<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">jamp</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Journal of Applied Mathematics and Physics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2327-4379</issn>
      <issn pub-type="ppub">2327-4352</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/jamp.2026.146107</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">jamp-151937</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Vortical and Self-Similar Flows of 2D Inviscid Rotating Shallow Water System</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Zhou</surname>
            <given-names>Pengfei</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> School of Mathematics and Statistics, Shandong Normal University, Jinan, China </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The author declares no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>11</day>
        <month>06</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>06</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>14</volume>
      <issue>06</issue>
      <fpage>2192</fpage>
      <lpage>2200</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>23</day>
          <month>05</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>15</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>18</day>
          <month>06</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/jamp.2026.146107">https://doi.org/10.4236/jamp.2026.146107</self-uri>
      <abstract>
        <p>Rotating shallow water system is an important fluid model that describes the fluid behavior of large scale geophysical fluid motion under the action of Coriolis force. In this paper, we construct a kind of vortical and self-similar solution for 2D inviscid rotating shallow water system and describe its time periodic and blow up phenomena via providing different parameter values.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Rotating Shallow Water System</kwd>
        <kwd>Self-Similar Flows</kwd>
        <kwd>Time Periodic</kwd>
        <kwd>Blow up</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>The two-dimensional inviscid rotating shallow water system </p>
      <disp-formula id="FD1">
        <label>(1)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mi>u</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>h</mml:mi>
                            <mml:mi>v</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>h</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>can be used to describe the fluid behavior of large scale geophysical fluid motion under the action of Coriolis force [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. In the system (1), <inline-formula><mml:math><mml:mi> h </mml:mi></mml:math></inline-formula> denotes the height of the fluid, <inline-formula><mml:math><mml:mi> u </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> are the velocity in <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> y </mml:mi></mml:math></inline-formula> directions, respectively.</p>
      <p>As a typical representative of quasi-linear hyperbolic system, (1) usually formates singularity in finite time for a large class of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> initial data, see [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] for example. Some studies have shown that rotation has a stabilizing effect on the lifespan of classical solutions. [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] obtained critical threshold for the initial data of a two dimensional pressureless model with rotating force and proved global existence for subcritical initial data. The results in [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>] indicated that when the pressure is present and dominated by rotating force, the lifespan of classical solutions can be extended. Basing on an important feature of rotating shallow water system—the relative vorticity vanishes all the time if it vanishes initially—[<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] provided the global existence and asymptotic behavior of classical solutions for two-dimensional inviscid system with small initial data and zero relative vorticity. When the cylindrical symmetric solution has a form of variable separation, the global existence for the classical solution was considered in [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. We also refer to [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] for the other results on rotating shallow water equations.</p>
      <p>It is interesting to study some special solutions with vorticity. Inspired by the method in [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], we construct a kind of vortical and self-similar flows of two-dimensional rotating shallow water system in this paper. Our main results are:</p>
      <p><bold>Theorem 1.</bold> For the 2D rotating shallow water system (1), there exist a family of vortical flows solution </p>
      <disp-formula id="FD2">
        <label>(2)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>α</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>λ</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>y</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>4</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mi>ξ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>a</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mi>ξ</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:msup>
                              <mml:mi>a</mml:mi>
                              <mml:mn>2</mml:mn>
                            </mml:msup>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>(</mml:mo>
                              <mml:mi>t</mml:mi>
                              <mml:mo>)</mml:mo>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mfrac>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mfrac>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:mfrac>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>.</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Here <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are arbitrary constants, while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies </p>
      <disp-formula id="FD3">
        <label>(3)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>″</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>ξ</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mi>λ</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>for some constants <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the maximal interval of (2) is determined by the parameter values in (3). </p>
      <p><bold>Remark.</bold> It is clear that (2) are vortical because </p>
      <disp-formula id="FD4">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>ξ</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mn>1</mml:mn>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:mn>0.</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Theorem 2.</bold> For the 2D rotating shallow water system (1), we have: </p>
      <p>1) When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the solution (2) exists globally in time. Moreover,</p>
      <p>(i) (2) is time-periodic except for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ;</p>
      <p>(ii) if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , (2) is steady. </p>
      <p>2) When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the solution (2) blows up in finite time, <italic>i.e.</italic> there exists a finite time <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> h </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are all unbounded as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. The Construction of Vortical and Self-Similar Flow</title>
      <p>At the beginning of this section, we propose a function structure which satisfies mass conservation Equation (1)<sub>1</sub>. The proof can be seen in [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
      <p><bold>Lemma 3.</bold> The mass conservation Equation (1)<sub>1</sub> has a classical solution: </p>
      <disp-formula id="FD5">
        <label>(4)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>s</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>G</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mo>′</mml:mo>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>G</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD6">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msqrt>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:msqrt>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><italic>Proof.</italic> The function structure </p>
      <disp-formula id="FD7">
