UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PLATA FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS DEPARTAMENTO DE MATEMATICA Ejemplo de Cálculo de Momento Optimo y Reducción Marı́a Eugenia Garcia 2008 Introducción. T ∗(IR3 × IR3) − △ es el espacio de fase del problema de dos cuerpos en mecánica celeste cuyo Hamiltoniano es invariante por la acción diagonal del grupo euclidiano SE(3) en T ∗IR6. Plan de la charla: 1. Nociones básicas de aplicación momento usual. 2. El problema de dos cuerpos: cálculo del momento usual. 3. Nociones básicas de aplicación momento óptimo. 4. El problema de dos cuerpos: cálculo de la aplicación momento óptimo. 5. Camino a la reducción. 1. Nociones básicas de aplicación momento usual. (M, ω) una variedad simpléctica y G un grupo de Lie φ : G × M → M una acción simpléctica de G sobre M φ∗g ω = ω φ admite aplicación momento Ad∗-equivariante J : M −→ g∗, si ∀ ξ ∈ g, ˆ = iξ ω, dJ(ξ) M ˆ : M −→ IR está dado por donde J(ξ) ˆ J(ξ)(m) = hJ(m), ξi Luego XJ(ξ) = ξM , ∀ ξ ∈ g. ˆ 2. El problema de dos cuerpos. Grupo Euclidiano de dimensión 3 SE(3) = SO(3)sIR3, donde la estructura de grupo está dada por el producto semidirecto (A, a).(B, b) = (AB, Ab + a). El álgebra de Lie del grupo SE(3) está dada por se(3) = so(3)sIR3. Observación: el álgebra de Lie so(3) puede ser identificada con IR3 mediante el isomorfismo lineal b : IR3 → so(3) ξ → ξˆ que asigna a cada ξ = (ξ1, ξ2, ξ3)T ∈ IR3 el elemento de so(3) 0 −ξ3 ξ2 ξˆ = ξ3 0 −ξ1 . −ξ2 ξ1 0 (1) Valen las siguientes propiedades: ˆ = ξ × η, 1. ξη 2. ξˆη̂ − η̂ ξˆ = (ξ\ × η), esto es ˆ η̂] = ξ[ [ξ, × η. ˆ u), (η̂, v) ∈ se(3), el corchete de Lie está dado por Dados (ξ, h i ˆ u), (η̂, v) = [ξ, ˆ η̂], ξv ˆ − η̂u (ξ, Usando la identificación (1) y las propiedades (1) y (2), resulta [(ξ, u), (η, v)] = (ξ × η, ξ × v − η × u) . El espacio dual del álgebra de Lie se(3) está dado por se(3)∗ = so(3)∗ × (IR3)∗. Utilizando la identificación (1) y la identificación entre IR3 y (IR3)∗, y también entre so(3) y so(3)∗ dadas por el producto interior hh·, ·ii, se tiene la siguiente identificación se(3)∗ = (so(3))∗ × (IR3)∗ (α̂ , u) ∼ = IR3 × IR3 ∼ = (α, u) (2) 2.1. Aplicación Momento de la Acción Diagonal Consideremos la acción diagonal del grupo SE(3) sobre el espacio vectorial Q := IR3 × IR3, φ : SE(3) × (IR3 × IR3) −→ (IR3 × IR3) ((A, a), (q 1, q 2)) 7−→ (Aq 1 + a, Aq 2 + a). Se tiene la identificación canónica Tq (IR3 × IR3) ←→ (IR3 × IR3) × (IR3 × IR3) vq ←→ (q 1, q 2, v 1, v 2). (3) También se tiene la identificación canónica Tq∗(IR3 × IR3) ←→ (IR3 × IR3) × (IR3 × IR3)∗ αq ←→ (q 1, q 2, p1, p2) = (q, p). (4) Sea q ∈ Q. Calculemos