ÿþI n : Z . O z i e w i c z e t a l ( e d s . ) , S p i n o r s , T w i s t o r s , C l i f f o r d A l g e b r a s
a n d Q u a n t u m D e f o r m a t i o n s , K l u w e r : D o r d e r c h t / B o s t o n ( 1 9 9 3 ) , 2 0 3 2 1 4 .
H a m i l t o n i a n M e c h a n i c s w i t h G e o m e t r i c C a l c u l u s
D a v i d H e s t e n e s .
A b s t r a c t H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s i s g i v e n a n i n v a r i a n t f o r m u l a t i o n i n
t e r m s o f G e o m e t r i c C a l c u l u s , a g e n e r a l d i f f e r e n t i a l a n d i n t e g r a l c a l c u l u s
w i t h t h e s t r u c t u r e o f C l i f f o r d a l g e b r a . A d v a n t a g e s o v e r f o r m u l a t i o n s i n
t e r m s o f d i f f e r e n t i a l f o r m s a r e e x p l a i n e d .
1 . I N T R O D U C T I O N .
I n t h e r e c e n t r e n a i s s a n c e o f A n a l y t i c M e c h a n i c s , t h e c a l c u l u s o f d i f f e r e n t i a l f o r m s h a s b e -
c o m e t h e d o m i n a n t m a t h e m a t i c a l l a n g u a g e o f p r a c t i t i o n e r s . H o w e v e r , t h e p h y s i c s c o m m u -
n i t y a t l a r g e h a s b e e n s l o w t o a d o p t t h e l a n g u a g e . T h i s r e l u c t a n c e s h o u l d n o t b e a t t r i b u t e d
s o l e l y t o t h e u s u a l r e s i s t a n c e o f c o m m u n i t i e s t o i n n o v a t i o n , f o r t h e c a l c u l u s o f f o r m s h a s
s o m e s e r i o u s d e f i c i e n c i e s . F o r o n e t h i n g , i t d o e s n o t a r t i c u l a t e s m o o t h l y w i t h v e c t o r c a l -
c u l u s , a n d i t i s i n f e r i o r t o v e c t o r c a l c u l u s f o r m a n y a p p l i c a t i o n s t o N e w t o n i a n m e c h a n i c s .
A n o t h e r d r a w b a c k i s t h a t t h e c a l c u l u s o f f o r m s h a s a c c r e t e d a v e r i t a b l e o r g y o f d e f i n i t i o n s
a n d n o t a t i o n s w h i c h m a k e t h e p r e p a r a t i o n r e q u i r e d t o a d d r e s s e v e n t h e s i m p l e s t p r o b l e m s i n
m e c h a n i c s i n o r d i n a t e l y e x c e s s i v e . T h i s i s e v i d e n t , f o r e x a m p l e , i n t h e p i o n e e r i n g t e x t b o o k
o f A b r a h a m a n d M a r s d e n ( 1 9 6 7 ) , w h i c h p r o v i d e s n e a r l y 2 0 0 p a g e s o f p r e p a r a t i o n b e f o r e
a t t a c k i n g a n y s i g n i f i c a n t p r o b l e m i n m e c h a n i c s . T h e s a m e h i g h r a t i o o f f o r m a l i s m t o r e s u l t s
i s c h a r a c t e r i s t i c o f m o r e r e c e n t b o o k s i n t h e f i e l d , s u c h a s L i b e r m a n n a n d M a r l e ( 1 9 8 7 ) .
A l l t h i s g o e s t o s h o w t h a t t h e c a l c u l u s o f f o r m s i s n o t q u i t e t h e r i g h t t o o l f o r m e c h a n i c s .
W i t h o u t d e n y i n g t h a t v a l u a b l e i n s i g h t s h a v e b e e n g a i n e d w i t h d i f f e r e n t i a l f o r m s , t h e
c o n t e n t i o n o f t h i s p a p e r i s t h a t a b e t t e r m a t h e m a t i c a l s y s t e m i s a v a i l a b l e f o r a p p l i c a -
t i o n t o a n a l y t i c a l m e c h a n i c s ; n a m e l y , t h e G e o m e t r i c C a l c u l u s e x p o u n d e d b y H e s t e n e s a n d
S o b c z y k ( 1 9 8 4 , h e n c e f o r t h r e f e r r e d t o a s [ G C ] ) . I n c o n t r a s t t o d i f f e r e n t i a l f o r m s , t h i s c a l -
c u l u s i n c l u d e s a n d g e n e r a l i z e s s t a n d a r d v e c t o r c a l c u l u s w i t h n o n e e d t o c h a n g e s t a n d a r d
n o t a t i o n , a n d i t h a s p r o v e n a d v a n t a g e s i n a p p l i c a t i o n s t h r o u g h o u t N e w t o n i a n m e c h a n i c s ,
m o s t n o t a b l y i n r i g i d - b o d y m e c h a n i c s ( H e s t e n e s , 1 9 8 5 ) . G e o m e t r i c C a l c u l u s a l s o i n c l u d e s
a n d g e n e r a l i z e s t h e c a l c u l u s o f d i f f e r e n t i a l f o r m s , a s e x p l a i n e d i n [ G C ] . I n p a r t i c u l a r , i t
e m b r a c e s t h e q u a t e r n i o n t h e o r y o f r o t a t i o n s a n d t h e e n t i r e t h e o r y o f s p i n o r s , w h i c h a r e
c o m p l e t e l y o u t s i d e t h e p u r v i e w o f d i f f e r e n t i a l f o r m s . T h i s a p p a r a t u s i s c r u c i a l t o t h e e f f i -
c i e n t d e v e l o p m e n t o f r i g i d - b o d y d y n a m i c s ( H e s t e n e s , 1 9 8 5 ) .