        <label>(5)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>G</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>y</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>G</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>,</mml:mo>
                            <mml:mi>r</mml:mi>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>with arbitrary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> C </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> functions <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , can be substituted into the Equation <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false"> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo stretchy="false"> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to verify the result: </p>
      <disp-formula id="FD8">
        <label>(6)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>G</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>G</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mi>y</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mi>y</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>G</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>G</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                        <mml:mi>r</mml:mi>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>G</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>G</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>y</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>r</mml:mi>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>.</mml:mo>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Then if the self-similar structure is taken for the height function, </p>
      <disp-formula id="FD9">
        <label>(7)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>h</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>r</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>we can see that (6) is zero when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : </p>
      <disp-formula id="FD10">
        <label>(8)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable columnalign="left">
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>h</mml:mi>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>h</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>h</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>h</mml:mi>
                    <mml:mi>F</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>r</mml:mi>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>r</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mtext>
                   
                </mml:mtext>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mi>f</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:msup>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>3</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mn>0.</mml:mn>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The proof is completed. □</p>
      <p>Based on the function structure (4), we have</p>
      <p><italic>Proof.</italic> (Proof of Theorem 1.) Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo> − </mml:mo><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and substitute (4) into <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false"> ( </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo stretchy="false"> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to get </p>
      <disp-formula id="FD11">
        <label>(9)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mi>t</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>″</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>ξ</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msup>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>s</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>x</mml:mi>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If we assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies (3), then the right hand side of (9) turns into <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msup><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Then the momentum is conserved with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> s </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac><mml:mi> s </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Similarly, for the Equation (1)<sub>3</sub>, we have </p>
      <disp-formula id="FD12">
        <label>(10)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mi>t</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>v</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>u</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>h</mml:mi>
              <mml:mi>y</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>λ</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>y</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mn>4</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Besides, when <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the height function is non-negative for any time <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . □</p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Time Periodic and Blow up Phenomena</title>
      <p>In this section, we discuss the time periodic and blow up phenomena in the vortical solution (2). As the foundation, we give the following Lemma. </p>
      <p><bold>Lemma 4.</bold> For the IVP </p>
      <disp-formula id="FD13">
        <label>(11)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mtable columnalign="left">
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>″</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msup>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                        </mml:msup>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>a</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mn>4</mml:mn>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>&gt;</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
                <mml:mtr>
                  <mml:mtd>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>=</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                  </mml:mtd>
                </mml:mtr>
              </mml:mtable>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>1) When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,</p>
      <p>(i) (11) possesses a time-periodic solution, except for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ;</p>
      <p>(ii) if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there exists a constant solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≡ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>2) When <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , there exists a ﬁnite time <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mtext> lim </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><italic>Proof.</italic> The proof is inspried by the Lemma 3 and Lemma 4 in [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
      <p>1. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the classical energy method can be applied to the autonomous ODE (11).</p>
      <p>Define the total energy function: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> k </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 8 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where the kinetic energy is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and the potential energy is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mfrac><mml:mi> k </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo> + </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn> 8 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref> is the graph of potential energy function for a special case <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724745-rId147.jpeg?20260618014126" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 1.</bold>The potential energy function with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>A straight calculation shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Since the potential energy function has only one global minimum at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mtext> lim </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mtext> lim </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mi> o </mml:mi><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> ∞ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the solution of (11) has a closed trajec-tory for any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and we can prove the time for traveling the closed orbit is finite using the method in [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. <xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref> shows the phase plane of (11) with some different <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . </p>