la acción φ levantada al tangente, Tq φ(A,a) : Tq (IR3 × IR3) −→ Tφ(A,a)(q)(IR3 × IR3) Usando la identificación (3) se puede ver que Tq φ(A,a)(q 1, q 2, v 1, v 2) = (Aq 1 + a, Aq 2 + a, Av 1, Av 2). Calculemos ahora, la acción φ levantada al cotangente. Tq∗φ : SE(3) × Tq∗(IR3 × IR3) −→ Tφ∗(A,a)(q)(IR3 × IR3), donde, para αq ∈ Tq∗(IR3 × IR3) y vφ(A,a)(q) ∈ Tφ(A,a)(q)(IR3 × IR3) h(Tq∗φ)(A,a)(αq ), vq i = hαq , Tq φ(A,a)−1 (vφ(A,a) (q))i. Usando las identificaciones (3) y (4) puede verse que (Tq∗φ)(A,a)(q, p) = (Aq 1 + a, Aq 2 + a, Ap1, Ap2). ˆ u) ∈ se(3) Para q ∈ IR3 × IR3 el generador infinitesimal de la acción φ correspondiente al elemento (ξ, está dado por ˆ u)IR3×IR3 (q) = (ξq ˆ 1 + u, ξq ˆ 2 + u). (ξ, Usando la identificación (1) se tiene para (ξ, u) ∈ IR3 × IR3, (ξ, u)IR3×IR3 (q) = (ξ × q 1 + u, ξ × q 2 + u). La aplicación momento J : T ∗(IR3 × IR3) −→ se(3)∗ para la acción levantada al cotangente T ∗φ está dada por ˆ u)ii = hhαq , (ξ, ˆ u)IR3×IR3 (q)ii, hhJ(αq ), (ξ, Usando las identificaciones (1) y (4), puede verse que que J(q, p) = (q 1 × p1 + q 2 × p2 , p1 + p2) (5) Sea (α̂, u) ∈ se(3)∗. Calculemos la preimagen de este elemento por la aplicación momento, esto es −1 ∗ J (α̂, u) = αq ∈ Tq Q | J(αq ) = (α̂, u) . Usando las identificaciones (2), (3) y (4) resulta que J −1(α̂, u) es el conjunto de los elementos (q 1, q 2, p1, p2) ∈ (IR3 × IR3) × (IR3 × IR3) que verifican 1 q × p1 + q 2 × p2 = α (6) p1 + p2 = u, o equivalentemente que verifican (q 1 − q 2) × p1 + q 2 × u = α p2 = u − p1 (7) 3. Momento Optimo. M una variedad diferenciable. Una distribución generalizada D sobre M es un subconjunto del fibrado tangente T M tal que, para todo m ∈ M la fibra Dm = D ∩ TmM es un subespacio vectorial de T M . La distribución D es diferenciable si para todo z ∈ M y para todo vector v ∈ Dz existe una un campo vectorial suave X de D definido en un entorno abierto U de z tal que X(z) = v. La distribución generalizada D es completamente integrable si para todo z ∈ M existe una variedad integral N de D de dimensión máxima que contiene a z, es decir para cada z ∈ N , Tz i(Tz N ) = Dz . La distribución generalizada D es involutiva si es invariante bajo los flujos (locales) asociados a las secciones diferenciables de D. Caso especifico: Distribuciones diferenciables. Consideramos una familia D cuyos elementos son campos vectoriales suaves X definidos en un subconjunto abierto Dom(X) ⊂ M . Entonces se tiene la distribución generalizada diferenciable D dada por Dz = span {X(z) ∈ Tz M | X ∈ D y z ∈ X} . Teorema. (Teorema Stefan-Sussman)(Frobenius generalizado) 1. Una distribución generalizada D sobre una variedad M es completamente integrable si y sólo si es involutiva. 