对于一条曲线,一阶导数即切线代表倾斜程度,即斜率,二阶导数代表弯曲程度,即曲率。推广到高维情形,依然成立,只是方向多了些,斜率需要多个独立分量(=流形维度),而曲率就更多了,是一个张量。以二维曲面为例。每点的切线(无限条)构成一个切平面,一个平面可由一个二维向量空间代表。又由于过每一点可以画无限多条曲线,故曲率也很多(无限多),他们的大小满足从基点到一个椭球表面的距离,因此可以用一个椭球面来描写二维曲面某一点的曲率,椭球的三个轴和椭球的方位总共对应6个独立值,叫做曲率张量的6个分量:
d^2/dx^2,d^2/dxdy, d^2/dxdz,d^2/dy^2,d^2/dydz, d^2/dz^2.
高维情形依然有切平面,但曲率张量的分量要多一些。
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可积系统
可积系统最本质的地方就在于它有充分多的对称性,对称性不充分的称为部分可积系统,最少对称性的系统就是完全不可积系统,或者说是混沌系统。物理系统或者动力系统的分类方法有很多,比如热力学系统,随机/确定系统,约束系统(完整 /几何以及其他的约束方式),开放系统,耗散/保守系统,线性/非线性系统,有限/无限维系统,但不论从什么角度,可积系统都是性质最好的系统,就像一个具有很好对称性的几何体,它的性质总是很完美的。
可积性的其他意义
1 完整性(可达性 非常深刻一个概念,约束的几何性质,有局部和整体的区别)
2 严格可解性或形式可解性 形式可积性 拉克斯可积
3 几何结构的可积性(我有专门的讨论),实际上是流形上光滑结构的一种可约化性,通常存在拓扑障碍,可用层上同调的方法分析
4 单值性(零曲率及整体和乐群的平凡性)
世界上最有意思的东西就是对称性,可积系统由于具有很高的对称性,所有就像一个百宝箱,从里面可以取出各种各样的玩具,几何的,代数的,分析的,等等。
可积系统系统的算术性质可以完全从表示论的角度得到,表示论也是一种求解问题的工具。
事实上,可以反过来做,很多可积系统可以从表示论导出来。很多不同的系统都是相关,可积系统有一种“家族性“,把某一类可积系统放在一起,就会出现更有意思的结构。
某一类可积系统放在一起形成一种模空间,可积系统之间存在相互作用和一些有意思的规范变换。可积系统就是表示的实现。
从形式可解性的角度,线性发展系统是平凡的,
一般形式为du(x,t)/dt=A(t)u(x,t)+f(t),格林函数为G(t)=exp^(integal A(T)dt)(维尔逊算子),再由冲量原理(常熟变异法或齐次化原理),可求得零初值得特解,线性叠加就得一般解。对于一个发展式的系统,可以从两个角度来看,一种是薛定谔表象,向量(态)演化的观点,另一种是海森表表象,算子(观测量)的观点,二者是等价的。
微分方程dx/dt=Ax(态演化)等价于dU/dt=AU-------U(t)=exp^tA(传播子,格林函数,基本解)-------L(t)=U(t)L(0)U(t)^(-1)算子演化
算子方程dL/dt=[A,L]。[A,L]=0,则称L为A的守恒量,L决定的流称为守恒流。
线性发展系统还有一种方法就是规范变换,比如福利叶变换,基本想法就是对算子进行相似变换,使得算子的形式比较简单,具体就是试图找到某一个算子一组本征值,找出本征值和本征向量的演化规律。时间发展式和谱问题紧密联系的。如果能够找到本征值不变或本征向量不变的算子,那就更好了,这样就可能把偏微分方程化常维甚至化为代数方程。其实这种机制本质就是利用对称性(守恒量或首次积分)对系统进行约化以至降低维数。
非线性发展系统则有趣和复杂得多。