Struktury Geometryczne Mechaniki

Podobne dokumenty
O "światopogladzie wariacyjnym"

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

MECHANIKA KLASYCZNA I RELATYWISTYCZNA Cele kursu

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

MECHANIKA STOSOWANA Cele kursu

Geometria Różniczkowa II wykład piąty

II. Równania autonomiczne. 1. Podstawowe pojęcia.

Elektrodynamika. Część 9. Potencjały i pola źródeł zmiennych w czasie. Ryszard Tanaś

Fakty wstępne Problem brachistochrony Literatura. Rachunek wariacyjny. Bartosz Wróblewski

Podstawy Fizyki Współczesnej I. Blok I

Podstawy robotyki wykład V. Jakobian manipulatora. Osobliwości

Fale biegnące w równaniach reakcji-dyfuzji

Geometria Różniczkowa I

Geometria Różniczkowa I

Opis poszczególnych przedmiotów (Sylabus) Fizyka, studia pierwszego stopnia

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

KARTA PRZEDMIOTU 1/5. Wydział Mechaniczny PWR

Wykłady z Mechaniki Kwantowej

Mechanika Analityczna

= f. = df(d1 t, d 2 t,..., d n t) D γ(0) = df γ. x i. Biorąc funkcję f postaci f(q) + x i g i stwierdzamy, że f (q) = g

MECHANIKA KLASYCZNA I RELATYWISTYCZNA Cele kursu dla studentów geofizyki

Jan Awrejcewicz- Mechanika Techniczna i Teoretyczna. Statyka. Kinematyka

KARTA PRZEDMIOTU 26/406. Wydział Mechaniczny PWR

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Mechanika Analityczna

Przestrzenie wektorowe

KINEMATYKA I DYNAMIKA CIAŁA STAŁEGO. dr inż. Janusz Zachwieja wykład opracowany na podstawie literatury

Wykład 4. II Zasada Termodynamiki

Wykład Ćwiczenia Laborat orium. Zaliczenie na ocenę. egzamin

5.6 Klasyczne wersje Twierdzenia Stokes a

Symetrie i prawa zachowania Wykład 6

Rozszerzony konspekt preskryptu do przedmiotu Podstawy Robotyki

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

Podstawy robotyki wykład VI. Dynamika manipulatora

RÓWNANIE DYNAMICZNE RUCHU KULISTEGO CIAŁA SZTYWNEGO W UKŁADZIE PARASOLA

Rys. 11: Pomocne wykresy.

Dynamika manipulatora. Robert Muszyński Janusz Jakubiak Instytut Cybernetyki Technicznej Politechnika Wrocławska. Podstawy robotyki wykład VI

mechanika analityczna 1 nierelatywistyczna L.D.Landau, E.M.Lifszyc Krótki kurs fizyki teoretycznej

Rozmaitości Calabi Yau i podwójne nakrycia P 3

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

VII.1 Pojęcia podstawowe.

Sterowanie optymalne

Geometria Różniczkowa II wykład dwunasty

Mechanika ogólna / Tadeusz Niezgodziński. - Wyd. 1, dodr. 5. Warszawa, Spis treści

Przestrzenie liniowe

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

Wykład 15. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

Wykład 9. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

Wykaz oznaczeń Przedmowa... 9

Elektrostatyka, cz. 1

III. Układy liniowe równań różniczkowych. 1. Pojęcie stabilności rozwiązań.

O pewnych klasach funkcji prawie okresowych (niekoniecznie ograniczonych)

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

5.1 POJĘCIE CZASU. Rozdział należy do teorii pt. "Teoria Przestrzeni" autorstwa Dariusza Stanisława Sobolewskiego. Http:

Układy statystyczne. Jacek Jurkowski, Fizyka Statystyczna. Instytut Fizyki

MECHANIKA OGÓLNA (II)

MECHANIKA 2 KINEMATYKA. Wykład Nr 5 RUCH KULISTY I RUCH OGÓLNY BRYŁY. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI Kwantowa wariacyjna metoda Monte Carlo. Problem własny dla stanu podstawowego układu N cząstek

Geometria Różniczkowa II wykład dziesiąty

PRINCIPIA I ELEMENTY

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Układy dynamiczne na przestrzeniach jednorodnych i ich zastosowanie w mechanice kontinuum

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

I. Pochodna i różniczka funkcji jednej zmiennej. 1. Definicja pochodnej funkcji i jej interpretacja fizyczna. Istnienie pochodnej funkcji.

