توضیحاتی در مورد کتاب :
ایده اختصاص یک کتاب کامل به این موضوع در یکی از این موضوعات متولد شد
کارگاه های آموزشی در مورد فرآیندهای غیرخطی و آشفته در فیزیک در حال برگزاری است
به طور منظم در کیف به استثنای E. D. Siggia و N. Ercolani، همه نویسندگان
از این مجلد در سومین کارگاه آموزشی شرکت کردند. همه آنها
با یکدیگر و با کار یکدیگر آشنا بودند. با این حال به نظر می رسید
تا حدودی کشفی باشد که همه آنها در تلاش برای درک آن بوده و هستند
مشکل مشابه - مشکل یکپارچگی سیستم های دینامیکی، در درجه اول
هامیلتونی با بی نهایت درجه آزادی. شکی نیست که
آنها (یا به عبارت دقیقتر، ما) با فرآیند منطقی علمی به این سمت هدایت شدند
تکامل که اغلب به اکتشافات مستقل و تقریباً همزمان منجر می شود.
معادلات انتگرال پذیر، یا به طور دقیق تر، دقیقاً قابل حل، ضروری هستند
فیزیک نظری و ریاضی. می توان گفت که آنها را تشکیل می دهند
"هسته ریاضی" فیزیک نظری که هدف آن توصیف واقعی است
سیستم های کلاسیک یا کوانتومی به عنوان مثال، نظریه گاز جنبشی ممکن است در نظر گرفته شود
نظریه ای از سیستمی باشد که به طور پیش پا افتاده ای قابل ادغام است: سیستم کلاسیک
ذرات غیر متقابل یکی از وظایف اصلی الکترودینامیک کوانتومی است
توسعه یک نظریه یک سیستم کوانتومی آشفته یکپارچه، یعنی،
میدان های الکترومغناطیسی و الکترون-پوزیترونی بدون تعامل معروف دیگر
مثال این است که در فیزیک حالت جامد که در آن معادلات خطی یک سیستم را توصیف می کنند
اسیلاتورهای آزاد که نشان دهنده اتم های متصل به یکدیگر توسط الاستیک خطی هستند
نیروها از سوی دیگر، نیروهای غیرخطی معادلات غیرخطی برای این به دست می دهند
سیستم
سیستمهای غیرخطی یکپارچهپذیر در اوایل قرن هجدهم کشف شدند.
در آن زمان فقط تعداد کمی شناخته شده بودند و هیچ درک واقعی از آنها نداشتند
ویژگی ها و راه حل ها حال اما صحيح است كه بگوييم غير ممكن است
اهمیت آنها را در توسعه همه حوزه های علم بیش از حد ارزیابی کنند.
از جمله کاربردهای آنها مشکل ادغام پذیری است که برای حرکت ایجاد می شود
یک ذره در یک میدان مرکزی، مرتبط با فیزیک اتمی و هسته ای. را
مشکل حرکت یک ذره در میدان های دو مرکز کولن اساسی است
به مکانیک سماوی و فیزیک مولکولی. همچنین در مولکولی و هسته ای
فیزیک یکپارچگی مسئله اویلر برای حرکت یک جسم صلب سنگین
استفاده می شود. توسعه تئوری ژیروسکوپ غیرممکن بود
بدون حل لاگرانژ یک بالای متقارن در یک میدان گرانشی. فقط یکی
از سیستمهای کلاسیک غیرخطی انتگرالپذیر، یعنی تاپ Kovalewsky، دارد
هنوز برنامه های فیزیکی مستقیم پیدا نشده است. اما در ریاضیات این مشکل
روش بسط چند مقیاسی، نتایج، همانطور که برای مدلهای انتخاب شده به دست آمده است، هستند
در سطح کلی تر درست است. این را می توان به راحتی در صورت اصل نشان داد
سیستم دارای ساختار همیلتونی است.
