哈密顿向量场

在数学与物理中，哈密顿向量场是辛流形上一个向量场，定义在任何能量函数或哈密顿函数上。以物理学家和数学家威廉·卢云·哈密顿命名。哈密顿向量场是经典力学中的哈密顿方程的几何表现形式，哈密顿向量场的积分曲线表示哈密顿形式的运动方程的解。由哈密顿向量场生成的流是辛流形的微分同胚，在物理中称为典范变换，在数学中称为（哈密顿）辛同胚。

哈密顿向量场可以更一般地定义在任何泊松流形上。对应于流形上的函数 f 与 g 的两个哈密顿向量场的李括号也是一个哈密顿向量场，其哈密顿函数由 g 与 f 的泊松括号给出。

定义

假设 (M,ω) 是一个辛流形。因为辛形式 ω 非退化，诱导了切丛 ${\displaystyle TM}$ 与余切丛 ${\displaystyle T^{*}M}$ 的一个线性同构

${\displaystyle \omega :TM\to T^{*}M}$

以及逆

${\displaystyle \Omega :T^{*}M\to TM,\quad \Omega =\omega ^{-1}\ .}$

从而，流形 M 上的1-形式可以与向量场等价起来，故任何可微函数 ${\displaystyle H:M\to \mathbb {R} }$ 确定了惟一的向量场 X_H = Ω(dH)，称为哈密顿函数 H 的哈密顿向量场。即对 M 上任何向量场 Y，等式

${\displaystyle \mathrm {d} H(Y)=\omega (X_{H},Y)\ ,}$

一定成立。

注：一些作者定义哈密顿向量场为相反的符号；需注意物理与数学著作的不同习惯。

例子

假设 M 是一个 2n 维辛流形。则由达布定理，我们在局部总可以取 M 的一个典范坐标 ${\displaystyle (q^{1},\ldots ,q^{n},p_{1},\ldots ,p_{n})}$，在这个坐标系下辛形式表示为

${\displaystyle \omega =\sum _{i}\mathrm {d} q^{i}\wedge \mathrm {d} p_{i}.}$

则关于哈密顿函数 H 的哈密顿向量场具有形式

${\displaystyle X_{H}=\left({\frac {\partial H}{\partial p_{i}}},-{\frac {\partial H}{\partial q^{i}}}\right)=\Omega \,\mathrm {d} H\ ,}$

这里 Ω 是一个 2n × 2n 矩阵

${\displaystyle \Omega ={\begin{bmatrix}0&I_{n}\\-I_{n}&0\\\end{bmatrix}}\ .}$

假设 M = R²ⁿ 是 2n 维具有（整体）典范坐标的辛向量空间。

• 如果 ${\displaystyle H=p_{i}}$ 则 ${\displaystyle X_{H}=\partial /\partial q^{i}\ ;}$
• 如果 ${\displaystyle H=q^{i}}$ 则 ${\displaystyle X_{H}=-\partial /\partial p^{i}\ ;}$
• 如果 ${\displaystyle H=1/2\sum (p_{i})^{2}}$ 则 ${\displaystyle X_{H}=\sum p_{i}\partial /\partial q^{i}\ ;}$
• 如果 ${\displaystyle H=1/2\sum a_{ij}q^{i}q^{j},a_{ij}=a_{ji}}$ 则 ${\displaystyle X_{H}=-\sum a_{ij}p_{i}\partial /\partial q^{j}\ .}$

性质

• 映射 ${\displaystyle f\mapsto X_{f}}$ 线性的，所以两个哈密顿函数之和变为相应的哈密顿向量场之和。

• 假设 ${\displaystyle (q^{1},\ldots ,q^{n},p_{1},\ldots ,p_{n})}$ 是 M 上的典范坐标。则曲线 ${\displaystyle \gamma (t)=(q(t),p(t))}$ 是哈密顿向量场 X_H 的积分曲线当且仅当它是哈密顿方程的一个解：

${\displaystyle {\dot {q}}^{i}={\frac {\partial H}{\partial p_{i}}},\quad {\dot {p}}_{i}=-{\frac {\partial H}{\partial q^{i}}}\ .}$

• 哈密顿函数 H 在积分曲线上是常数，这就是 ${\displaystyle H(\gamma (t))}$ 与时间 t 无关。这个性质对应于哈密顿力学中的能量守恒。

• 更一般地，如果两个函数 F 与 H 的泊松括号为零（见下），则 F 沿着 H 的积分曲线为常数；类似地 H 沿着 F 的积分曲线是常数。这个事实是诺特定理背后的数学原理。

• 辛形式 ${\displaystyle \omega }$ 在哈密顿流下不变；或等价地，李导数 ${\displaystyle {\mathcal {L}}_{X_{H}}\omega =(\iota _{X_{f}}\circ d+d\circ \iota _{X_{f}})\omega =d\circ df=0\ .}$ 这里 ${\displaystyle \iota }$ 是内乘，用到了李导数的嘉当公式。

泊松括号

哈密顿向量场的概念导致了辛流形 M 上的可微函数的一个斜对称双线性算子，这就是泊松括号，由如下公式定义

${\displaystyle \{f,g\}=\omega (X_{f},X_{g})=df(X_{g})={\mathcal {L}}_{X_{g}}f\ ,}$

这里 ${\displaystyle {\mathcal {L}}_{X}}$ 表示沿着向量场 X 的李导数。此外，我们可以验证有恒等式：

${\displaystyle X_{\{f,g\}}=-[X_{f},X_{g}],}$

这里右边表示哈密顿函数 g 与 g 对应的哈密顿向量场的李括号。事实上有：

${\displaystyle {\begin{aligned}&\iota _{[X_{f},X_{g}]}\omega \\=&({\mathcal {L}}_{X_{f}}\circ \iota _{X_{g}}-\iota _{X_{g}}\circ {\mathcal {L}}_{X_{f}})\omega \\=&{\mathcal {L}}_{X_{f}}\circ \iota _{X_{g}}\omega \\=&(\iota _{X_{f}}\circ d+d\circ \iota _{X_{f}})dg\\=&d(\iota _{X_{f}})dg)\\=&-d\{f,g\}\\\end{aligned}}}$

作为一个推论，泊松括号满足雅可比恒等式。

${\displaystyle \{\{f,g\},h\}+\{\{g,h\},f\}+\{\{h,f\},g\}=0\ ,}$

这意味着 M 上可微函数组成的向量空间，赋予泊松括号，是 R 上的一个李代数，且映射 ${\displaystyle f\mapsto X_{f}}$ 是一个李代数反同态，其核由局部常值函数组成（如果 M 连通则为常数）。

参考文献

• Abraham, Ralph; Marsden, Jerrold E. Foundations of Mechanics. London: Benjamin-Cummings. 1978. ISBN 978-0-821-84438-0. 引文使用过时参数coauthors (帮助)See section 3.2.
• Arnol'd, V.I. Mathematical Methods of Classical Mechanics. Berlin etc: Springer. 1997. ISBN 0-387-96890-3.
• Frankel, Theodore. The Geometry of Physics. Cambridge: Cambridge University Press. 1997. ISBN 0-521-38753-1.
• McDuff, Dusa; Salamon, D. Introduction to Symplectic Topology. Oxford Mathematical Monographs. 1998. ISBN 0-19-850451-9. 引文使用过时参数coauthors (帮助)