T h i s p a p e r s h o w s h o w t o e m p l o y G e o m e t r i c C a l c u l u s i n t h e f o r m u l a t i o n o f H a m i l t o n i a n
m e c h a n i c s , t h o u g h s p a c e l i m i t a t i o n s p r e c l u d e t h e d i s c u s s i o n o f a p p l i c a t i o n s o r a d v a n c e d
t h e o r y . H o w e v e r , t h e f u n d a m e n t a l s a r e d i s c u s s e d i n s u f f i c i e n t d e t a i l w i t h s u p p l e m e n t a r y
r e f e r e n c e s t o m a k e t r a n s l a t i o n o f s t a n d a r d r e s u l t s i n s y m p l e c t i c g e o m e t r y a n d H a m i l t o n i a n
m e c h a n i c s i n t o t h e l a n g u a g e o f G e o m e t r i c C a l c u l u s f a i r l y s t r a i g h t f o r w a r d .
2 . V E C T O R S P A C E V E R S I O N .
T h e r e a d e r i s p r e s u m e d t o b e f a m i l i a r w i t h C l i f f o r d a l g e b r a a n d H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s ,
b u t f a m i l i a r i t y w i t h [ G C ] w i l l b e n e e d e d f o r f u l l c o m p r e h e n s i o n o f t h e i d e a s , a s w e l l a s f o r
1
t h e i r a p p l i c a t i o n s . D e f i n i t i o n s , n o t a t i o n s , a n d r e s u l t s f r o m [ G C ] w i l l b e e m p l o y e d w i t h o u t
e x p l a n a t i o n . T h o u g h G e o m e t r i c C a l c u l u s m a k e s a c o m p l e t e l y c o o r d i n a t e - f r e e a p p r o a c h
p o s s i b l e , i t a l s o f a c i l i t a t e s c o m p u t a t i o n s w i t h c o o r d i n a t e s . C o o r d i n a t e s a r e e m p l o y e d h e r e
p r i m a r i l y t o e s t a b l i s h a r e l a t i o n t o c o n v e n t i o n a l f o r m u l a t i o n s .
F o r a m e c h a n i c a l s y s t e m d e s c r i b e d b y c o o r d i n a t e s { q 1 , . . . , q n } a n d c o r r e s p o n d i n g m o -
m e n t a { p 1 , . . . , p n } , w e f i r s t d e f i n e c o n f i g u r a t i o n s p a c e a s a n n - d i m e n s i o n a l r e a l v e c t o r s p a c e
R n s p a n n e d b y a n o r t h o n o r m a l b a s i s { e k } w i t h
1
e j · e k = ( e j e k + e k e j ) = ´j k ( 1 . 1 )
2
f o r j , k = 1 , 2 , . . . , n . T h e s t a t e o f t h e s y s t e m c a n t h e n b e r e p r e s e n t e d b y t h e p a i r o f v e c t o r s
q = q k e k , p = p k e k . ( 1 . 2 )
k k
T h e v e c t o r s i n c o n f i g u r a t i o n s p a c e g e n e r a t e a r e a l G e o m e t r i c A l g e b r a , R n = G ( R n ) , w i t h
g e o m e t r i c p r o d u c t
q p = q · p + q '" p . ( 1 . 3 )
D i f f e r e n t i a t i o n w i t h r e s p e c t t o v e c t o r s i s d e f i n e d i n [ G C , C h a p . 2 ] a l o n g w i t h t h e n e c e s s a r y
a p p a r a t u s t o p e r f o r m c o m p u t a t i o n s w i t h o u t r e s o r t i n g t o c o o r d i n a t e s . H o w e v e r , i t w i l l
s u f f i c e h e r e t o i n t r o d u c e t h e v e c t o r d e r i v a t i v e "q b y s p e c i f y i n g i t s r e l a t i o n t o t h e c o o r d i n a t e s :
"
"q = e k . ( 1 . 4 )
"q k
k
E q u a t i o n ( 1 . 2 ) c a n b e s o l v e d t o e x p r e s s t h e c o o r d i n a t e s a s f u n c t i o n s o f t h e v e c t o r q i n s t e a d
o f a s i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s ; t h u s
q k = q k ( q ) = q · e k . ( 1 . 5 )
T h e n t h e b a s i s v e c t o r s e k a r e g i v e n a s g r a d i e n t s
e k = "q q k . ( 1 . 6 )
T h e s i m p l e l i n e a r f o r m ( 1 . 5 ) f o r t h e c o o r d i n a t e f u n c t i o n s o b t a i n s o n l y f o r o r t h o g o n a l c o o r -
d i n a t e s , b u t t h e g e n e r a l c a s e i s t r e a t e d i n [ G C ] . I t s h o u l d b e n o t e d , a l s o , t h a t t h e i n n e r
p r o d u c t i n ( 1 . 1 ) a n d ( 1 . 5 ) h a s n o p h y s i c a l s i g n i f i c a n c e a s a m e t r i c t e n s o r . I t i s m e r e l y a n
a l g e b r a i c m e c h a n i s m f o r e x p r e s s i n g f u n c t i o n a l r e l a t i o n s . A m o n g o t h e r t h i n g s , i t p e r f o r m s
t h e r o l e o f c o n t r a c t i o n i n t h e c a l c u l u s o f d i f f e r e n t i a l f o r m s .
F o r a H a m i l t o n i a n , H = H ( q , p ) , H a m i l t o n s e q u a t i o n s o f m o t i o n c a n b e e x p r e s s e d i n
c o n f i g u r a t i o n s p a c e a s t h e p a i r o f e q u a t i o n s
q Ù = "p H , ( 1 . 7 )
W = - "q H . ( 1 . 8 )
S i n c e p a n d q a r e i n d e p e n d e n t v a r i a b l e s , w e c a n r e d u c e t h i s p a i r o f c o u p l e d e q u a t i o n s t o
a s i n g l e e q u a t i o n i n a s p a c e o f h i g h e r d i m e n s i o n . H o w e v e r , t o b e u s e f u l , t h e e x t e n s i o n t o
h i g h e r d i m e n s i o n m u s t p r e s e r v e t h e e s s e n t i a l s t r u c t u r e o f H a m i l t o n s e q u a t i o n s i n a w a y
2
w h i c h f a c i l i t a t e s c o m p u t a t i o n . W e n o w s h o w h o w s u c h a c o m p u t a t i o n a l l y e f f i c i e n t e x t e n s i o n
c a n b e a c h i e v e d w i t h G e o m e t r i c C a l c u l u s .