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Układy równań i równania wyższych rzędów

Wykład 3 Równania rózniczkowe cd

Zadania z mechaniki kwantowej

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Rozdział 23 KWANTOWA DYNAMIKA MOLEKULARNA Wstęp. Janusz Adamowski METODY OBLICZENIOWE FIZYKI 1

RUCH OBROTOWY- MECHANIKA BRYŁY SZTYWNEJ

WYBRANE DZIAŁY ANALIZY MATEMATYCZNEJ. Wykład II

MECHANIKA 2 RUCH POSTĘPOWY I OBROTOWY CIAŁA SZTYWNEGO. Wykład Nr 2. Prowadzący: dr Krzysztof Polko

WYDZIAŁ MATEMATYKI KARTA PRZEDMIOTU

FIZYKA-egzamin opracowanie pozostałych pytań

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Definicje i przykłady

Wstęp do Modelu Standardowego

Rachunek różniczkowy funkcji dwóch zmiennych

KARTA PRZEDMIOTU. Odniesienie do efektów dla kierunku studiów. Forma prowadzenia zajęć

z pokryciem (O i ) i I rozkładu jedności (α i ) i I. Zauważmy najpierw, że ( i I α i )ω dω = d(1 ω) = d d(α i ω). Z drugiej jednak strony

Algebra liniowa z geometrią

Feynmana wykłady z fizyki. [T.] 1.1, Mechanika, szczególna teoria względności / R. P. Feynman, R. B. Leighton, M. Sands. wyd. 7.

. : a 1,..., a n F. . a n Wówczas (F n, F, +, ) jest przestrzenią liniową, gdzie + oraz są działaniami zdefiniowanymi wzorami:

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Notatki do wykładu Geometria Różniczkowa I

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE. Marta Zelmańska

Przekształcenia liniowe

Analiza II.2*, lato komentarze do ćwiczeń

ALGEBRA Z GEOMETRIĄ BAZY PRZESTRZENI WEKTOROWYCH

Równania różniczkowe liniowe rzędu pierwszego

Więzy i ich klasyfikacja Wykład 2

Siły zachowawcze i energia potencjalna. Katarzyna Sznajd-Weron Mechanika i termodynamika dla matematyki stosowanej 2017/18

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

1 Relacje i odwzorowania

PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Transkrypt:

Struktury Geometryczne Mechaniki Paweł Urbański u rb a n ski@fuw.ed u.p l Kat edra Met od Mat ematycznych Fizyki Uniwersyt et Warszawski Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 1/23

MOTYWACJE Dlaczego mechanika (analityczna)? Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 2/23

MOTYWACJE Dlaczego mechanika (analityczna)? Mechanika jest miejscem, w którym kształtuje się język fizyki. Warto więc wracać do mechaniki, by lepiej zrozumieć sens pewnych konstrukcji, stosowanych poza mechaniką, ale przez analogię do mechaniki. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 2/23

MOTYWACJE Dlaczego mechanika (analityczna)? Mechanika jest miejscem, w którym kształtuje się język fizyki. Warto więc wracać do mechaniki, by lepiej zrozumieć sens pewnych konstrukcji, stosowanych poza mechaniką, ale przez analogię do mechaniki. Dlaczego geometria (różniczkowa)? Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 2/23

MOTYWACJE Dlaczego mechanika (analityczna)? Mechanika jest miejscem, w którym kształtuje się język fizyki. Warto więc wracać do mechaniki, by lepiej zrozumieć sens pewnych konstrukcji, stosowanych poza mechaniką, ale przez analogię do mechaniki. Dlaczego geometria (różniczkowa)? Geometria różniczkowa pozwala mówić o układach językiem niezależnym od układów odniesienia (cechowań). Pozwala eliminować struktury zbyteczne, pozostawiając na widoku jedynie te istotne. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 2/23

