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几何力学
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'''几何力学'''将特定的几何方法应用于许多[[力学]]领域,从质点力学和[[刚体力学]]到[[流体力学]]和[[控制论]]。 几何力学主要适用于[[构型空间]]为[[李群]]或[[微分同胚]]群的系统,更一般地说,适用于构型空间的某些方面具有此种群结构的系统。例如卫星之类刚体的构型空间是欧氏运动群(空间中的平移与旋转),而液晶的构型空间则是与内部状态(规范对称性或有序参数)耦合的微分同胚群。 == 动量映射与还原 == 几何力学的主要思想之一是还原,可追溯到雅可比在三体问题中对节点的消除;现代形式由K. Meyer (1973)与J.E. Marsden、A. Weinstein (1974)分别独立诠释,都受到Smale (1970)的启发。根据[[诺特定理]],哈密顿或拉格朗日系统的对称性会表现为守恒量,就是[[动量映射]]'''J'''的分量。若''P''是相空间,''G''是对称群,则动量映射为<math>\mathbf{J}:P\to\mathfrak{g}^*</math>,还原空间是'''J'''的水平集对保相关水平集的''G''子群的商:对<math>\mu\in\mathfrak{g}^*</math>,定义<math>P_\mu=\mathbf{J}^{-1}(\mu)/G_\mu</math>,若<math>\mu</math>是''J''的正则值,则此还原空间是辛流形。 == 几何积分器 == 力学的重要几何方法是将几何融入数值方法,尤其是辛与变分积分器,特别适于哈密顿和拉格朗日系统的长期积分。 == 历史 == “几何力学”偶尔指17世纪的力学。<ref>Sébastien Maronne, Marco Panza. [https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00415933/document "Euler, Reader of Newton: Mechanics and Algebraic Analysis".] {{Wayback|url=https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00415933/document |date=20180725122258 }} In: Raffaelle Pisano. ''Newton, History and Historical Epistemology of Science'', 2014, pp. 12–21.</ref> 作为现代学科,其源于1960年代的四部著作:Vladimir Arnold (1966)、Stephen Smale (1970)、Jean-Marie Souriau(1970)、Abraham & Marsden《力学基础》第一版(1967)。Arnold的基础研究表明,自由刚体的欧拉方程是旋转群SO(3)上的测地流方程,并将这一几何见解应用于理想流体动力学中。当中,旋转群内被保体积微分同胚群取代。Smale关于拓扑学与力学的论文研究了对称性的李群作用于动力系统时,诺特定理产生的守恒量,并定义了现在所谓动量映射(Smale称之为角动量),还提出了能量-动量水平面的拓扑及其对动力的影响。Souriau在书中也考虑了由对称群作用产生的守恒量,但他更关心涉及的几何结构(如该动量在一大类对称中的等差性质),而较少涉及动力学问题。 这些观点,尤其Smale的观点是《力学基础》第二版(Abraham & Marsden, 1978)的核心内容。 == 应用 == * 计算机图形学 * 控制论 — 见Bloch (2003) * 液晶 — 见[https://link.springer.com/article/10.1007/s00205-013-0673-1 Gay-Balmaz, Ratiu, Tronci (2013)] {{Wayback|url=https://link.springer.com/article/10.1007/s00205-013-0673-1 |date=20231012195728 }} * 磁流体动力学 * 分子振荡 * 非完整约束 — 见Bloch (2003) * 非线性稳定 * 等离子体 — 见Holm, Marsden, Weinstein (1985) * 量子力学 * 量子化学 — 见[https://link.springer.com/article/10.1007/s10440-019-00257-1 Foskett, Holm, Tronci (2019)] {{Wayback|url=https://link.springer.com/article/10.1007/s10440-019-00257-1 |date=20231012195722 }} * 超流体 * 热力学 — 见[https://www.mdpi.com/1099-4300/21/1/8 Gay-Balmaz, Yoshimra (2018)] {{Wayback|url=https://www.mdpi.com/1099-4300/21/1/8 |date=20231117074047 }} * 空间探索的轨迹规划 * 水下航行器 * 变分积分器;见[https://doi.org/10.1017/S096249290100006X Marsden and West (2001)] == 参考文献 == {{Reflist}} *{{Citation | last1=Abraham | first1=Ralph| author1-link=Ralph Abraham (mathematician) | last2=Marsden | first2=Jerrold E.