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哈密頓向量場

鎖定
在數學與物理中,哈密頓向量場是辛流形上一個向量場,定義在任何能量函數哈密頓函數上。以物理學家和數學家威廉·盧雲·哈密頓命名。哈密頓向量場是經典力學中的哈密頓方程的幾何表現形式,哈密頓向量場的積分曲線表示哈密頓形式的運動方程的解。由哈密頓向量場生成的流是辛流形的微分同胚,在物理中稱為典範變換,在數學中稱為(哈密頓)辛同胚。
哈密頓向量場可以更一般地定義在任何泊松流形上。對應於流形上的函數 fg 的兩個哈密頓向量場的李括號也是一個哈密頓向量場,其哈密頓函數由 gf 的泊松括號給出。
中文名
哈密頓向量場
外文名
Hamiltonian vector field
學    科
物理

目錄

哈密頓向量場定義

假設 (M,ω) 是一個辛流形。因為辛形式ω 非退化,誘導了切叢與餘切叢
的一個線性同構
以及逆
從而,流形M上的1-形式可以與向量場等價起來,故任何可微函數
確定了惟一的向量場XH= Ω(dH),稱為哈密頓函數H哈密頓向量場 [1]  即對M上任何向量場Y,等式
一定成立。
:一些作者定義哈密頓向量場為相反的符號;需注意物理與數學著作的不同習慣。

哈密頓向量場例子

假設M是一個 2n維辛流形。則由達布定理,我們在局部總可以取M的一個典範座標
在這個座標系下辛形式表示為
則關於哈密頓函數H的哈密頓向量場具有形式
這裏 Ω 是一個 2n× 2n矩陣

哈密頓向量場性質

映射
線性的,所以兩個哈密頓函數之和變為相應的哈密頓向量場之和 [2] 
假設
M上的典範座標。則曲線
是哈密頓向量場XH的積分曲線當且僅當它是哈密頓方程的一個解:
哈密頓函數H在積分曲線上是常數,這就是
與時間t無關。這個性質對應於哈密頓力學中的能量守恆。
更一般地,如果兩個函數FH泊松括號為零(見下),則F沿着H的積分曲線為常數;類似地H沿着F的積分曲線是常數。這個事實是諾特定理背後的數學原理。
辛形式
在哈密頓流下不變;或等價地,李導數
這裏
是內乘,用到了李導數的嘉當公式。

哈密頓向量場泊松括號

哈密頓向量場的概念導致了辛流形M上的可微函數的一個斜對稱雙線性算子,這就是泊松括號,由如下公式定義
這裏
表示沿着向量場X的李導數。此外,我們可以驗證有恆等式:
這裏右邊表示哈密頓函數gg對應的哈密頓向量場的李括號。作為一個推論,泊松括號滿足雅可比恆等式
這意味着M上可微函數組成的向量空間,賦予泊松括號,是R上的一個李代數,且映射
是一個李代數反同態,其核由局部常值函數組成(如果M連通則為常數)。
參考資料
  • 1.    Abraham, Ralph; Marsden, Jerrold E. Foundations of Mechanics. London: Benjamin-Cummings. 1978. ISBN 978-0-821-84438-0.
  • 2.    Arnol'd, V.I. Mathematical Methods of Classical Mechanics. Berlin etc: Springer. 1997. ISBN 0-387-96890-3.