2. En el caso en que la distribución D sea integrable, las variedades integrales son las órbitas del pseudogrupo generado por los flujos Ftf de los campos Xf donde f ∈ C ∞(U ) con U subconjunto abierto de M . Definición. Consideramos (M, {·, ·}) una variedad de Poisson, G un grupo de Lie que actúa canonicamente sobre M , U un subconjunto de M abierto G-invariante C ∞(U )G = {f ∈ C ∞(U ) | f es G − invariante}. ∞ G E = Xf | f ∈ C (U ) , con U ⊂ M abierto G − invariante . Se definde la G-distribución caracterı́stica E como la distribución generalizada suave sobre M generada por E. Esto es ∞ G E = span Xf | f ∈ C (U ) , con U ⊂ M abierto G − invariante . Observación: Si la G-acción sobre M es propia la definición de la distribución E admite una simplificación E = span{Xf | f ∈ C ∞(M )G}. Proposición. La G-distribución caracterı́stica E es completamente integrable y las variedades integrales son las órbitas del pseudogrupo GE generado por los flujos Ftf de los campos Xf donde f ∈ C ∞(U )G con U subconjunto abierto G-invariante de M . Definición. Aplicación Momento Optimo. (M, {·, ·}) una variedad de Poisson, G un grupo de Lie que actúa canonicamente sobre M , E la G-distribución caracterı́stica integrable asociada. La aplicación momento óptimo es la proyección canónica J : M → M/GE . El espacio de momentos es M/E := M/GE . Teorema. (Teorema de Noether Optimo) Sea J : M → M/GE la aplicación momento óptimo. Entonces J es una constante de movimiento para la dinámica generada por cualquier Hamiltoniano G-invariante h, esto es J ◦ Ft = J, donde Ft es el flujo de Xh. Observación: De la construcción de J se ve que no hay subvariedades de J−1(ρ) de dimensión menor que J−1(ρ) que sean respetadas por la dinámica de cualquier Hamiltoniano H G-invariante. Esto justifica el uso de la palabra ”óptimo” en su definición. A diferencia de la aplicación momento usual, J está siempre definido. 3.1. La aplicación momento óptimo para acciones propias globalmente Hamiltonianas. (M, ω) variedad simpléctica, G un grupo de Lie, φ : G × M → M acción propia y globalmente Hamiltoniana, y sea J : M → g∗ la aplicación momento usual asociada a la acción φ. Teorema. Si E es la G-distribución caracterı́stica, entonces para todo m ∈ M E(m) = ker TmJ ∩ TmMGm , donde MGm = {x ∈ M | Gx = Gm}. Mas aún, la GE -orbita del punto m ∈ M es la componente conexa de la subvariedad J −1(µ) ∩ MGm que contiene a m esto es J−1(ρ) = (J −1(µ) ∩ MGm )c.c.m , con µ = J(m) y ρ = J(m). 