Opis Wariacyjny Struktury geometryczne związane z wariacyjnym opisem układów fizycznych. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 3/23

Opis Wariacyjny Struktury geometryczne związane z wariacyjnym opisem układów fizycznych. W opisie wariacyjnym zasada wariacyjna prowadzi do listy układów regularnych (potencjalnych), z którymi opisywany układ jest w równowadze (statycznej lub dynamicznej). Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 3/23

Opis Wariacyjny Struktury geometryczne związane z wariacyjnym opisem układów fizycznych. W opisie wariacyjnym zasada wariacyjna prowadzi do listy układów regularnych (potencjalnych), z którymi opisywany układ jest w równowadze (statycznej lub dynamicznej). Jest to więc coś więcej niż szukanie punktów stacjonarnych potencjału (działania w przypadku dynamiki). Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 3/23

Opis Wariacyjny Struktury geometryczne związane z wariacyjnym opisem układów fizycznych. W opisie wariacyjnym zasada wariacyjna prowadzi do listy układów regularnych (potencjalnych), z którymi opisywany układ jest w równowadze (statycznej lub dynamicznej). Jest to więc coś więcej niż szukanie punktów stacjonarnych potencjału (działania w przypadku dynamiki). Można powiedzieć, że w opisie wariacyjnym interesuje nas cała różniczka potencjału (działania) lub ich uogólnienia (np w opisie układów z dysypacją, więzami itp). Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 3/23

Czym się zajmujemy? Strukturami geometrycznymi związanymi z dynamiką infinitezymalną, tzn konfiguracjami dynamicznymi są położenia i prędkości - elementy wiązki stycznej do rozmaitości położeń. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 4/23

Czym się zajmujemy? Strukturami geometrycznymi związanymi z dynamiką infinitezymalną, tzn konfiguracjami dynamicznymi są położenia i prędkości - elementy wiązki stycznej do rozmaitości położeń. Opisem wariacyjnym układów dynamicznych z więzami i dysypacją. W szczególności, wynikającymi z niego odpowiednikami równań Eulera-Lagrange a. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 4/23

Czym się zajmujemy? Strukturami geometrycznymi związanymi z dynamiką infinitezymalną, tzn konfiguracjami dynamicznymi są położenia i prędkości - elementy wiązki stycznej do rozmaitości położeń. Opisem wariacyjnym układów dynamicznych z więzami i dysypacją. W szczególności, wynikającymi z niego odpowiednikami równań Eulera-Lagrange a. Podstawami rachunku wariacyjnego, czyli zasadą prac wirtualnych w różnych jej odmianach. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 4/23

Geometrią wartości afinicznych, tzn gemetrią, w której funkcje zastąpione są cięciami wiązki afinicznej. Geometria taka jest potrzebna do opisu niezależnego od układu odniesienia (cechowania) (mechanika newtonowska, zależna od czasu, relatywistycznej cząstki naładowanej itp). Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 5/23

Kto się zajmuje? Janusz Grabowski (IM PAN) Katarzyna Grabowska Maciej Łukasik Paweł Urbański Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 6/23

Opis lagranżowski L: TM R Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 7/23

Opis lagranżowski L: TM R stąd dl: TTM T TM Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 7/23

Opis lagranżowski L: TM R stąd Gdzie równanie? dl: TTM T TM Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 7/23

Opis lagranżowski stąd L: TM R dl: TTM Gdzie równanie? Istnieje kanoniczny diffeomorfizm T TM α M : TT M T TM D = α 1 M (dl(tm)) jest równaniem na krzywe fazowe (bez sił zewnętrznych, ale można je bez trudu dołączyć). Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 7/23

Opis hamiltonowski Tą samą podrozmaitość D możemy przenieść do T T M, korzystając z istnienia na T M kanonicznej formy symplektycznej ω M i odpowiadającemu jej izomorfizmowi wiązek wektorowych β M : TT M T T M Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 8/23

Opis hamiltonowski Tą samą podrozmaitość D możemy przenieść do T T M, korzystając z istnienia na T M kanonicznej formy symplektycznej ω M i odpowiadającemu jej izomorfizmowi wiązek wektorowych β M : TT M T T M i pytać, czy dostaliśmy obraz różniczki funkcji na T M. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 8/23