n
T o t h a t e n d , w e d e f i n e m o m e n t u m s p a c e a s a n n - d i m e n s i o n a l r e a l v e c t o r s p a c e R
s p a n n e d b y a n o r t h o n o r m a l b a s i s { e k } w i t h
1
e j · e k = ( e j e k + e k e j ) = ´j k , ( 1 . 9 )
2
s o t h e m o m e n t u m o f o u r m e c h a n i c a l s y s t e m c a n b e e x p r e s s e d a s a v e c t o r
p = p k e k . ( 1 . 1 0 )
k
N o w w e d e f i n e p h a s e s p a c e R 2 n a s t h e d i r e c t s u m
n
R 2 n = R n •" R . ( 1 . 1 1 )
T h i s g e n e r a t e s t h e p h a s e s p a c e ( g e o m e t r i c ) a l g e b r a R 2 n = G ( R 2 n ) , w h i c h i s c o m p l e t e l y
d e f i n e d b y s u p p l e m e n t i n g ( 1 . 1 ) a n d ( 1 . 9 ) w i t h t h e o r t h o g o n a l i t y r e l a t i o n s
1
e j · e k = ( e j e k + e k e j ) = 0 . ( 1 . 1 2 )
2
T h e s y m p l e c t i c s t r u c t u r e o f p h a s e s p a c e i s b e s t d e s c r i b e d b y i n t r o d u c i n g a s y m p l e c t i c
b i v e c t o r
J = J k ( 1 . 1 3 )
k
w i t h c o m p o n e n t 2 - b l a d e s
J k = e k e k = e k '" e k . ( 1 . 1 4 )
T h e b i v e c t o r J d e t e r m i n e s a u n i q u e p a i r i n g o f d i r e c t i o n s i n c o n f i g u r a t i o n s p a c e w i t h d i r e c -
t i o n s i n m o m e n t u m s p a c e , a s e x p r e s s e d b y
e k = e k · J = e k · J k = e k J k = - J k e k , ( 1 . 1 5 )
e k = J · e k = J k · e k = J k e k = - e k J k . ( 1 . 1 6 )
E a c h b l a d e J k p a i r s a c o o r d i n a t e q k w i t h i t s c o r r e s p o n d i n g m o m e n t u m p k . M o r e o v e r , s i n c e
e a c h J k s a t i s f i e s
2
J k = - 1 , ( 1 . 1 7 )
i t f u n c t i o n s a s a u n i t i m a g i n a r y r e l a t i n g q k t o p k . T h u s , t h e b i v e c t o r J d e t e r m i n e s a
u n i q u e c o m p l e x s t r u c t u r e f o r p h a s e s p a c e . T h e s y m p l e c t i c s t r u c t u r e o n p h a s e s p a c e c a n b e
d e s c r i b e d w i t h o u t t h e r e f e r e n c e ( 1 . 1 4 ) t o b a s i s v e c t o r s b y d e f i n i n g t h e s y m p l e c t i c b i v e c t o r
J t h r o u g h a s p e c i f i c a t i o n o f i t s g e n e r a l p r o p e r t i e s . T h e s y m p l e c t i c b i v e c t o r d e t e r m i n e s a
s k e w - s y m m e t r i c l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n J w h i c h m a p s e a c h p h a s e s p a c e v e c t o r x i n t o a v e c t o r
x = J x = x · J . ( 1 . 1 8 )
T h i s , i n t u r n , d e f i n e s a s k e w - s y m m e t r i c b i l i n e a r f o r m
x · y = y · ( J x ) = x · J · y = J · ( y '"x ) = - y · x . ( 1 . 1 9 )
3
T h i s b i l i n e a r f o r m i s n o n d e g e n e r a t e i f a n d o n l y i f x i s n o n z e r o w h e n e v e r x i s n o n z e r o , o r ,
e q u i v a l e n t l y , i f a n d o n l y i f J n i s a n o n v a n i s h i n g p s e u d o s c a l a r . W i t h r e s p e c t t o t h e
2 n
b a s i s s p e c i f i e d b y ( 1 . 1 4 ) ,
J n = J '" . . . '"J = n ! ( - 1 ) [ n / 2 ] E n E n , ( 1 . 2 0 )
2 n
n t i m e s
w h e r e E n = e 1 e 2 . . . e n = e 1 '"e 2 '". . . e n , E n = e 1 e 2 . . . e n , a n d [ n / 2 ] i s t h e g r e a t e s t i n t e g e r
i n n / 2 . T h e c o m p l e x s t r u c t u r e e x p r e s s e d b y ( 1 . 1 7 ) c a n b e c h a r a c t e r i z e d m o r e g e n e r a l l y
b y
( x ) = J 2 x = - x . ( 1 . 2 1 )
I t f o l l o w s t h a t
( x ) 2 = x 2 , ( 1 . 2 2 )
w h i c h c a n b e r e g a r d e d a s a h e r m i t i a n f o r m a s s o c i a t e d w i t h t h e c o m p l e x s t r u c t u r e .
T h e g r o u p o f l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n s o n p h a s e s p a c e w h i c h p r e s e r v e s s y m p l e c t i c s t r u c t u r e
i s c a l l e d t h e s y m p l e c t i c g r o u p . I t h a s r e c e n t l y b e e n s h o w n t h a t t h e s y m p l e c t i c g r o u p h a s
a n a t u r a l r e p r e s e n t a t i o n a s a s p i n g r o u p ( D o r a n e t . a l . , 1 9 9 2 ) . T h i s p r o m i s e s t o b e t h e
i d e a l v e h i c l e f o r c h a r a c t e r i z i n g s y m p l e c t i c t r a n s f o r m a t i o n s .