4. El problema de dos cuerpos: Cálculo de la aplicación Momento Optimo. (T ∗(IR3 × IR3), ω), G = SE(3), T ∗φ : SE(3) × T ∗(IR3 × IR3) → T ∗(IR3 × IR3) dada por (T ∗φ)(A,a)(q 1, q 2, p1, p2) = (Aq 1 + a, Aq 2 + a, Ap1, Ap2), Como vimos admite una aplicación momento J : T ∗(IR3 × IR3) → se(3) y está dada por J(q 1, q 2, p1, p2) = (q 1 × p1 + q 2 × p2, p1 + p2). Dado (q, p) ∈ T ∗(IR3 × IR3) queremos calcular las componentes conexas de J −1(α, u) ∩ T ∗(IR3 × IR3)SE(3)(q,p) . Calculemos primero los subgrupos de isotropı́a de la acción T ∗φ y los espacios T ∗(IR3 × IR3)SE(3)(q,p) . Para (q, p) = (q 1, q 2, p1, p2) ∈ IR3 × IR3 ∗ SE(3)(q,p) = (A, a) ∈ SE(3) | (T φ)(A,a)(q, p) = (q, p) (8) = (A, a) ∈ SE(3) | Aq 1 + a = q 1, Aq 2 + a = q 2, Ap1 = p1, Ap2 = p2 m0 = (0, 0, 0, 0). SE(3)m0 = {(A, a) ∈ SE(3) | a = 0} ≃ SO(3). (9) m1 = (q 1, q 2, 0, 0) con q 1 − q 2 = 0. SE(3)m2 = {(A, a) ∈ SE(3) | a = q 1 − Aq 1} ≃ SO(3) (10) Sea x ∈ IR3 y sea Gx = {(A, a) ∈ SE(3) | a = x − Ax} ≃ SO(3). De (9) y (10) se tiene para cada x ∈ IR3 que T ∗(IR3 × IR3)Gx = {(x, x, 0, 0)}. (11) m2 = (q 1, q 2, 0, 0) con q 1 − q 2 6= 0. SE(3)m2 = {(A, a) ∈ SE(3) | A(q 1 − q 2) = q 1 − q 2 y a = q 1 − Aq 1} ≃ S 1 (12) m3 = (q 1, q 2, 0, p2) con p2 6= 0, q 1 − q 2 paralelo a p2. SE(3)m3 = {(A, a) ∈ SE(3) | Ap2 = p2 y a = q 1 − Aq 1} ≃ S 1 (13) m4 = (q 1, q 2, p1, p2) con p1 y p2 paralelos, p1 6= 0 y q 1 − q 2 paralelo a p1. SE(3)m4 = {(A, a) ∈ SE(3) | Ap1 = p1 y a = q 1 − Aq 1} ≃ S 1 (14) Sean x, y ∈ IR3 con y 6= 0 y sea Gx,y = {(A, a) ∈ SE(3) | Ay = y, a = x − Ax} ≃ S 1. De (12), (13) y (14) se tiene que 1 2 3 ∪ Tx,y ∩ Tx,y T ∗(IR3 × IR3)Gx,y = Tx,y = {(x, x − y, 0, 0)} ∪ {(x, x + λy, 0, y) | λ ∈ IR} ∪ {(x, x + λy, y, βy) | λ, β ∈ IR} . (15) m5 = (q 1, q 2, 0, p2) con p2 6= 0, q 1 − q 2 no paralelo a p2. SE(3)m5 = {(I, 0)}. (16) m6 = (q 1, q 2, p1, p2) con p1 y p2 paralelos, p1 6= 0 y q 1 − q 2 no paralelo a p1. SE(3)m6 = {(I, 0)}. (17) m7 = (q 1, q 2, p1, p2) con p1 y p2 no paralelos. SE(3)m7 = {(I, 0)}. (18) Sea G0 = {(I, 0)}. De (16), (17) y (18) se tiene que T ∗(IR3 × IR3)G0 = R1 ∪ R2 ∪ R3 1 2 1 2 ∗ 3 3 1 2 2 = (q , q , p , p ) ∈ T (IR × IR ) | (q − q ) × p 6= 0 1 2 1 2 ∗ 3 3 1 2 1 2 1 ∪ (q , q , p , p ) ∈ T (IR × IR ) | p × p = 0, (q − q ) × p 6= 0 1 2 1 2 ∗ 3 3 1 2 ∪ (q , q , p , p ) ∈ T (IR × IR ) | p × p 6= 0 (19) Calculemos para cada (q, p) las componentes conexas de J −1(α, u) ∩ T ∗(IR3 × IR3)SE(3)(q,p) . 1. (q, p) ∈ T ∗(IR3 × IR3)Gx0 , (q, p) = (x0, x0, 0, 0). En este caso se tiene que J(x0, x0, 0, 0) = (0, 0) y J −1(0, 0) = {(q 1, q 2, p1, p2) ∈ T ∗(IR3 × IR3) | q 1 × p1 + q 2 × p2 = 0, p1 + p2 = 0}. De (11) y (20) se tiene que J −1(0, 0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0 = {(x0, x0, 0, 0)}. Por lo tanto si ρ ∈ T ∗(IR3 × IR3)/GE tal que J(x0, x0, 0, 0) = ρ entonces J−1(ρ) = (J −1(0, 0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0 )c.c.