Opis hamiltonowski Tą samą podrozmaitość D możemy przenieść do T T M, korzystając z istnienia na T M kanonicznej formy symplektycznej ω M i odpowiadającemu jej izomorfizmowi wiązek wektorowych β M : TT M T T M i pytać, czy dostaliśmy obraz różniczki funkcji na T M. Odpowiedź znajdziemy w znanych twierdzeniach geometrii symplektycznej. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 8/23

Przy okazji: transformacja Legendre a We współczesnym rozumieniu, transformacja Legendre a jest przejściem od lagranżjanu (opisu lagranżowskiego) do (na ogół uogólnionego) hamiltonianu. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 9/23

Przy okazji: transformacja Legendre a We współczesnym rozumieniu, transformacja Legendre a jest przejściem od lagranżjanu (opisu lagranżowskiego) do (na ogół uogólnionego) hamiltonianu. Przejście to oparte jest na kanonicznym symplektomorfiźmie T E i T E (dla dowolnej wiązki wektorowej E), generowanym przez ewaluację między E i E. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 9/23

Przy okazji: transformacja Legendre a We współczesnym rozumieniu, transformacja Legendre a jest przejściem od lagranżjanu (opisu lagranżowskiego) do (na ogół uogólnionego) hamiltonianu. Przejście to oparte jest na kanonicznym symplektomorfiźmie T E i T E (dla dowolnej wiązki wektorowej E), generowanym przez ewaluację między E i E. Używa się tu standardowych twierdzeń o składaniu relacji symplektycznych. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 9/23

Mamy więc trzy diffeomorficzne rozmaitości: T T M β M TT M α M T TM Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 10/23

Mamy więc trzy diffeomorficzne rozmaitości: T T M β M TT M α M T TM W literaturze mówi sią o "trójce Tulczyjewa". Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 10/23

Mamy więc trzy diffeomorficzne rozmaitości: T T M β M TT M α M T TM W literaturze mówi sią o "trójce Tulczyjewa". Jakie struktury geometryczne tkwią w tym obrazku? Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 10/23

Podwójne wiazki wektorowe Każda z powyższych rozmaitości ma (autonomicznie) dwie struktury wiązki wektorowej: nad TM i nad T M. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 11/23

Podwójne wiazki wektorowe Każda z powyższych rozmaitości ma (autonomicznie) dwie struktury wiązki wektorowej: nad TM i nad T M. Są to szczególne przypadki ogólnej sytuacji: Dla każdej wiązki wektorowej τ : E M, jej wiązka styczna TE i wiązka kostyczna T E posiadają dwie (zgodne) struktury wiązki wektorowej TE Tτ E, T E T τ E π. τ E E τ τ M τ E E τ M Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 11/23

Zgodność struktur wiązek wektorowych można wyartykułować tak: odpowiadające im mnożenia przez liczby (będące działaniem monoidu multyplikatywnego (R, )) komutują (Grabowski i Rotkiewicz). Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 12/23

Zgodność struktur wiązek wektorowych można wyartykułować tak: odpowiadające im mnożenia przez liczby (będące działaniem monoidu multyplikatywnego (R, )) komutują (Grabowski i Rotkiewicz). Ogólnie: rozmaitość z dwiema zgodnymi strukturami wiązki wektorowej nazywa sią podwójną wiązką wektorową (Pradines, 1974) - nasza specjalność. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 12/23

Struktury symplektyczne T T M i T TM są rozmaitościami symplektycznymi z formami ω T M i ω TM. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 13/23

Struktury symplektyczne T T M i T TM są rozmaitościami symplektycznymi z formami ω T M i ω TM. TT M ma strukturę symplektyczną d T ω M Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 13/23

Struktury symplektyczne T T M i T TM są rozmaitościami symplektycznymi z formami ω T M i ω TM. TT M ma strukturę symplektyczną d T ω M Wymienione struktury symplektyczne respektują (są liniowe) obie struktury wiązki wektorowej. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 13/23

Struktura symplektyczna (Poissona) na wiązce wektorowej τ : E M jest liniowa, jeżeli odpowiednie odwzorowanie TE T E (T E TE) jest liniowe ze względu na obie struktury wiązki wektorowej. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 14/23