N o w , t o d e f i n e H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s o n p h a s e s p a c e , f r o m t h e p o s i t i o n a n d m o m e n t u m
v e c t o r s ( 1 . 2 ) w e c a n d e s c r i b e t h e s t a t e o f o u r p h y s i c a l s y s t e m b y a s i n g l e p o i n t x i n p h a s e
s p a c e d e f i n e d b y
x = q + p = p + q · J . ( 1 . 2 3 )
T h e d e r i v a t i v e w i t h r e s p e c t t o a p h a s e s p a c e p o i n t i s t h e n g i v e n b y
" a" "x = "q + "p = "p , ( 1 . 2 4 )
Ü
a n d w e h a v e
" = "x = - J · "x = - "q + "p . ( 1 . 2 5 )
T h e H a m i l t o n i a n o f t h e s y s t e m i s a s c a l a r - v a l u e d f u n c t i o n o n p h a s e s p a c e
H = H ( x ) = H ( q , p ) . ( 1 . 2 6 )
A c c o r d i n g l y , H a m i l t o n s e q u a t i o n f o r a p h a s e s p a c e t r a j e c t o r y , x = x ( t ) , o f t h e s y s t e m
a s s u m e s t h e s i m p l e f o r m
‹ = "H . ( 1 . 2 7 )
T h e t r a n s c r i p t i o n o f t h e e n t i r e t h e o r y o f H a m i l t o n i a n s y s t e m s i n t o t h i s i n v a r i a n t f o r m u -
l a t i o n i s n o w s t r a i g h t f o r w a r d . F o r e x a m p l e , f o r a n y s c a l a r - v a l u e d p h a s e s p a c e f u n c t i o n ,
G = G ( x ) , t h e P o i s s o n b r a c k e t c a n b e d e f i n e d b y
{ H , G } = ( "H ) · "G = - { G , H } . ( 1 . 2 8 )
I t s e q u i v a l e n c e t o t h e c o n v e n t i o n a l d e f i n i t i o n i n t e r m s o f c o o r d i n a t e s i s p r o v i d e d b y
{ H , G } = ( "p H - "q H ) · ( "p + "q ) G
= ( "p H ) · "q G - ( "q H ) · ( "p G )
"H "G "H "G
= - . ( 1 . 2 9 )
"p k "q k "q k "p k
k
4
T h e d e f i n i t i o n ( 1 . 2 8 ) d o e s n o t a c t u a l l y r e q u i r e t h a t G b e s c a l a r - v a l u e d , s o i t c a n b e a p p l i e d
t o a n y m u l t i v e c t o r - v a l u e d f u n c t i o n , M = M ( x ) , d e s c r i b i n g s o m e o b s e r v a b l e p r o p e r t y o f
t h e s y s t e m . I t f o l l o w s t h a t t h e e q u a t i o n o f m o t i o n f o r t h e o b s e r v a b l e i s g i v e n b y
@ = ‹· "M = ( "H ) · "M = { H , M } . ( 1 . 3 0 )
F o r M = x w e h a v e
{ H , x } = ( "H ) · "x = "H , ( 1 . 3 1 )
s o H a m i l t o n s e q u a t i o n ( 1 . 2 7 ) c a n b e e x p r e s s e d i n t h e f o r m
‹ = { H , x } . ( 1 . 3 2 )
A c c o r d i n g t o ( 1 . 3 0 ) , M i s a c o n s t a n t o f t h e m o t i o n i f { H , M } = 0 . I t f o l l o w s t h a t H i s
a c o n s t a n t o f t h e m o t i o n , s i n c e
{ H , H } = ( "H ) · ( "H ) = J · ( "H '" "H ) = 0 . ( 1 . 3 3 )
O u r n e x t t a s k i s t o g e n e r a l i z e t h i s a p p r o a c h t o H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s o n m a n i f o l d s .
3 . V E C T O R M A N I F O L D V E R S I O N .
T h e i n i t i a l c h a r a c t e r i z a t i o n o f c o n f i g u r a t i o n s p a c e i n t h e p r e c e d i n g s e c t i o n d e p e n d s o n t h e
c h o i c e o f c o o r d i n a t e s . T h e r e i s a c a n o n i c a l c h o i c e , t h o u g h . F o r a s y s t e m o f N p a r t i c l e s
a c o n f i g u r a t i o n s p a c e o f d i m e n s i o n n = 3 N i s n a t u r a l l y d e f i n e d b y
R 3 N = R 3 •"· · · •"R 3 , ( 2 . 1 )
N t i m e s
w h e r e a s e p a r a t e c o p y o f t h e 3 - d i m e n s i o n a l p h y s i c a l s p a c e i s a l l o t t e d t o e a c h p a r t i c l e .
W h a t e v e r t h e c h o i c e o f g e n e r a l i z e d c o o r d i n a t e s , i t s r e l a t i o n t o p h y s i c a l s p a c e m u s t b e
m a i n t a i n e d , s o a m a p p i n g t o t h e c h o i c e ( 2 . 1 ) m u s t b e s p e c i f i e d . F o r m a n y p u r p o s e s , h o w -
e v e r , t h i s m a p p i n g i s n o t o f i n t e r e s t , s o w e d e s i r e a f o r m u l a t i o n o f m e c h a n i c s w h e r e i t c a n
b e s u p p r e s s e d o r r e s u r r e c t e d a s n e e d e d .
F o r a s y s t e m o f p a r t i c l e s o r r i g i d b o d i e s w i t h c o n s t r a i n t s , t h e s p a c e o f a l l o w a b l e s t a t e s i s a
m a n i f o l d o f d i m e n s i o n 2 n e q u a l t o t h e n u m b e r o f i n d e p e n d e n t d e g r e e s o f f r e e d o m . A l t h o u g h
t h i s m a n i f o l d c a n b e m a p p e d l o c a l l y i n t o t h e v e c t o r s p a c e r e p r e s e n t a t i o n o f p h a s e s p a c e i n
t h e p r e c e d i n g s e c t i o n , t h i s i s a w k w a r d i f t h e s y s t e m h a s c y c l i c c o o r d i n a t e s . A l t e r n a t i v e l y ,
w e c a n d e s c r i b e h e r e t h e r e p r e s e n t a t i o n o f p h a s e s p a c e a s a 2 n - d i m e n s i o n a l v e c t o r m a n i f o l d
M 2 n . T h e m a t h e m a t i c a l a p p a r a t u s n e e d e d f o r d i f f e r e n t i a l a n d i n t e g r a l c a l c u l u s o n v e c t o r
m a n i f o l d s h a s a l r e a d y b e e n d e v e l o p e d i n [ G C ] . T h e p h a s e s p a c e m a n i f o l d M 2 n c a n b e
r e g a r d e d a s e m b e d d e d i n a v e c t o r s p a c e o f h i g h e r d i m e n s i o n ( e . g . , o f d i m e n s i o n 6 N f o r a n
N p a r t i c l e s y s t e m ) , b u t t h i s i s n o t r e q u i r e d e x c e p t , p e r h a p s , t o d e s c r i b e t h e r e l a t i o n t o
p h y s i c a l s p a c e e x p r e s s e d b y ( 2 . 1 ) .
