On the semiclassical limit of the defocusing Davey-Stewartson II equation
Sur la limite semi-classique de l'équation de Davey-Stewartson II défocalisant
Résumé
Inverse scattering is the most powerful tool in theory of integrable systems. Starting in the late sixties resounding great progress was made in (1+1) dimensional problems with many break-through results as on soliton interactions. Naturally the attention in recent years turns towards higher dimensional problems as the Davey-Stewartson equations, an integrable generalisation of the (1+1)-dimensionalcubic nonlinear Schrödinger equation. The defocusing Davey-Stewartson II equation, in its semi-classical limit has been shown in numerical experiments to exhibit behavior that qualitatively resembles that of its one-dimensional reduction, namely the generation of a dispersive shock wave: smooth initial data develop a zone rapid modulated oscillations in the vicinity of shocks of solutions for the corresponding dispersionless equations for the same initial data. The present thesis provides a first step to study this problem analytically using the inverse scattering transform method. Both the direct and inverse scattering transform for DSII can be expressed as D-bar equations. We consider the direct spectral transform for the defocusing Davey-Stewartson II equation for smooth initial data in the semi-classical limit. The direct spectral transform involves a singularly perturbed elliptic Dirac system in two dimensions. We introduce a WKB-type method for this problem and prove that it is well defined for sufficiently large modulus of the spectral parameter k ∈ ℂ by controlling the solution of an associated nonlinear eikonal problem. Further, we give numerical evidence that the method is accurate for such k in the semiclassical limit. Producing this evidence requires both the numerical solution of the singularly perturbed Dirac system and the numerical solution of the eikonal problem. We present a new method for the numerical solution of the eikonal problem valid for sufficiently large |k|. For a particular potential we are able to solve the eikonal problem in a closed form for all k, acalculation that yields some insight into the failure of the WKB method for smaller values of |k|. The numerical calculations of the direct spectral transform indicate how to study the singularly perturbed Dirac system for values of |k| so small that there is no global solution of the eikonal problem. We provide a rigorous semiclassical analysis of the solution for real radial potentials at k=0, which yields an asymptotic formula for the reflection coefficient at k = 0 and suggests an annular structure for the solution that may be exploited when |k| ≠ 0 is small. The numerics also suggest that for some potentials the reflection coefficient converges point-wise as ε ↓ 0 to a limiting function that is supported in the domain of k-values on which the eikonal problem does not have a global solution. We suggest that singularities of the eikonal function play a role similar to that of turning points in the one-dimensional theory.
La méthode de diffusion inverse est la plus efficace dans la théorie des systèmes intégrables. Introduite dans les années soixantes, d'importants résultats ont été obtenus pour les problèmes de dimension 1+1 et notamment sur l'interaction de solitons. Depuis quelques années, l'intérêt est porté sur des problèmes de dimensions supérieures comme les équations de Davey-Sterwartson, une généralisation de l'équation intégrable de Schrödinger cubique non linéaire en dimension 1+1. Des études numériques en limite semi-classique de l'équation de Davey-Stewartson II (DSII) défocalisant, font apparaître des points communs avec le cas réduit unidimensionnel, par exemple sur l'existence d'ondes de choc dispersives : des conditions initiales lisses mènent à une région d'oscillations rapides et modulées dans le voisinage des chocs des solutions des équations non dispersives dotées des mêmes conditions initiales.Cette thèse donne les premières étapes pour l'étude analytique de ce problème basée sur la méthode de la transformée de diffusion inverse. Les deux types de méthodes, directe et inverse, pour l'équation de DSII permettent de réécrire le problème sous la forme des équations D-bar. On considère la transformée spectrale directe pour l'équation DSII avec des conditions initiales lisses en limite semi-classique. La transformée spectrale directe mène à un système de Dirac elliptique singulièrement perturbé en deux dimensions. On introduit une méthode de type BKW pour ce problème et on montre qu'il est bien défini pour des paramètres spectraux k ∈ ℂ dont les modules sont suffisamment grands en controllant la solution d'une équation eikonale non linéaire. Aussi cette méthode donne des résultats numériques précis pour de tels k en limite semi-classique. Ces résultats reposent sur la solution numérique du système de Dirac singulièrement perturbé et la solution numérique du problème eikonal.On résout le problème eikonal de manière explicite pout tout k dans le cas d'un potentiel particulier. Ces calculs donnent une explication sur le fait que l'on ne puisse pas appliquer la méthode BKW pour des valeurs de |k| plus petites. On présente une nouvelle méthode numérique pour calculer la solution du problème eikonal avec des valeurs de |k| suffisamment grandes.Les calculs numériques de la transformée spectrale directe offrent une manière d'analyser le système de Dirac singulièrement perturbé pour des valeurs de |k| si petites qu'il n'y a pas de solution globale au problème eikonal. On donne une analyse semi-classique rigoureuse sur la solution pour des potentiels radiaux en k = 0, ce qui donne une expression asymptotique du coefficient de réflexion pour k = 0 et suggère une structure annulaire pour la solution, ce qui peut être utilisé quand |k| ≠ 0 est petit. L'étude numérique suggère aussi que pour certains potentiels, le coefficient de réflexion converge simplement, quand ε ↓ 0, vers une fonction limite définie pour des valeurs de k pour lesquelles le problème eikonal n'a pas de solution globale. On propose que les singularités de la fonction eikonale jouent un rôle aussi similaire que les points tournants de la théorie unidimensionelle.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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