Struktura symplektyczna (Poissona) na wiązce wektorowej τ : E M jest liniowa, jeżeli odpowiednie odwzorowanie TE T E (T E TE) jest liniowe ze względu na obie struktury wiązki wektorowej. Trójkę Tulczyjewa możemy teraz przedstawić diagramem: Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 14/23

T M T T M TM β 1 M TT M TM α 1 M T TM T M T M M M M TM Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 15/23

α M, β M i cały ten diagram to równoważny opis jednej, bardzo znanej struktury: algebroidu wiązki stycznej. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 16/23

α M, β M i cały ten diagram to równoważny opis jednej, bardzo znanej struktury: algebroidu wiązki stycznej. Po ludzku: nawiasu Liego pól wektorowych na rozmaitości M! Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 16/23

Algebroidy Liego Standardowa definicja algebroidu Liego w wiązce wektorowej τ : E M: Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 17/23

Algebroidy Liego Standardowa definicja algebroidu Liego w wiązce wektorowej τ : E M: Nawias Liego cięć wiązki E, który jest pseudoróżniczkowaniem za względu na mnożenie cięć przez funkcje, tzn [X, fy ] = f[x, Y ] + ρ(x)(f)y, gdzie ρ: E TM jest odwzorowaniem wiązek wektorowych (nad identycznością w M), zwanym kotwicą algebroidu. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 17/23

Przykłady algebroidów Liego algebra Liego, dystrybucja foliacji, wiązka kostyczna rozmaitości poissonowskiej, wiązka styczna do wiązki głównej podzielona przez działanie grupy. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 18/23

Dla algebroidu Liego mamy odpowiedni diagram (nasza specjalność): Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 19/23

Dla algebroidu Liego mamy odpowiedni diagram (nasza specjalność): E T E Λ E E TE TM ε E T E M M M E Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 19/23

Dla algebroidu Liego mamy odpowiedni diagram (nasza specjalność): E T E Λ E E TE TM ε E T E M M M Λ reprezentuje tu liniową strukturę Poissona. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 19/23 E

Istnienie tego diagramu pozwala uprawiać mechanikę analityczną w oparciu o strukturę algebroidu Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 20/23

Istnienie tego diagramu pozwala uprawiać mechanikę analityczną w oparciu o strukturę algebroidu Przykłady: bryła sztywna (algebra Liego przestrzenią konfiguracyjną), redukcje lagranżowskie układów z symetriami. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 20/23

Kilka prac. K. Konieczna and P. Urbański: Double vector bundles and duality, Arch. Math. (Brno) 35, (1999), 59 95 J. Grabowski and P. Urbański: Algebroids general differential calculi on vector bundles, J. Geom. Phys., 31 (1999), 111-1141. K. Grabowska, J. Grabowski and P. Urbański: Lie brackets on affine bundles, Ann. Global Anal. Geom. 24 (2003), 101 130. P. Urbański: An affine framework for analytical mechanics, In: Classical and Quantum Integrability, BCP59, Warsaw 2003, 257 279. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 21/23

K. Grabowska and P. Urbański: AV-differential geometry and Newtonian mechanics, Rep. Math. Phys. 58 (2006), 21 40. K. Grabowska, J. Grabowski and P. Urbański: AV-differential geometry: Euler-Lagrange equations, J. Geom. Phys. 57 (2007), 1984 1998. 35. W.M. Tulczyjew and P. Urbański: Constitutive sets of convex static systems, Rep. Math. Phys., 60 No. 2 (2007), 199 219. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 22/23

Zakończenie Zapytano mądrego rabina - "co to jest fizyka?" Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 23/23

Zakończenie Zapytano mądrego rabina - "co to jest fizyka?" Odpowiedział: To jest to, co każe pamiętać, że należy wracać do źródeł. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 23/23

Zakończenie Zapytano mądrego rabina - "co to jest fizyka?" Odpowiedział: To jest to, co każe pamiętać, że należy wracać do źródeł. To znaczy być oryginalnym. Sympozjum IFT, 08.12.2007 p. 23/23