| author2-link=Jerrold E. Marsden | title=Foundations of Mechanics| year=1978 | edition=2nd| publisher=Addison-Wesley}} *{{Citation | last=Arnold | first=Vladimir | author-link=Vladimir Arnold | title=Sur la géométrie différentielle des groupes de Lie de dimension infine et ses applications a l'hydrodynamique des fluides parfaits | journal=Annales de l'Institut Fourier | volume=16 | pages=319–361 | year=1966 | doi=10.5802/aif.233 | url=http://www.numdam.org/article/AIF_1966__16_1_319_0.pdf | doi-access=free | accessdate=2023-12-01 | archive-date=2023-10-12 | archive-url=https://web.archive.org/web/20231012195721/http://www.numdam.org/article/AIF_1966__16_1_319_0.pdf | dead-url=no }} *{{Citation | last=Arnold | first=Vladimir | author-link=Vladimir Arnold | title=Mathematical Methods for Classical Mechanics | publisher=Springer-Verlag | year=1978}} *{{cite book | last=Bloch | first=Anthony | title=Nonholonomic Mechanics and Control | publisher=Springer-Verlag | year=2003 }} *{{cite journal |last1=Foskett |first1=Michael S. |last2=Holm |first2=Darryl D.| last3=Tronci|first3=Cesare |title=Geometry of Nonadiabatic Quantum Hydrodynamics |journal=Acta Applicandae Mathematicae |year=2019 |volume=162 |issue=1 |pages=63–103 |doi= 10.1007/s10440-019-00257-1|arxiv=1807.01031|s2cid=85531406 }} *{{cite journal|last1=Gay-Balmaz|first1=Francois|last2=Ratiu|first2=Tudor|author2-link=Tudor Ratiu| last3=Tronci|first3=Cesare|title=Equivalent Theories of Liquid Crystal Dynamics| journal=Arch. Ration. Mech. Anal. |volume=210|year=2013|issue=3|pages= 773–811|doi=10.1007/s00205-013-0673-1|arxiv=1102.2918|bibcode=2013ArRMA.210..773G|s2cid=14968950 }} *{{cite journal|last1=Holm|first1=Darryl D.|last2=Marsden|first2=Jerrold E.|author2-link=Jerrold E. Marsden|last3=Ratiu|first3=Tudor S.|author3-link=Tudor Ratiu|last4=Weinstein|first4=Alan|author4-link=Alan Weinstein|title=Nonlinear stability of fluid and plasma equilibria|journal=Physics Reports|volume=123|year=1985|issue=1–2|pages=1–116|doi=10.1016/0370-1573(85)90028-6|bibcode=1985PhR...123....1H|url=http://infoscience.epfl.ch/record/129451|access-date=2023-12-01|archive-date=2022-01-24|archive-url=https://web.archive.org/web/20220124174412/http://infoscience.epfl.ch/record/129451|dead-url=no}} *{{cite book| last1=Libermann| first1=Paulette| author1-link=Paulette Libermann| last2=Marle| first2=Charles-Michel| title=Symplectic geometry and analytical mechanics| series=Mathematics and its Applications| volume=35| publisher=D. 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Bahia, Salvador, 1971)|year=1973|pages=259–272|publisher=Academic Press|location=New York}} *{{cite book| last1=Ortega| first1=Juan-Pablo|last2=Ratiu| first2=Tudor S.| author2-link=Tudor Ratiu| title=Momentum maps and Hamiltonian reduction|publisher = Birkhauser Boston|series=Progress in Mathematics|volume = 222|year = 2004|isbn = 0-8176-4307-9}} *{{Citation | last=Smale | first=Stephen | author-link=Stephen Smale| title=Topology and Mechanics I | journal=Inventiones Mathematicae | year=1970 | pages=305–331 | doi= 10.1007/bf01418778| volume=10| issue=4 | bibcode=1970InMat..10..305S| s2cid=189831616 }} *{{Citation | last=Souriau | first=Jean-Marie | author-link=Jean-Marie Souriau | title=Structure des Systemes Dynamiques | publisher=Dunod | year=1970}} [[Category:经典力学]] [[Category:哈密顿力学]] [[Category:动力系统]] [[Category:辛几何]] [[Category:拉格朗日力学]]
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