(q,p) = {(x0, x0, 0, 0)}. (20) 2. (q, p) ∈ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 , (q, p) = (x0, x0 − y0, 0, 0), y0 6= 0. En este caso se tiene que J(x0, x0 − y0, 0, 0) = (0, 0) y como antes J −1(0, 0) = {(q 1, q 2, p1, p2) ∈ T ∗(IR3 × IR3) | q 1 × p1 + q 2 × p2 = 0, p1 + p2 = 0}. Se tiene que J −1 ∗ 3 3 (0, 0) ∩ T (IR × IR )Gx0,y0 = J −1 (0, 0) ∩ Tx10,y0 ∪ J −1 (0, 0) ∩ Tx20,y0 ∪ J −1 (0, 0) ∩ a) J −1(0, 0) ∩ Tx10,y0 = J −1(0, 0) ∩ {(x0, x0 − y0, 0, 0)} = {(x0, x0 − y0, 0, 0)}. b) J −1(0, 0) ∩ Tx20,y0 = J −1(0, 0) ∩ {(x0, x0 + λy0, 0, y0) | λ ∈ IR} = ∅ pues y0 6= 0. Tx30,y0 . c) J −1(0, 0) ∩ Tx30,y0 = J −1(0, 0) ∩ {(x0, x0 + λy0, y0, βy0) | λ, β ∈ IR}. Se tiene de (15) que x0 × y0 + (x0 + λy0) × βy0 = 0 y0 + βy0 = 0. De la segunda ecuación y del hecho que y0 6= 0 se ve que β = −1 y entonces se tiene que J −1(0, 0) ∩ Tx30,y0 = {(x0, x0 + λy0, y0, −y0) | λ ∈ IR}. Por lo tanto juntando (a), (b) y (c) se tiene J −1(0, 0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 = {(x0, x0 − y0, 0, 0)} ∪ {(x0, x0 + λy0, y0, −y0) | λ ∈ IR}. Entonces si ρ ∈ T ∗(IR3 × IR3)/GE tal que J(x0, x0 − y0, 0, 0) = ρ entocnes J−1(ρ) = (J −1(0, 0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 )c.c.(q,p) = {(x0, x0 − y0, 0, 0)}. 3. Caso (q, p) ∈ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 , (q, p) = (x0, x0 + λ0y0, 0, y0), y0 6= 0. En este caso J(x0, x0 + λ0y0, 0, y0) = (x0 × y0, y0) y J −1(0, 0) = {(q 1, q 2, p1, p2) ∈ T ∗(IR3 × IR3) | q 1 × p1 + q 2 × p2 = x0 × y0, p1 + p2 = y0}. (21) Se tiene que J −1 ∗ 3 3 (x0 × y0, y0) ∩ T (IR × IR )Gx0,y0 = J −1 (x0 × y0, y0) ∩ Tx10,y0 ∪ J ∪ J −1(x0 × y0, y0) ∩ Tx30,y0 . −1 (x0 × y0, y0) ∩ a) J −1(x0 × y0, y0) ∩ Tx10,y0 = J −1(x0 × y0, y0) ∩ {(x0, x0 − y0, 0, 0)} = ∅ pues y0 6= 0. b) J −1(x0 × y0, y0) ∩ Tx20,y0 = J −1(x0 × y0, y0) ∩ {(x0, x0 + λy0, 0, y0) | λ ∈ IR} . De (21) se ve que (x0 + λy0) × y0 = x0 × y0 y0 = y0 . Por lo tanto J −1(x0 × y0, y0) ∩ Tx20,y0 = {(x0, x0 + λy0, 0, y0) | λ ∈ IR}. Tx20,y0 c) J −1(x0 × y0, y0) ∩ Tx30,y0 = J −1(x0 × y0, y0) ∩ {(x0, x0 + λy0, y0, βy0) | λ, β ∈ IR}. Se tiene de (21) que x0 × y0 + (x0 + λy0) × βy0 = x0 × y0 y0 + βy0 = y0. De la segunda ecuación y del hecho que y0 6= 0 se ve que β = 0 y entonces se tiene que J −1(x0 × y0, y0) ∩ Tx30,y0 = {(x0, x0 + λy0, y0, 0) | λ ∈ IR}. Por lo tanto juntando (a), (b) y (b) se tiene que J −1(x0, x0 + λy0, 0, y0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 = {(x0, x0 + λy0, 0, y0) | λ ∈ IR} ∪{(x0, x0 + λy0, y0, 0) | λ ∈ IR}. Entonces si ρ ∈ T ∗(IR3 × IR3)/GE tal que J(x0, x0 + λ0y0, 0, y0) = ρ entonces J−1(ρ) = (J −1(x0 × y0, y0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 )c.c.