| Περίληψη: | Η μελέτη συνήθων διαφορικών εξισώσεων συχνά χρησιμοποιεί μεθόδους γνωστές από την κλασική
Μηχανική. Η πιο γνωστή από αυτές ϕέρει το όνομα του εμπνευστή της, του Ιρλανδού Sir William Rowan Hamilton (1805 - 1865), κι αποτελεί μία μαθηματικά πλήρη ϑεωρία για τα λεγόμενα συστήματα Hamilton. Πρόσφατα, όμως, δομές τύπου Hamilton άρχισαν να μελετώνται και σε συστήματα μερικών διαφορικών εξισώσεων, συγκεκριμένα εξισώσεων εξέλιξης. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάπτυξη της ϑεωρίας Hamilton για τα συστήματα αυτά και ιδιαίτερα για τις
περιπτώσεις εκείνες που εμφανίζουν ολοκληρωσιμότητα.
Η γραμμή που ϑα ακολουθήσουμε έχει ως κύριο οδηγό τις συμμετρίες των διαφορικών εξισώσεων, ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο για την επίλυση οποιασδήποτε διαφορικής εξίσωσης, που πρώτος ανέδειξε ο Νορβηγός Marius Sophus Lie (1842 - 1899). Στο πρώτο κεφάλαιο λοιπόν γίνεται μία εισαγωγή στην ϑεωρία των (γεωμετρικών) συμμετριών, ενώ επίσης παρουσιάζονται τρόποι επίλυσης
και γενικότερα αντιμετώπισης ξεχωριστά συνήθων και μερικών διαφορικών εξισώσεων με την χρήση των ομάδων συμμετρίας τους.
Το δεύτερο κεφάλαιο ϕιλοδοξεί να αναδείξει την αντιστοιχία μεταξύ των συμμετριών ενός συστήματος διαφορικών εξισώσεων και των νόμων διατήρησης στους οποίους υπακούει το ϕυσικό σύστημα που περιγράφουν. Αυτό είναι και το περιεχόμενο του ϑεωρήματος που διατύπωσε η Γερμανίδα
Amalie Emmy Noether (1882 - 1935), το οποίο ισχύει και στην ειδική περίπτωση των συστημάτων Hamilton. Το πρώτο, λοιπόν, ϐήμα προς αυτήν την κατεύθυνση είναι η επέκταση της έννοιας της συμμετρίας στις λεγόμενες γενικευμένες συμμετρίες, με ιδιαίτερη έμφαση στις εξισώσεις εξέλιξης. Το δεύτερο είναι ουσιαστικά μια μικρή εισαγωγή στην ϑεωρία μεταβολών, απαραίτητη όμως και
για τα επόμενα κεφάλαια.
Την γνωστή ϑεωρία Hamilton για πεπερασμένα συστήματα, συστήματα δηλαδή συνήθων διαϕορικών εξισώσεων πραγματεύεται το τρίτο κεφάλαιο. Σκοπός του κεφαλαίου αυτού δεν είναι η πλήρης περιγραφή της ϑεωρίας, αλλά η διατύπωση των εννοιών εκείνων που μπορούν να γενικευτούν και στην περίπτωση των απειροδιάστατων συστημάτων. Για τον λόγο αυτό έχει προτιμηθεί η κάπως πιο αφηρημένη και σίγουρα όχι τόσο συνηθισμένη περιγραφή στο πλαίσιο της γεωμετρίας Poisson. Αντιμετωπίζοντας τις συμπλεκτικές δομές, οι οποίες επικρατούν στην ϐιβλιογραφία, ως μια υποπερίπτωση των γενικότερων δομών Poisson, έχουμε ουσιαστικά αποφύγει τελείως την χρήση διαφορικών μορφών, στρέφοντας περισσότερο την προσοχή στις ομάδες συμμετρίας Hamilton,
μία έννοια-κλειδί για την ολοκληρωσιμότητα των συστημάτων αυτών.
Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζουμε το κεντρικό ϑέμα αυτής της εργασίας, δηλαδή τη ϑεωρία Hamilton για απειροδιάστατα συστήματα εξισώσεων εξέλιξης, και ειδικότερα την ολοκληρωσιμότητα τους. Τα ϐασικά μας εργαλεία είναι αυτά που παρουσιάστηκαν νωρίτερα, δηλαδή οι (γενικευμένες)
συμμετρίες και οι νόμοι διατήρησης από την μια, και τα διανυσματικά πεδία Hamilton από την άλλη που μας επιτρέπουν την μεταξύ τους αντιστοιχία. Με ϐάση αυτά τα εργαλεία ϐλέπουμε πως η μελέτη πολλών μερικών διαφορικών εξισώσεων ϑυμίζει εκείνων των κλασικών συστημάτων Hamilton της Μηχανικής.
Στην παραπάνω αντιστοιχία ϐασίζεται και η έννοια των δι-Χαμιλτονικών συστημάτων, την οποία μελετάμε στο πέμπτο κεφάλαιο. Μέσα από το παράδειγμα της εξίσωσης Korteweg-de
Vries αναδεικνύονται τα πλεονεκτήματα της εύρεσης δύο διαφορετικών, ανεξάρτητων εκφράσεων Hamilton, που οδηγούν στην κατασκευή άπειρων συμμετριών ή ακόμα και νόμων διατήρησης. Η διπλή αυτή
δομή Hamilton των απειροδιάστατων συστημάτων συνδέεται, όπως ϑα δούμε, με την ολοκληρωσιμότητα είτε με την έννοια του Liouville, είτε με διάφορα άλλα κριτήρια. Γνωστά παραδείγματα παραθέτονται, πέρα από την KdV, όπως η εξίσωση Schroedinger, η modified KdV, κι άλλες μη γραμμικές κυματικές εξισώσεις.
Στο έκτο και τελευταίο κεφάλαιο παρουσιάζουμε την περίπτωση, όπου ένα σύστημα επιδέχεται πολλαπλή δομή Hamilton. Τέτοιου είδους συστήματα μας επιτρέπουν να δούμε προϋπάρχουσες έννοιες από την ϑεωρία Hamilton, αλλά κι όχι μόνο, κάτω από μία άλλη σκοπιά. Γι΄ αυτό κι έχουν απασχολήσει την σύγχρονη ϐιβλιογραφία, πάνω στην οποία κάνουμε μία σύντομη επισκόπηση, τόσο στο κομμάτι εκείνο που ασχολείται με τις πρόσφατες εξελίξεις της ϑεωρίας Hamilton, όσο και με την μελέτη γενικότερα της ολοκληρωσιμότητας των μερικών διαφορικών εξισώσεων.
|
|---|