      <fig id="fig2">
        <label>Figure 2</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724745-rId164.jpeg?20260618014126" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 2.</bold> The phase plane for Equation (11) with some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>And the graph of solution function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>. </p>
      <fig id="fig3">
        <label>Figure 3</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724745-rId171.jpeg?20260618014126" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 3.</bold> Time-periodic solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for Equation (11).</p>
      <p>Specially, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 4 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the solution of (11) is steady, as shown in <xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>. </p>
      <fig id="fig4">
        <label>Figure 4</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724745-rId178.jpeg?20260618014126" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 4.</bold>Steady solution <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for Equation (11).</p>
      <p>2. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we calculate the exact solution: </p>
      <disp-formula id="FD14">
        <label>(12)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mi>cos</mml:mi>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mi>sin</mml:mi>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Take <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> arctan </mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> arctan </mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , respectively. Then we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mtext> lim </mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:munder><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>3. For <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we consider the problem in two cases:</p>
      <p>(i) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If the claim is not true, then we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , and </p>
      <disp-formula id="FD15">
        <label>(13)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>″</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>4</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>&lt;</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>which shows that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a decreasing function, and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, the solution is bounded by </p>
      <disp-formula id="FD16">
        <label>(14)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>a</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mi>s</mml:mi>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>s</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>It means that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . A contradiction is met.</p>
      <p><xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref> shows the phase plane of (11) with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and different <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as example of this case. </p>
      <fig id="fig5">
        <label>Figure 5</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724745-rId229.jpeg?20260618014126" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 5.</bold> The phase plane for Equation (11) with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>(ii) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . If there exists a finite time <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the proof is the same as the situation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with the group property of autonomous systems. Therefore, we only need to prove the existence of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> T </mml:mi><mml:mtext> * </mml:mtext></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>If we assume <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for any <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , integraling the equation in (11) to obtain: </p>
      <disp-formula id="FD17">
        <label>(15)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:msubsup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>a</mml:mi>
                            <mml:mn>3</mml:mn>
                          </mml:msup>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mfrac>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:mfrac>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>(</mml:mo>
                            <mml:mi>t</mml:mi>
                            <mml:mo>)</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mrow>
                        <mml:mn>4</mml:mn>
                      </mml:mfrac>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>.</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since the function </p>
      <disp-formula id="FD18">
        <label>(16)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>H</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mn>3</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>4</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>have a negative global maximum <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 12 </mml:mn><mml:mi> k </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we get </p>
      <disp-formula id="FD19">
        <label>(17)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≤</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>M</mml:mi>
            <mml:mi>t</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>,</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>which means there exists a ﬁnite time <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> after a suﬃcient large time. A contradiction is met.</p>
      <p><xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref> shows the phase plane of (11) with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and different <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> as example of this case.</p>
      <fig id="fig6">
        <label>Figure 6</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724745-rId270.jpeg?20260618014126" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 6.</bold>The phase plane for Equation (11) with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and some <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>After obtaining the Lemma 4, we can prove Theorem 2.</p>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Conclusions and Discussion</title>
      <p>In this paper, we have constructed a family of explicit vortical and self-similar solutions (2) for the two-dimensional inviscid rotating shallow water system (1). These solutions capture the coupled effects of rotation, nonlinear advection, and height variation, and they are characterized by three parameters: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> λ </mml:mi><mml:mo> ≤ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> governing the self-similar scaling obeys a second-order autonomous ODE (3), whose behavior is fully classified by the sign of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> ξ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> λ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Several directions merit further investigation. Firstly, the stability of these vortical solutions under perturbations—both within the rotating shallow water system and in more realistic models. Secondly, the present solutions reflect the physical phenomenon at the same latitude on the planet; it would be interesting to extend the results containing Coriolis parameter <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> , which is normalized to unity in this paper. Finally, the construction relies on a specific separable form (4); one may ask whether more general vortical solutions exist, for instance with non-radial dependence or with a different form of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> r </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>In summary, the vortical and self-similar solutions presented here provide an explicit example where rotation both regularizes and destabilizes the flow depending on parameter regimes, enriching the theoretical concepts of shallow water dynamics with rotation.</p>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Gill, A.E. (1982) Atmosphere-Ocean Dynamics: Mathematics in Science and Engineering. Academic Press.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Gill, A.E.</string-name>
