Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике Теорема 1.1 (Теорема Дарбу). У каждой точки на симплектическом многообразии $\left(M^{2 n}, \omega\right)$ существует открытая окрестность с регулярными локальными координатами $p_{1}, \ldots, p_{n}, q_{1}, \ldots, q_{n}$, в которых симплектическая форма $\omega$ принимает канонический вид $\omega=\sum_{i=1}^{n} d p_{i} \wedge d q_{i}$. Замечание. Условие записи формы в каноническом виде $\omega=\sum d p_{i} \wedge d q_{i}$ можно эквивалентным образом переписать на языке скобок Пуассона: Доказательство. Лемма 1.1. Пусть на симплектическом многообразии $M^{2 n}$ в окрестности некоторой точки заданы $n$ независимых попарно коммутирующих функций $p_{1}, \ldots, p_{n}$. Тогда существуют $n$ независимых функций $q_{1}, \ldots, q_{n}$, дополняющих набор $p_{1}, \ldots, p_{n}$ до канонической системы координат, т.е. таких, что $\left\{p_{i}, p_{j}\right\}=0,\left\{p_{i}, q_{j}\right\}=\delta_{i j},\left\{q_{i}, q_{j}\right\}=0$ для всех $1 \leqslant i, j \leqslant n$. то векторные поля $v_{1}, \ldots, v_{n}$ коммутируют. Далее, скобки Пуассона $\left\{x_{i}, x_{j}\right\}$ представляются как некоторые функции $\lambda_{i j}(x, p)$. Докажем, что они не зависят от $x$. В самом деле, так как $\left\{x_{s}, p_{t}\right\}=\delta_{s t}=$ const. Итак, $\left\{x_{i}, x_{j}\right\}=\lambda_{i j}(p)$. Итак, соотношение $\left\{p_{i}, q_{j}\right\}=\delta_{i j}$ выполнено автоматически. Мы воспользовались здесь тем, что Это следует из общего равенства: Таким образом, для выполнения условия $\left\{q_{i}, q_{j}\right\}=0$ необходимо и достаточно, чтобы $\lambda_{i j}-\frac{\partial f_{i}}{\partial p_{j}}+\frac{\partial f_{j}}{\partial p_{i}}=0$. Для того, чтобы такая система уравнений была разрешима относительно неизвестных функций $f_{i}$, необходимо и достаточно, чтобы выполнялись следующие условия совместности этой системы: Это последнее тождество действительно выполнено. В самом деле, поэтому условие совместности эквивалентно тождеству Якоби: Итак, построенные выше функции $q_{i}$ удовлетворяют всем требованиям леммы. Лемма доказана. Возвращаемся к доказательству теоремы Дарбу. В силу леммы 1.1 нам остается показать, что в окрестности любой точки на симплектическом многообразии всегда существуют независимые функции $p_{1}, \ldots, p_{n}$, находящиеся в инволюции. В действительности, справедливо даже более сильное индуктивное утверждение. Лемма 1.2. Если имеется $k$ независимых функий $p_{1}, \ldots, p_{k}$, находящихся в инволюции, где $k<n$, то всегда существует независимая от них функия $p_{k+1}$ такая, что $\left\{p_{k+1}, p_{i}\right\}=0$ при $1 \leqslant i \leqslant k$. Доказательство. Следуя доказательству предыдущей леммы, получаем, что для функций $p_{1}, \ldots, p_{k}$ всегда существует локальная регулярная система координат $x_{1}, \ldots, x_{k}$, $y_{1}, \ldots, y_{2 n-k}$ такая, что $\operatorname{sgrad} p_{i}=\frac{\partial}{\partial x_{i}}, 1 \leqslant i \leqslant k$. Как и выше, отсюда следует, что Так как $k<2 n-k$, то количество функций $y$ больше количества функций $p$, зависящих от $y$. Следовательно, существует новая функция $p_{k+1}(y)$, независимая с функциями $p_{1}(y), \ldots, p_{k}(y)$. Далее имеем: $\left\{p_{k+1}, p_{i}\right\}=-\frac{\partial p_{k+1}}{\partial x_{i}}=0$, т. е. функция $p_{k+1}$ находится в инволюции со всеми $p_{1}, \ldots, p_{k}$. Лемма доказана. Рассмотрим симплектическую форму $\omega$ в некоторой фиксированной точке $P \in M^{2 n}$. Линейной заменой координат мы всегда можем привести в точке $P$ матрицу $\Omega$ формы к каноническому виду Такое приведение возможно, вообще говоря, только в одной точке $P$. Рассмотрим теперь новую форму $\omega_{0}$ с постоянной матрицей $\Omega_{0}$ (в той же окрестности точки $P$ ). Наша цель – найти такой диффеоморфизм окрестности $U(P)$, чтобы он перевел форму $\omega$ в форму $\omega_{0}$. Ясно, что новые координаты, определяемые таким диффеоморфизмом, и будут каноническими координатами Дарбу. При $t=1$ мы получим искомый диффеоморфизм $\varphi_{1}$, переводящий форму $\omega$ в форму $\omega_{0}$. Чтобы найти семейство $\varphi_{t}$, продифференцируем равенство по $t$ и рассмотрим получившееся дифференциальное уравнение где $L_{\xi_{t}}$ – производная Ли вдоль векторного поля $\xi_{t}=\frac{d \varphi_{t}}{d t}$. В силу замкнутости формы $\omega_{t}$ левую часть равенства можно переписать в виде где $\left.\xi_{t}\right\rfloor \omega_{t}$ обозначает результат подстановки поля $\xi_{t}$ в форму $\omega_{t}$, т. е. дифференциальную 1-форму, определяемую тождеством $\left.\xi_{t}\right\rfloor \omega_{t}(v)=\omega_{t}\left(\xi_{t}, v\right)$, где $v-$ произвольный касательный вектор. С другой стороны, $\omega_{0}-\omega$ является замкнутой формой, поэтому локально (в некоторой окрестности точки $P$ ) она точна и может быть представлена в виде $\omega_{0}-\omega=d \alpha$. При этом без ограничения общности можно считать, что 1 -форма $\alpha$ равна нулю в точке $P$. Теперь найдем векторное поле $\xi_{t}$ из соотношения $\left.\xi_{t}\right\rfloor \omega_{t}=\alpha$. В силу невырожденности формы $\omega_{t}$ это всегда можно сделать и притом однозначно. В итоге мы получим семейство гладких векторных полей $\xi_{t}, t \in[0,1]$. При этом $\xi_{t}(P)=0$ для любого $t$. Рассмотрим теперь семейство диффеоморфизмов $\varphi_{t}$, удовлетворяющих дифференциальному уравнению $\xi_{t}=\frac{d \varphi_{t}}{d t}$ с начальным условием $\varphi_{0}=\mathrm{id}$. Тогда по построению $\varphi_{1}^{*} \omega=\omega_{0}$, что и требовалось. Теорема Дарбу доказана.
|
1 |
Оглавление
|