T h e m a t h e m a t i c a l a p p a r a t u s i n [ G C ] e n a b l e s u s t o a d a p t o u r v e c t o r s p a c e v e r s i o n o f
H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s t o a v e c t o r m a n i f o l d v e r s i o n w i t h c o m p a r a t i v e l y m i n o r a l t e r a t i o n s .
5
T h e m a i n d i f f e r e n c e i s t h a t t h e a l g e b r a i c r e l a t i o n s o f i n t e r e s t w i l l b e d e f i n e d o n t h e t a n g e n t
s p a c e s o f t h e m a n i f o l d i n s t e a d o f o n t h e m a n i f o l d i t s e l f .
E a c h p o i n t x o n t h e p h a s e s p a c e m a n i f o l d M 2 m r e p r e s e n t s a n a l l o w a b l e s t a t e o f t h e
s y s t e m . T h e s y m p l e c t i c b i v e c t o r J o f t h e p r e c e d i n g s e c t i o n b e c o m e s a n o n d e g e n e r a t e
b i v e c t o r f i e l d J = J ( x ) o n M 2 n w i t h v a l u e s i n t h e t a n g e n t a l g e b r a [ G C , C h a p . 4 ] . F o r
v e c t o r f i e l d s v = v ( x ) a n d u = u ( x ) , i n t h e t a n g e n t s p a c e a t e a c h p o i n t x , J ( x ) d e t e r m i n e s
a l i n e a r t r a n s f o r m a t i o n
v = J v = v · J ( 2 . 2 )
a n d a c o r r e s p o n d i n g n o n d e g e n e r a t e b i l i n e a r f o r m
u · v = - v · i, ( 2 . 3 )
j u s t a s i n ( 1 . 1 8 ) a n d ( 1 . 1 9 ) . H o w e v e r , a d i r e c t a n a l o g u e o f ( 1 . 2 1 ) i s n o t f e a s i b l e , b e c a u s e i t
m a y c o n f l i c t w i t h r e q u i r e m e n t s o n t h e d e r i v a t i v e s o f J . I n s t e a d , h o w e v e r , w e c a n i n t r o d u c e
a n o t h e r b i v e c t o r f i e l d K = K ( x ) w i t h t h e p r o p e r t y
K v = v · K = v . ( 2 . 4 )
T h u s , K = J - 1 i s t h e i n v e r s e o f J . N o w t h e J a c o b i i d e n t i t y [ G C , p . 1 4 ] i m p l i e s t h a t
K J v = K · ( v · J ) = ( K · v ) · J + v · ( K × J ) ,
1
w h e r e K × J = ( K J - J K ) i s t h e c o m m u t a t o r p r o d u c t . S o i f J i s t o b e t h e i n v e r s e o f K ,
2
w e m u s t h a v e
K × J = 0 , ( 2 . 5 )
o r t h e e q u i v a l e n t o p e r a t o r e q u a t i o n
K J = J K = 1 . ( 2 . 6 )
T o s p e c i f y t h e r e l a t i o n o f K t o J m o r e p r e c i s e l y , w e n o t e t h a t , a s i n ( 1 . 1 3 ) , t h e y c a n e a c h
b e e x p r e s s e d a s a s u m o f n c o m m u t i n g b l a d e s .
J = J k , K = K k . ( 2 . 7 )
k k
M o r e o v e r , w e c a n s e l e c t e a c h K k t o b e p r o p o r t i o n a l t o J k . T h e n t h e c o n d i t i o n K = J - 1
c a n b e e x p r e s s e d b y t h e m o r e s p e c i f i c c o n d i t i o n
- 1
K k = J k ( 2 . 8 )
- 1
f o r e a c h k . T h i s g e n e r a l i z e s t h e c o n d i t i o n J k = - J k i n ( 2 . 8 ) . I n c i d e n t a l l y , w e n o t e t h a t
J · K = K k · J k = n . ( 2 . 9 )
k
M o d e r n a p p r o a c h e s t o H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s ( A b r a h a m a n d M a r s d e n , 1 9 6 7 ; L i b e r m a n n
a n d M a r l e , 1 9 8 7 ) b e g i n w i t h s y m p l e c t i c m a n i f o l d s . A m a n i f o l d M 2 n i s s a i d t o b e s y m p l e c t i c
i f i t a d m i t s a c l o s e d , n o n d e g e n e r a t e 2 - f o r m É. A s s h o w n i n [ G C ] , t h i s i s e q u i v a l e n t t o
6
a d m i t t i n g a c l o s e d , n o n d e g e n e r a t e b i v e c t o r f i e l d K o n t h e v e c t o r m a n i f o l d . I n d e e d , t h e
2 - f o r m c a n b e d e f i n e d b y
É = K · ( d x '" d y ) , ( 2 . 1 0 )
w h e r e d x a n d d y a r e t a n g e n t v e c t o r s . T h e 2 - f o r m i s s a i d t o b e c l o s e d i f i t s e x t e r i o r
d i f f e r e n t i a l v a n i s h e s , t h a t i s , i f
d É = ( d x '" d y '" d z ) · ( " '" K ) = 0 . ( 2 . 1 1 )
T h i s c o n d i t i o n i s o b v i o u s l y s a t i s f i e d i f K h a s v a n i s h i n g c u r l :
" '" K = 0 . ( 2 . 1 2 )
A c t u a l l y , t h o u g h , ( 2 . 1 1 ) i m p l i e s o n l y t h e w e a k e r c o n d i t i o n o f v a n i s h i n g c o c u r l :
'" K = P ( " '" K ) = 0 , ( 2 . 1 3 )
w h e r e P i s t h e p r o j e c t i o n i n t o t h e t a n g e n t a l g e b r a o f M 2 n ( s e e [ G C , p . 1 4 0 ] ) . T h e t a n g e n t
a l g e b r a i s e s s e n t i a l l y t h e s a m e t h i n g a s t h e C l i f f o r d b u n d l e w h i c h p a s t e s C l i f f o r d a l -
g e b r a s o n m a n i f o l d s , i n s t e a d o f g e n e r a t i n g t h e m f r o m a v e c t o r m a n i f o l d a s i n [ G C ] . T h e
c o d e r i v a t i v e a s w e l l a s t h e d e r i v a t i v e " i s a n e s s e n t i a l c o n c e p t f o r c a l c u l u s o n v e c t o r
m a n i f o l d s , a n d i t s p r o p e r t i e s a r e t h o r o u g h l y d i s c u s s e d i n [ G C , C h a p t . 4 ] , s o w e c a n e x p l o i t
s o m e o f i t s p r o p e r t i e s w i t h o u t e s t a b l i s h i n g t h e m h e r e .