(q,p) = {(x0, x0 + λy0, 0, y0) | λ ∈ IR}. 4. (q, p) ∈ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 , (q, p) = (x0, x0 + λ0y0, y0, β0y0), y0 6= 0. En este caso J(x0, x0 + λ0y0, y0, β0y0) = (x0 × (y0 + β0y0, y0 + β0y0). En el caso en que β0 = −1, (q, p) = (x0, x0 + λ0y0, y0, −y0) y J(x0, x0 + λ0y0, y0, −y0) = (0, 0) y entonces se corresponde con el segundo caso. Si ρ ∈ T ∗(IR3 × IR3)/GE tal que J(x0, x0 + λ0y0, y0, −y0) = ρ entonces J−1(ρ) = (J −1(0, 0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 )c.c.(q,p) = {(x0, x0 + λ0y0, y0, −y0)}. Por otro lado, en el caso en que β = 0, (q, p) = (x0, x0 + λ0y0, y0, 0) y J(x0, x0 + λ0y0, y0, 0) = (x0 × y0, y0) y entonces se corresponde con el tercer caso. Si ρ ∈ T ∗(IR3 × IR3)/GE tal que J(x0, x0 + λ0y0, y0, 0) = ρ entonces J−1(ρ) = (J −1(x0 × y0, y0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 )c.c.(q,p) = {(x0, x0 + λ0y0, y0, 0)}. Supongamos que β 6= −1 y β 6= 0 y llamemos (α0, u0) = x0 × (y0 + β0y0), y0 + β0y0. En este caso J −1(x0 × (y0 + β0y0), y0 + β0y0) = {(q 1, q 2, p1, p2) | q 1 × p1 + q 2 × p2 = x0 × (y0 + β0y0), p1 + p2 = y0 + β0y0}. (22) Se tiene que J −1 ∗ 3 3 (α0, u0) ∩ T (IR × IR )Gx0,y0 = J −1 ∪ J (α0, u0) ∩ −1 Tx10,y0 (α0, u0) ∩ Tx20,y0 ∪ J −1(α0, u0) ∩ Tx30,y0 . a) J −1(α0, u0) ∩ Tx10,y0 = J −1(α0, u0) ∩ {(x0, x0 − y0, 0, 0)} = ∅ pues y0 6= 0 y β0 6= −1. b) J −1(α0, u0) ∩ Tx20,y0 = J −1(α0, u0) ∩ {(x0, x0 + λy0, 0, y0) | λ ∈ IR} = ∅ pues y0 6= 0 y β0 6= 0. c) J −1(α0, u0) ∩ Tx30,y0 = J −1(α0, u0) ∩ {(x0, x0 + λy0, y0, βy0) | λ, β ∈ IR}. De (15) y (22) se ve que x0 × y0 + (x0 + λy0) × βy0 = x0 × (y0 + β0y0) y0 + βy0 = y0 + β0y0. De la segunda ecuación y del hecho que y0 6= 0 se ve que β = β0 y entonces se tiene que J −1(α0, u0) ∩ Tx30,y0 = {(x0, x0 + λy0, y0, β0y0) | λ ∈ IR}. Por lo tanto juntando (a), (b) y (c) se tiene que J −1(x0 × (y0 + β0y0), y0 + β0y0) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 = {(x0, x0 + λy0, y0, β0y0) | λ ∈ IR}. Entonces si ρ ∈ T ∗(IR3 × IR3)/GE tal que J(x0, x0 + λ0y0, y0, β0y0) = ρ entonces J−1(ρ) = (J −1({(x0, x0 + λy0, y0, β0y0) | λ ∈ IR}) ∩ T ∗(IR3 × IR3)Gx0,y0 )c.c.(q,p) = {(x0, x0 + λ0y0, y0, β0y0) | λ ∈ IR}. Referencias [1] Abraham, R.; Marsden, J., ”Foundations of Mechanics”, 1978. The Benjamin/Cummings Publishing Company. [2] Ortega, J. P.; Ratiu, T., ”The Optimal Momentum Map”, 2002. [3] Ortega, J. P.; Ratiu, T., ”Momentum Maps and Hamiltonian Reduccion”, 2004. Birkhuser.