nonlocal focusing nonlinear Schrödinger equation for a family of step-like initial data”, Comm. Math. Phys., 382:1 (2021), 87–121
  31. Y. Rybalko, D. Shepelsky, “Curved wedges in the long-time asymptotics for the integrable nonlocal nonlinear Schrödinger equation”, Stud. Appl. Math., 147:3 (2021), 872–903
  32. Y. Rybalko, D. Shepelsky, “Defocusing nonlocal nonlinear Schrödinger equation with step-like boundary conditions: long-time behavior for shifted initial data”, J. Math. Phys. Anal. Geom., 16:4 (2020), 418–453
  33. Taiyang Xu, Engui Fan, “Large-time asymptotics to the focusing nonlocal modified Kortweg–de Vries equation with step-like boundary conditions”, Stud. Appl. Math., 150:4 (2023), 1217–1273
  34. Leilei Liu, Weiguo Zhang, “On a Riemann–Hilbert problem for the focusing nonlocal mKdV equation with step-like initial data”, Appl. Math. Lett., 116 (2021), 107009, 7 pp.
  35. Taiyang Xu, Zechuan Zhang, Engui Fan, “On the Cauchy problem of defocusing mKdV equation with finite density initial data: long time asymptotics in soliton-less regions”, J. Differential Equations, 372 (2023), 55–122
  36. A. Minakov, “Riemann–Hilbert problem for Camassa–Holm equation with step-like initial data”, J. Math. Anal. Appl., 429:1 (2015), 81–104
  37. Yiling Yang, Gaozhan Li, Engui Fan, On the long-time asymptotics of the modified Camassa–Holm equation with step-like initial data
  38. A. Minakov, “Asymptotics of step-like solutions for the Camassa–Holm equation”, J. Differential Equations, 261:11 (2016), 6055–6098
  39. Jian Xu, Engui Fan, Yong Chen, “Long-time asymptotic for the derivative nonlinear Schrödinger equation with step-like initial value”, Math. Phys. Anal. Geom., 16:3 (2013), 253–288
  40. Wei Liu, De-Qin Qiu, Zhi-Wei Wu, Jing-Song He, “Dynamical behavior of solution in integrable nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation”, Commun. Theor. Phys. (Beijing), 65:6 (2016), 671–676
  41. Xi-Hu Wu, Yi-Tian Gao, Xin Yu, Cui-Cui Ding, Lei Hu, Liu-Qing Li, “Binary Darboux transformation, solitons, periodic waves and modulation instability for a nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation”, Wave Motion, 114 (2022), 103036, 16 pp.
  42. Wei-Kang Xie, Fang-Cheng Fan, “Soliton and breather solutions on the nonconstant background of the local and nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equations by Bäcklund transformation”, Z. Angew. Math. Phys., 74:5 (2023), 182, 14 pp.
  43. Minmin Wang, Yong Chen, “General multi-soliton and higher-order soliton solutions for a novel nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation”, Nonlinear Dynam., 111:1 (2023), 655–669
  44. Yu-Feng Wang, Nan Liu, Bo-Ling Guo, “Long-time asymptotic behavior for a fourth-order dispersive nonlinear Schrödinger equation”, J. Math. Anal. Appl., 506:1 (2022), 125560, 23 pp.
  45. Wei-Qi Peng, Yong Chen, “Long-time asymptotics for the integrable nonlocal Lakshmanan–Porsezian–Daniel equation with decaying initial value data”, Appl. Math. Lett., 152 (2024), 109030, 6 pp.
  46. G. Biondini, G. Kovac̆ic̆, “Inverse scattering transform for the focusing nonlinear Schrödinger equation with nonzero boundary conditions”, J. Math. Phys., 55:3 (2014), 031506, 22 pp.
  47. D. E. Pelinovsky, Y. Shimabukuro, “Existence of global solutions to the derivative NLS equation with the inverse scattering transform method”, Int. Math. Res. Not. IMRN, 2018:18 (2018), 5663–5728
  48. Yi Zhao, Engui Fan, “Existence of global solutions to the nonlocal Schrödinger equation on the line”, Stud. Appl. Math., 152:1 (2024), 111–146
  49. R. Beals and R. R. Coifman, “Scattering and inverse scattering for first order systems”, Comm. Pure. Appl. Math., 37:1 (1984), 39–90

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Zhou W., Tian S., Zhang X.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».