I n s t e a d o f t r a n s l a t i n g t h e d i f f e r e n t i a l f o r m s a p p r o a c h i n t o g e o m e t r i c a l g e b r a , i t i s m o r e
e n l i g h t n e n i n g t o a s c e r t a i n d i r e c t l y w h a t c o n d i t i o n o n t h e b i v e c t o r f i e l d J = J ( x ) a r e r e -
q u i r e d t o e n s u r e t h e e s s e n t i a l f e a t u r e s o f H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s o n M 2 n . H a m i l t o n s
e q u a t i o n ( 1 . 2 7 ) c a n b e a d o p t e d w i t h o u t c h a n g e . T h e H a m i l t o n i a n H ( x ) d e t e r m i n e s a v e c -
t o r f i e l d h = h ( x ) o n M 2 n g i v e n b y
h = "H = ( "H ) · J . ( 2 . 1 4 )
H a m i l t o n s e q u a t i o n
‹( t ) = h x ( t ) ( 2 . 1 5 )
d e t e r m i n e s i n t e g r a l c u r v e s o f t h i s v e c t o r f i e l d . T h i s c o n d i t i o n t h a t t h e s e c u r v e s d e s c r i b e a n
i n c o m p r e s s i b l e f l o w i s g i v e n b y L i o u v i l l e s T h e o r e m
· h = " · h = 0 . ( 2 . 1 7 )
S i n c e
" · h = " · ( - J · h ) = - ( " · J ) · h + J · ( " '"h ) .
a n d " '" h = " '" "H = 0 , t h e c o n d i t i o n
· J = P ( " · J ) = 0 ( 2 . 1 8 )
s u f f i c e s t o i m p l y L i o u v i l l e s T h e o r e m . W e a d o p t ( 2 . 1 8 ) i n s t e a d o f t h e w e a k e r c o n d i t i o n
h · ( " · J ) = ( h '" ") · J = 0 , b e c a u s e i t a p p e a r s t o b e e s s e n t i a l f o r t h e t h e o r y o f c a n o n i c a l
t r a n s f o r m a t i o n s o u t l i n e d b e l o w .
7
T h e d e f i n i t i o n ( 1 . 2 8 ) f o r t h e P o i s s o n b r a c k e t c a n b e t a k e n o v e r t o M 2 n w i t h o u t c h a n g e .
H o w e v e r , t h e r o l e o f J i n d e t e r m i n i n g i t s p r o p e r t i e s m u s t b e e x a m i n e d . S c a l a r - v a l u e d
f u n c t i o n s F = F ( x ) , G = G ( x ) , H = H ( x ) d e t e r m i n e v e c t o r f i e l d s
f = "F , g = "G , h = "H . ( 2 . 1 9 )
L e t u s r e f e r t o s u c h f i e l d s a s s y m p l e c t i c v e c t o r f i e l d s . I t f o l l o w s f r o m ( 2 . 1 9 ) t h a t
" · f = - J · ( " '" f ) = 0 , ( 2 . 2 0 )
b u t ( 2 . 1 8 ) i m p l i e s t h e s t r o n g e r c o n d i t i o n
" · f = - " · f = 0 . ( 2 . 2 1 )
T h e r e f o r e , a l l n o n v a n i s h i n g s y m p l e c t i c v e c t o r f i e l d s g e n e r a t e i n c o m p r e s s i b l e f l o w s o n ( o r
a u t o m o r p h i s m s o f ) M 2 n .
T h e P o i s s o n b r a c k e t c a n b e w r i t t e n i n a v a r i e t y o f f o r m s , i n c l u d i n g
{ F , G } = - J · ( f '" g ) = f · g = - g · f
= " · ( F g ) = - " · ( G f ) . ( 2 . 2 2 )
A l t e r n a t i v e l y , u s i n g ( 2 . 4 ) , o n e c a n w r i t e
{ F , G } = K · ( f '" g ) , ( 2 . 2 3 )
w h i c h , a c c o r d i n g t o ( 2 . 1 0 ) , e x p r e s s e s t h e b r a c k e t a s a 2 - f o r m e v a l u a t e d o n s y m p l e c t i c v e c t o r
f i e l d s . T h i s i s c l o s e r t o c o n v e n t i o n a l f o r m u l a t i o n s i n t e r m s o f d i f f e r e n t i a l f o r m s . H o w e v e r ,
( 2 . 2 2 ) i s s i m p l e r b e c a u s e K i s n o t i n v o l v e d .
A n e s s e n t i a l p r o p e r t y o f t h e P o i s s o n b r a c k e t i s t h e J a c o b i i d e n t i t y
{ F , { G , H } } + { G , { H , F } } + { H , { F , G } } = 0 . ( 2 . 2 4 )
U s i n g ( 2 . 2 2 ) t o e x p r e s s t h e l e f t s i d e o f ( 2 . 2 4 ) i n t e r m s o f v e c t o r f i e l d s , w e o b t a i n
- " · [ ( g · h ) f + ( h · f ) g + ( f · g ) h ]
= "· [ J · ( f '"g '"h ) ]
= ( f '"g '"h ) · ( " '"J ) + ( J '" ") · ( f '"g '"h )
1
= ( f '"g '"h ) · ( " '"J ) - ( J '"J ) · [ " '"( f '"g '"h ) ] . ( 2 . 2 5 )
2
T h i s c o m p u t a t i o n e m p l o y e d t h e a l g e b r a i c i d e n t i t i e s
J · ( f '" g '" h ) = J · ( f '"g ) h - J · ( f '"h ) g + J · ( g '"h ) f
= ( g · f ) h + ( f · h ) g + ( h · g ) f ( 2 . 2 6 )
[ G C , e q n . ( 1 - 1 . 4 0 ) ] , a n d
( J '" J ) · " = 2 J '"( J · ") = - 2 J '" ", ( 2 . 2 7 )
8
( J '" J ) · [ " '" ( f '" g '" h ) ] = [ ( J '"J ) · "] · ( f '"g '"h ) ( 2 . 2 8 )
[ G C , e q n . ( 1 - 1 . 2 5 b ) o r ( 1 - 4 . 6 ) ] .
