形式陈述
保持辛形式的运动,是否一定由一个全局Hamilton函数产生?设 ( M , ω ) 是辛流形 公理库 辛流形 Symplectic manifold 区分辛形式的闭性与非退化,计算球面面积,并用体积积分排除S4上的辛结构。 ,X 为光滑向量场 公理库 向量场与 Lie 括号 Vector field · Lie bracket of vector fields 光滑切向量场及其由导子交换子定义、衡量局部流不对易性的 Lie 括号。 。称 X 为辛向量场,若 L X ω = 0 ;等价地,它的局部流 公理库 向量场的流 Flow of a vector field · Local flow 把光滑向量场积分为满足局部群律的一参数局部微分同胚族。 保持 ω 。
本单元固定Hamilton向量场的符号为
(1) ι X H ω = d H , ( ι X ω ) ( Y ) = ω ( X , Y ) . 非退化性保证每个光滑实函数 H 唯一确定 X H 。反过来,一个向量场称为Hamilton向量场,是指存在全局单值函数 H 满足式(1)。
Cartan公式 L X = d ι X + ι X d 与 d ω = 0 给出
辛 恰 当 (2) X 辛 ⟺ d ( ι X ω ) = 0 , X Hamilton ⟺ ι X ω 恰当 . 这里 d 是外微分 公理库 外微分 Exterior derivative 把 k 形式映为 k+1 形式且满足 d²=0 与分次 Leibniz 规则的算子。 。所以每个Hamilton向量场都辛,但反向有全局上同调障碍。
直觉
辛形式把向量场换成一形式。要保持辛结构,这个一形式只需闭;要来自一个全局函数,它必须是某个函数的微分。
在坐标像为星形球的小片里,Poincaré 引理 公理库 Poincaré 引理 Poincare lemma · Poincaré lemma · 庞加莱引理 星形开域上的正次数闭形式具有可由径向积分构造的原形式。 给闭一形式一个原始函数,所以辛向量场局部总是Hamilton。沿闭路绕一圈后,原始函数可能增加一个非零常数,无法拼成全局单值函数。这种失败不影响向量场和它的流本身良定义。
例子与边界
环面平移保辛,却没有全局Hamilton函数
令 T 2 = R 2 / Z 2 ,形式 d q , d p 从平面下降,取 ω = d q ∧ d p 。向量场 X = ∂ q 的流为
φ t ( [ q , p ] ) = [ q + t , p ] , 显然保持 ω 。另一方面,ι X ω = d p 。沿闭路 γ ( t ) = [ 0 , t ] (0 ≤ t ≤ 1 )有
∫ γ d p = 1. 如果 d p = d H ,这个积分应为 H ( γ ( 1 ) ) − H ( γ ( 0 ) ) = 0 ,矛盾。因此没有全局 H 。
局部写 H = p 没有错,错的是把环面的角坐标 p mod 1 当成全局实值函数。相同记号在 T ∗ S 1 ≅ S 1 × R 上则不同:这里 p ∈ R 是真实的全局纤维坐标,所以 ∂ q = X p 确实Hamilton。
全局函数不保证流全时间存在
在 R 2 上取 H = q 2 p 。由标准辛形式得到
X H = q 2 ∂ q − 2 q p ∂ p . 若 q ( 0 ) = q 0 > 0 ,则 q ( t ) = q 0 / ( 1 − q 0 t ) 在有限时间发散。因此“全局Hamilton函数”与“完备向量场”不是一回事;只有在流实际存在的时间区间上,才谈得上相应的保辛微分同胚。
推论与应用
从收缩公式恢复Hamilton方程
若 ω = ∑ d q i ∧ d p i ,写 X H = ∑ ( a i ∂ q i + b i ∂ p i ) ,则
ι X H ω = ∑ ( a i d p i − b i d q i ) . 与 d H 比较,得到
X H = ∑ i ( ∂ H ∂ p i ∂ q i − ∂ H ∂ q i ∂ p i ) . 这与欧氏Hamilton系统 公理库 Hamilton 系统 Hamiltonian system · Hamilton 系统 由 Hamiltonian 的梯度经标准辛矩阵生成相空间流的常微分方程系统。 的方程一致,但式(1)不依赖一套全局坐标,也没有使用梯度或度量。
保辛性与能量守恒分别怎样证明
对 X 的局部流,有 d d t φ t ∗ ω = φ t ∗ L X ω 。因此式(2)的闭性判据恰好刻画流保持辛形式。Cartan公式可在局部函数和坐标微分上验证,再由外积的导子规则推广到所有形式。
对于Hamilton场,d ( ι X H ω ) = d 2 H = 0 ,故流保辛。同时
X H ( H ) = d H ( X H ) = ω ( X H , X H ) = 0 , 所以 H 沿自身运动守恒。这两个结论来源不同:前者用闭性,后者用交替性。
最后,de Rham上同调类 公理库 de Rham 上同调 de Rham cohomology · 德拉姆上同调 将闭形式模去恰当形式,并用周期积分计算局部原形式无法全局粘合的障碍。 [ ι X ω ] ∈ H dR 1 ( M ) 精确记录辛场是否全局Hamilton。若 H dR 1 ( M ) = 0 ,每个辛场都是Hamilton;在连通 M 上,同一Hamilton场的两个函数仅相差常数。
参考资料