Integrability, rational solitons and symmetries for nonlinear systems in Biology and Materials Physics

Abstract

Los sistemas no lineales constituyen un tema de investigación de creciente interés en las últimas décadas dada su versatilidad en la descripción de fenómenos físicos en diversos campos de estudio. Generalmente, dichos fenómenos vienen modelizados por ecuaciones diferenciales no lineales, cuya estructura matemática ha demostrado ser sumamente rica, aunque de gran complejidad respecto a su análisis. Dentro del conjunto de los sistemas no lineales, cabe destacar un reducido grupo, pero a la vez selecto, que se distingue por las propiedades extraordinarias que presenta: los denominados sistemas integrables. La presente tesis doctoral se centra en el estudio de algunas de las propiedades más relevantes observadas para los sistemas integrables. En esta tesis se pretende proporcionar un marco teórico unificado que permita abordar ecuaciones diferenciales no lineales que potencialmente puedan ser consideradas como integrables. En particular, el análisis de integralidad de dichas ecuaciones se realiza a través de técnicas basadas en la Propiedad de Painlevé, en combinación con la subsiguiente búsqueda de los problemas espectrales asociados y la identificación de soluciones analíticas de naturaleza solitónica. El método de la variedad singular junto con las transformaciones de auto-Bäcklund y de Darboux jugarán un papel fundamental en este estudio. Además, también se lleva a cabo un análisis complementario basado en las simetrías de Lie y reducciones de similaridad, que nos permitirán estudiar desde esta nueva perspectiva los problemas espectrales asociados. Partiendo de la archiconocida ecuación de Schrödinger no lineal, se han investigado diferentes generalizaciones integrables con numerosas aplicaciones en diversos campos científicos, como la Física Matemática, Física de Materiales o Biología.