T h e l a s t t e r m i n ( 2 . 2 5 ) v a n i s h e s i d e n t i c a l l y w h e n f , g a n d h a r e g r a d i e n t s . T h e r e f o r e ,
f r o m ( 2 . 2 5 ) i t f o l l o w s t h a t t h e J a c o b i i d e n t i t y ( 2 . 2 4 ) o b t a i n s i f a n d o n l y i f
'" J = P ( " '" J ) = 0 . ( 2 . 2 9 )
T h i s c o n d i t i o n i s n o t i n d e p e n d e n t o f t h e i n c o m p r e s s i b i l i t y c o n d i t i o n ( 2 . 1 8 ) , f o r f r o m
( 2 . 2 7 ) w e o b t a i n t h e r e l a t i o n
1
· ( J '" J ) = ( · J ) '"J - ( J · ) '"J
2
= J '"( · J ) + '"J . ( 2 . 3 0 )
T h u s , ( 2 . 2 4 ) a n d ( 2 . 2 9 ) t o g e t h e r i m p l y
· ( J '" J ) = 0 . ( 2 . 3 1 )
I n a n a l o g y w i t h ( 1 . 3 0 ) , a m u l t i v e c t o r f i e l d M = M ( x ) w h i c h i s i n v a r i a n t u n d e r t h e f l o w
g e n e r a t e d b y a s y m p l e c t i c v e c t o r f i e l d f = "F s a t i s f i e s
{ F , M } = f · M = 0 . ( 2 . 3 2 )
N o t e t h e u s e o f f · i n s t e a d o f f · " w h e n M i s n o t s c a l a r - v a l u e d . A f l o w i s s a i d t o b e a
c a n o n i c a l t r a n s f o r m a t i o n w h e n i t l e a v e s t h e s y m p l e c t i c b i v e c t o r J i n v a r i a n t , t h a t i s , w h e n
{ F , J } = f · J = 0 . ( 2 . 3 3 )
T h e d i f f e r e n t i a b l e v e c t o r f i e l d s o n a m a n i f o l d c o m p o s e a L i e a l g e b r a u n d e r t h e L i e b r a c k e t
d e f i n e d f o r v e c t o r f i e l d s u = u ( x ) a n d v = v ( x ) b y
[ u , v ] = u · "v - v · "u = · ( u '"v ) + u · v - v · u . ( 2 . 3 4 )
T h e p r o p e r t i e s o f t h e L i e b r a c k e t a r e s t u d i e d a t l e n g t h i n [ G C ] . F o r s y m p l e c t i c f i e l d s w e
d e r i v e t h e i d e n t i t y
[ f , g ] = f · " g - · " f = { F , "G } - { G , "F }
g
= "{ F , G } + f · ( g · "J ) - g · ( f · "J ) . ( 2 . 3 5 )
A c c o r d i n g t o ( 2 . 3 3 ) , t h e l a s t t w o t e r m s i n ( 2 . 3 5 ) v a n i s h f o r c a n o n i c a l t r a n s f o r m a t i o n s .
T h e r e f o r e , t h e c a n o n i c a l t r a n s f o r m a t i o n s c o m p o s e a c l o s e d L i e a l g e b r a o n M 2 n , a n d t h e
P o i s s o n b r a c k e t o f c a n o n i c a l g e n e r a t o r s F a n d G i s a l s o a c a n o n i c a l g e n e r a t o r . T h i s s h o u l d
s u f f i c e t o s h o w h o w t h e g e n e r a l t h e o r y o f c a n o n i c a l t r a n s f o r m a t i o n s c a n b e d e v e l o p e d o n
v e c t o r m a n i f o l d s .
A s a f i n a l p o i n t , t h e c r u c i a l r o l e o f t h e s y m p l e c t i c b i v e c t o r J i n c a n o n i c a l t r a n s f o r m a t i o n s
s u g g e s t s t h a t i t s h o u l d b e m o r e i n t i m a t e l y l i n k e d w i t h t h e H a m i l t o n i a n H i n t h e t h e o r y .
O n e a t t r a c t i v e p o s s i b i l i t y f o r l i n k i n g t h e m i s t o i n t r o d u c e a b i v e c t o r f i e l d &! g i v e n b y
&!= H J . ( 2 . 3 6 )
9
T h e n ( 2 . 1 8 ) i m p l i e s
h = ( "H ) · J = · ( H J ) = · &! , ( 2 . 3 7 )
a n d H a m i l t o n s e q u a t i o n ( 2 . 1 5 ) t a k e s t h e f o r m
‹ = · &! . ( 2 . 3 8 )
T h u s , &! i s a b i v e c t o r p o t e n t i a l f o r H a m i l t o n i a n f l o w , a n d H p l a y s t h e r o l e o f a n i n t e g r a t i n g
f a c t o r f o r t h i s b i v e c t o r f i e l d . T h i s i s v e r y s u g g e s t i v e !
4 . C O N C L U S I O N S .
E x p e r t s w i l l h a v e n o t e d t h a t p h a s e s p a c e i s i d e n t i f i e d w i t h i t s o w n d u a l s p a c e i n t h e p r e c e d -
i n g f o r m u l a t i o n o f H a m i l t o n i a n m e c h a n i c s . S o m e m a y c l a i m t h a t t h e c o n v e n t i o n a l f o r m u l a -
t i o n i n t e r m s o f d i f f e r e n t i a l f o r m s i s p r e f e r a b l e b e c a u s e i t d o e s n o t m a k e t h a t i d e n t i f i c a t i o n .
