Условия интегрируемости дифференциальных систем - Википедия - Integrability conditions for differential systems

В математика, некоторые системы уравнения в частных производных с точки зрения лежащей в их основе геометрической и алгебраической структуры с пользой сформулированы в терминах системы дифференциальные формы. Идея состоит в том, чтобы воспользоваться способом дифференциальной формы ограничивает к подмногообразие, и тот факт, что это ограничение совместимо с внешняя производная. Это один из возможных подходов к определенным сверхдетерминированные системы, например, включая Слабые пары из интегрируемые системы. А Система Пфаффа определяется 1-формы в одиночку, но теория включает и другие типы примеров дифференциальная система. Чтобы уточнить, система Пфаффа - это набор 1-форм на гладком многообразии (который приравнивается к 0, чтобы найти решения в систему).

Учитывая набор дифференциальных 1-форм ${ displaystyle textstyle alpha _ {i}, i = 1,2, dots, k}$ на ${ displaystyle textstyle n}$-мерное многообразие ${ displaystyle M}$, интегральное многообразие является погруженным (не обязательно вложенным) подмногообразием, касательное пространство которого в каждой точке ${ displaystyle textstyle p in N}$ уничтожается (откатом) каждого ${ displaystyle textstyle alpha _ {я}}$.

А максимальное интегральное многообразие является погруженным (не обязательно вложенным) подмногообразием

${ displaystyle i: N subset M}$

такое, что ядро ​​отображения ограничения на формах

${ displaystyle i ^ {*}: Omega _ {p} ^ {1} (M) rightarrow Omega _ {p} ^ {1} (N)}$

охватывает ${ displaystyle textstyle alpha _ {я}}$ в каждой точке ${ displaystyle p}$ из ${ displaystyle N}$. Если вдобавок ${ displaystyle textstyle alpha _ {я}}$ линейно независимы, то ${ displaystyle N}$ является (${ displaystyle n-k}$) -мерный.

Система Пфаффа называется полностью интегрируемый если ${ displaystyle M}$ признает слоение максимальными интегральными многообразиями. (Обратите внимание, что слоение не обязательно обычный; то есть слои слоения могут не быть вложенными подмногообразиями.)

An условие интегрируемости это условие на ${ displaystyle alpha _ {я}}$ чтобы гарантировать наличие интегральных подмногообразий достаточно большой размерности.

Необходимые и достаточные условия

Необходимые и достаточные условия для полная интегрируемость системы Пфаффа даются Теорема Фробениуса. Одна из версий гласит, что если идеальный ${ displaystyle { mathcal {I}}}$ алгебраически порожденный набором α_я внутри кольца Ω (M) дифференциально замкнуто, другими словами

${ displaystyle d { mathcal {I}} subset { mathcal {I}},}$

то система допускает слоение максимальными интегральными многообразиями. (Обратное очевидно из определений.)

Пример неинтегрируемой системы

Не всякая пфаффова система полностью интегрируема в смысле Фробениуса. Например, рассмотрим следующую однократную форму на р³ − (0,0,0):

${ displaystyle theta = z , dx + x , dy + y , dz.}$

Если dθ находились в идеале, порожденном θ, мы имели бы ввиду асимметрии произведения клина

${ Displaystyle тета клин д тета = 0.}$

Но прямой расчет дает

${ Displaystyle тета клин д тета = (х + у + z) , dx клин dy клин dz}$

что ненулевое кратное стандартной форме объема на р³. Следовательно, нет двумерных листов, и система не является полностью интегрируемой.

С другой стороны, для кривой, определяемой

${ displaystyle x = t, quad y = c, qquad z = e ^ {- t / c}, quad t> 0}$

тогда θ, определенный, как указано выше, равен 0, и, следовательно, кривая легко проверяется как решение (т.е. интегральная кривая ) для указанной системы Пфаффа для любой ненулевой постоянной c.

Примеры приложений

В Риманова геометрия, мы можем рассмотреть задачу нахождения ортогонального рама θ^я, т.е. совокупность 1-форм, составляющих основу котангенсного пространства в каждой точке с ${ Displaystyle langle theta ^ {i}, theta ^ {j} rangle = delta ^ {ij}}$ которые замкнуты (dθ^я = 0, я = 1, 2, ..., п). Посредством Лемма Пуанкаре, θ^я локально будет иметь вид dИкс^я для некоторых функций Икс^я на многообразии, и тем самым обеспечить изометрию открытого подмножества M с открытым подмножеством р^п. Такое многообразие называется локально квартира.

Эта проблема сводится к вопросу о комплект рамы из M. Допустим, у нас был такой закрытый каркас

${ displaystyle Theta = ( theta ^ {1}, dots, theta ^ {n}).}$

Если бы у нас был еще один coframe ${ Displaystyle Phi = ( phi ^ {1}, точки, phi ^ {n})}$, то два кадра будут связаны ортогональным преобразованием

${ Displaystyle Phi = M Theta}$

Если форма соединения 1 ω, то имеем

${ Displaystyle д Фи = омега клин Фи}$

С другой стороны,

${ Displaystyle { begin {выровнен} d Phi & = (dM) клин Theta + M wedge d Theta & = (dM) клин Theta & = (dM) M ^ {- 1} клин Phi. End {выровненный}}}$

Но ${ Displaystyle omega = (дМ) М ^ {- 1}}$ это Форма Маурера – Картана для ортогональная группа. Следовательно, он подчиняется структурному уравнению${ Displaystyle д омега + омега клин омега = 0,}$ и это просто кривизна М: ${ displaystyle Omega = d omega + omega wedge omega = 0.}$После применения теоремы Фробениуса можно сделать вывод, что многообразие M является локально плоским тогда и только тогда, когда его кривизна равна нулю.

Обобщения

Существует множество обобщений условий интегрируемости дифференциальных систем, которые не обязательно порождаются одноформными. Самыми известными из них являются Теорема Картана – Келера, который работает только для настоящий аналитик дифференциальные системы, а Теорема Картана – Кураниши о продолжении. Видеть дальнейшее чтение для подробностей. В Теорема Ньюлендера-Ниренберга дает условия интегрируемости для почти сложной структуры.

дальнейшее чтение

• Брайант, Черн, Гарднер, Гольдшмидт, Гриффитс, Внешние дифференциальные системы, Публикации Института математических наук, Springer-Verlag, ISBN  0-387-97411-3
• Олвер, П., Эквивалентность, инварианты и симметрия, Кембридж, ISBN  0-521-47811-1
• Айви, Т., Ландсберг, Дж. М., Картан для начинающих: дифференциальная геометрия с помощью движущихся рамок и внешних дифференциальных систем, Американское математическое общество, ISBN  0-8218-3375-8
• Дунайский, М., Солитоны, инстантоны и твисторы, Издательство Оксфордского университета, ISBN  978-0-19-857063-9