            </person-group>
            <year>1982</year>
            <article-title>Atmosphere-Ocean Dynamics: Mathematics in Science and Engineering</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Majda, A. (2003) Introduction to PDEs and Waves for the Atmosphere and Ocean. American Mathematical Society. https://doi.org/10.1090/cln/009 <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/cln/009</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1090/cln/009">https://doi.org/10.1090/cln/009</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Majda, A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>Introduction to PDEs and Waves for the Atmosphere and Ocean</article-title>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1090/cln/009</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Pedlosky, J. (1992) Geophysical Fluid Dynamics. Springer.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Pedlosky, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1992</year>
            <article-title>Geophysical Fluid Dynamics</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Huang, Y. and Xie, C. (2023) Formation of Singularity for the Classical Solutions of the Rotating Shallow Water System. <italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Differential</italic><italic>Equations</italic>, 348, 45-65. https://doi.org/10.1016/j.jde.2022.11.048 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jde.2022.11.048</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jde.2022.11.048">https://doi.org/10.1016/j.jde.2022.11.048</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Huang, Y.</string-name>
              <string-name>Xie, C.</string-name>
            </person-group>
            <year>2023</year>
            <article-title>Formation of Singularity for the Classical Solutions of the Rotating Shallow Water System</article-title>
            <source>Journal of Differential Equations</source>
            <volume>348</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jde.2022.11.048</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Liu, H. and Tadmor, E. (2004) Rotation Prevents Finite-Time Breakdown. <italic>Physica</italic><italic>D</italic>: <italic>Nonlinear</italic><italic>Phenomena</italic>, 188, 262-276. https://doi.org/10.1016/j.physd.2003.07.006 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physd.2003.07.006</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.physd.2003.07.006">https://doi.org/10.1016/j.physd.2003.07.006</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Liu, H.</string-name>
              <string-name>Tadmor, E.</string-name>
            </person-group>
            <year>2004</year>
            <article-title>Rotation Prevents Finite-Time Breakdown</article-title>
            <source>Physica D: Nonlinear Phenomena</source>
            <volume>188</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physd.2003.07.006</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Cheng, B. and Tadmor, E. (2008) Long-time Existence of Smooth Solutions for the Rapidly Rotating Shallow-Water and Euler Equations. <italic>SIAM</italic><italic>Journal</italic><italic>on</italic><italic>Mathematical</italic><italic>Analysis</italic>, 39, 1668-1685. https://doi.org/10.1137/070693643 <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/070693643</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1137/070693643">https://doi.org/10.1137/070693643</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Cheng, B.</string-name>
              <string-name>Tadmor, E.</string-name>
            </person-group>
            <year>2008</year>
            <article-title>Long-time Existence of Smooth Solutions for the Rapidly Rotating Shallow-Water and Euler Equations</article-title>
            <source>SIAM Journal on Mathematical Analysis</source>
            <volume>39</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/070693643</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Cheng, B. and Xie, C. (2011) On the Classical Solutions of Two Dimensional Inviscid Rotating Shallow Water System. <italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Differential</italic><italic>Equations</italic>, 250, 690-709. https://doi.org/10.1016/j.jde.2010.09.017 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jde.2010.09.017</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jde.2010.09.017">https://doi.org/10.1016/j.jde.2010.09.017</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Cheng, B.</string-name>
              <string-name>Xie, C.</string-name>
            </person-group>
            <year>2011</year>
            <article-title>On the Classical Solutions of Two Dimensional Inviscid Rotating Shallow Water System</article-title>
            <source>Journal of Differential Equations</source>
            <volume>250</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jde.2010.09.017</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Babin, A., Mahalov, A. and Nicolaenko, B. (1997) Global Splitting and Regularity of Rotating Shallow-Water Equations. <italic>European Journal of Mechanics B</italic>- <italic>Fluids</italic>, 16, 725-754.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Babin, A.</string-name>
              <string-name>Mahalov, A.</string-name>
              <string-name>Nicolaenko, B.</string-name>
            </person-group>
            <year>1997</year>
            <article-title>Global Splitting and Regularity of Rotating Shallow-Water Equations</article-title>
            <source>European Journal of Mechanics B-Fluids</source>
            <volume>16</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Chesnokov, A.A. (2009) Symmetries and Exact Solutions of the Rotating Shallow-Water Equations. <italic>European</italic><italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Applied</italic><italic>Mathematics</italic>, 20, 461-477. https://doi.org/10.1017/s0956792509990064 <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0956792509990064</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1017/s0956792509990064">https://doi.org/10.1017/s0956792509990064</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Chesnokov, A.A.</string-name>
            </person-group>
            <year>2009</year>
            <article-title>Symmetries and Exact Solutions of the Rotating Shallow-Water Equations</article-title>
            <source>European Journal of Applied Mathematics</source>
            <volume>20</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0956792509990064</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Yuen, M. (2014) Vortical and Self-Similar Flows of 2D Compressible Euler Equations. <italic>Communications</italic><italic>in</italic><italic>Nonlinear</italic><italic>Science</italic><italic>and</italic><italic>Numerical</italic><italic>Simulation</italic>, 19, 2172-2180. https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2013.11.008 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cnsns.2013.11.008</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2013.11.008">https://doi.org/10.1016/j.cnsns.2013.11.008</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Yuen, M.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>Vortical and Self-Similar Flows of 2D Compressible Euler Equations</article-title>
            <source>Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation</source>
            <volume>19</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cnsns.2013.11.008</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Kwong, M.K. and Yuen, M. (2014) Periodic Solutions of 2D Isothermal Euler-Poisson Equations with Possible Applications to Spiral and Disk-Like Galaxies. <italic>Journal</italic><italic>of</italic><italic>Mathematical</italic><italic>Analysis</italic><italic>and</italic><italic>Applications</italic>, 420, 1854-1863. https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2014.06.033 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmaa.2014.06.033</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2014.06.033">https://doi.org/10.1016/j.jmaa.2014.06.033</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Kwong, M.K.</string-name>
              <string-name>Yuen, M.</string-name>
            </person-group>
            <year>2014</year>
            <article-title>Periodic Solutions of 2D Isothermal Euler-Poisson Equations with Possible Applications to Spiral and Disk-Like Galaxies</article-title>
            <source>Journal of Mathematical Analysis and Applications</source>
            <volume>420</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmaa.2014.06.033</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>