O n t h e c o n t r a r y , i t c a n b e a r g u e d t h a t s u c h g e n e r a l i t y i s e x c e s s i v e , c o n t r i b u t i n g l i t t l e i f
a n y t h i n g t o d e e p e n i n g a n a l y t i c a l m e c h a n i c s , w h i l e i n t r o d u c i n g u n n e c e s s a r y c o m p l i c a t i o n s .
B e t h a t a s i t m a y , i t s h o u l d b e r e c o g n i z e d t h a t t h e i d e n t i f i c a t i o n o f p h a s e s p a c e w i t h i t s
d u a l i s a d e l i b e r a t e c h o i c e a n d n o t a n i n t r i n s i c l i m i t a t i o n o f g e o m e t r i c a l g e b r a . I n d e e d ,
t h e g e o m e t r i c a l g e b r a a p p a r a t u s n e e d e d t o s e p a r a t e p h a s e s p a c e f r o m i t s d u a l i s a v a i l a b l e
i n D o r a n e t . a l . ( 1 9 9 2 ) a n d r e a d y t o b e a p p l i e d t o m e c h a n i c s . I r o n i c a l l y , t h a t a p p a r a t u s
a u t o m a t i c a l l y p r o d u c e s a k i n d o f q u a n t i z a t i o n , s o m e t h i n g w h i c h c a n o n l y b e i m p o s e d a r t i f i -
c i a l l y i n c o n v e n t i o n a l a p p r o a c h e s . I t r e m a i n s t o b e s e e n i f t h a t f a c t h a s s i g n i f i c a n t p h y s i c a l
i m p o r t .
T h e p u r p o s e o f t h i s s h o r t p a p e r h a s b e e n t o l a y t h e f o u n d a t i o n f o r a r e f o r m u l a t i o n o f
a n a l y t i c a l m e c h a n i c s i n t h e l a n g u a g e o f g e o m e t r i c c a l c u l u s . T r a n s l a t i o n o f s t a n d a r d r e s u l t s
i n t o t h i s l a n g u a g e i s n o t d i f f i c u l t , b u t i t w i l l n o t b e w i t h o u t s u r p r i s e s a n d n e w i n s i g h t s a s
t h e t r e a t m e n t a b o v e a l r e a d y s u f f i c e s t o s h o w . T h o u g h t h e e m p h a s i s h e r e h a s b e e n o n a n
i n v a r i a n t m e t h o d o l o g y , a p o w e r f u l a p p a r a t u s f o r d e a l i n g w i t h c o o r d i n a t e s i s a v a i l a b l e i n
[ G C ] . O n e e s p e c i a l l y p r o m i s i n g p o s s i b i l i t y i s a n e x t e n t i o n o f t h e i n v a r i a n t f o r m u l a t i o n f o r
r i g i d - b o d y m e c h a n i c s i n H e s t e n e s ( 1 9 8 5 ) t o a p h a s e s p a c e f o r m u l a t i o n f o r s y s t e m s o f l i n k e d
r i g i d b o d i e s . T h a t i s l i k e l y t o h a v e i m p o r t a n t a p p l i c a t i o n s t o r o b o t i c s .
1 0
R E F E R E N C E S
R . A b r a h a m a n d J . M a r s d e n ( 1 9 6 7 ) , F o u n d a t i o n s o f M e c h a n i c s , W . A . B e n j a m i n , N e w Y o r k .
C . D o r a n , D . H e s t e n e s , F . S o m m e n , a n d N . V a n A c k e r ( 1 9 9 2 ) , L i e G r o u p s a s S p i n G r o u p s ,
J . M a t h . P h y s . ( s u b m i t t e d ) .
D . H e s t e n e s ( 1 9 8 5 ) , N e w F o u n d a t i o n s f o r C l a s s i c a l M e c h a n i c s , K l u w e r , D o r d r e c h t / B o s t o n ;
p a p e r b a c k e d . ( 1 9 8 7 ) ; f o u r t h p r i n t i n g w i t h c o r r e c t i o n s ( 1 9 9 2 ) .
D . H e s t e n e s a n d G . S o b c z y k ( 1 9 8 4 ) , C l i f f o r d A l g e b r a t o G e o m e t r i c C a l c u l u s , K l u w e r , D o r -
d r e c h t / B o s t o n ; p a p e r b a c k e d . ( 1 9 8 7 ) ; t h i r d p r i n t i n g w i t h c o r r e c t i o n s ( 1 9 9 2 ) .
P . L i b e r m a n n a n d C - M M a r l e ( 1 9 8 7 ) , S y m p l e c t i c G e o m e t r y a n d A n a l y t i c a l M e c h a n i c s , R e i d e l ,
D o r d r e c h t / B o s t o n .
1 1
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
Doran Grassmann Mechanics Multivector?rivatives & GA (1992) [sharethefiles com]Doran & Lasenby PHYSICAL APPLICATIONS OF geometrical algebra [sharethefiles com]Brzezinski Quantum Clifford Algebras (1993) [sharethefiles com]Doran Beyond Euclidean Geometry (2001) [sharethefiles com]Hestenes Homogeneous Framework 4 Comp Geometry & Mechanics [sharethefiles com]Hestenes New Algebraic Framework 4 Comp Geometry [sharethefiles com]Doran Geometric Algebra & Computer Vision [sharethefiles com]Doran New Advances in Geometric Algebra (2001) [sharethefiles com]Hestenes Grassmann s Vision (1996) [sharethefiles com]Lasenby Conformal Geometry & the Universe [sharethefiles com]Hestenes Multivector Calculus (1968) [sharethefiles com]Weiss Lie Groups & Quantum Mechanics [sharethefiles com]Dorst GA the Framework 4 Geom Computing (2002) [sharethefiles com]Michor Basic Differential Forms for Actions of Lie Groups (1994) [sharethefiles com]Mechanika ogólna Geometria Mas momenty bezwładności mgr PerekSoroka Linear Odd Poisson Bracket on Grassmann Algebra (2000) [sharethefiles com]Cuartero et al Linearly Compact Algebraic Lie Algebras (1997) [sharethefiles com]więcej podobnych podstron