چندین نمونه از این نوع را می توان در مقاله V. E. Zakharov یافت
و E. I. Schulman که عمدتاً به یک سؤال کاملاً متفاوت اختصاص دارد: چگونه
آیا می توانیم تعیین کنیم که آیا یک سیستم معین یکپارچه پذیر است یا خیر؟ این مشکل دارد
اخیراً بیشتر و فوری تر شده است و بنابراین به طور کامل مورد توجه قرار گرفته است
در این جلد اساساً سه رویکرد برای حل آن وجود دارد که همه بحث شده است
اینجا آنها از کارهای کلاسیک آغاز شده در قرن گذشته سرچشمه می گیرند. را
رویکرد مورد استفاده در مقاله توسط E.D. Siggia و N. Ercolani و در مشارکت
توسط H. Flaschka، A. C. Newell و M. Tabor اساسا بر اساس کلاسیک است
مقاله S. Kovalewskaya در مورد یکپارچگی بالا در یک گرانش
زمینه
Kovalewskaya مشاهده کرد که اکثر سیستم های شناخته شده قابل ادغام هستند
از نظر توابع بیضوی و در نتیجه مرومورفیک و در نتیجه یکپارچه شده است
نمی تواند هیچ نقطه حساس متحرکی داشته باشد. این شرایط خاص از
عدم وجود نقاط بحرانی متحرک متعاقباً منجر به معادله انتگرال پذیر برای
بالای کووالوسکی ایده Kovalewskaya بیشتر توسط Painleve دنبال شد. این
روش بررسی یکپارچگی معادلات از طریق تجزیه و تحلیل از
ترتیب نقاط بحرانی محلول های آنها در صفحه مختلط را می گویند
تست پین لیو در مشارکت فلاشکا، نیول، و تابور پین لیو
آزمون بر روی معادلات دیفرانسیل جزئی استفاده می شود و ثابت شده است که یک ابزار قدرتمند است.
این نه تنها امکان تأیید یکپارچگی سیستم ها را فراهم می کند، بلکه در مورد a
پاسخ مثبت، به یافتن نمایندگی Lax آنها به عنوان یک سازگاری کمک می کند
شرایط (تحمیل شده بر یک سیستم خطی بیش از حد تعیین شده)، تقارن ها، و هیروتا
فرم دو خطی
یکی از نکات برجسته سومین کارگاه آموزشی در کیف، تظاهرات بود
(توسط A. C. Newell) از قدرت تست Painleve همانطور که برای یکپارچه سازی اعمال می شود
سیستم یافت شده توسط A. V. Mikhailov و A. B. Shabat. شایان ذکر است که با وجود
از تمام پیشرفت های تست Painleve هیچ اطمینان مطمئنی برای سیستم ها وجود ندارد
این تست را راضی نمی کند تا قطعا غیر قابل ادغام باشد. همچنین باید اضافه شود
که تحقیقات بیشتری برای ارائه یک ریاضی قوی تر مورد نیاز است
پایه و اساس این روش بسیار مفید و موفق است.
مقاله بعدی این جلد از A. V. Mikhailov، V. V. Sokolov و
A. B. Shabat. آنها یک رویکرد تقارن نشات گرفته از معروف توسعه می دهند
سوفوس دروغ. سوال مطرح شده این است که یک کلاس جزئی تحت چه شرایطی قرار می گیرد
معادلات دیفرانسیل یک گروه غیرمعمول از تبدیلهای تقارن محلی را میپذیرند
(بسته به تعداد محدودی از مشتقات). در موارد مورد بررسی
نویسندگان موفق به ساخت یک طبقه بندی کامل از سیستم های دارای
تقارن ها آنها همچنین ثابت می کنند که وقتی چند تقارن وجود دارد، نتیجه آن است
در واقع تعداد نامتناهی از آنها وجود دارد. لازم به ذکر است که در این مقاله
نه تنها سیستم های همیلتونی بلکه اتلاف کننده نیز در نظر گرفته می شوند که نمی توانند
به معنای کلاسیک ادغام پذیر باشند اما ممکن است C-integrable باشند، یعنی ممکن است باشند
با تغییر متغیرها به سیستم های خطی کاهش می یابد.
مقاله V. E. Zakharov و E. I. Schulman بر اساس آثار Poincar6 است.
به جای انتخاب برخی معادلات دیفرانسیل و تبدیل آنها به آنها
نمایش فوریه که در آن عملگرهای دیفرانسیل و شبه دیفرانسیل متفاوت هستند
فقط در توابع ضرایب، یک سیستم همیلتونی از لحاظ ترجمه ای تغییر ناپذیر است
به عنوان نقطه شروع در نظر گرفته شده است. سوال مطرح شده این است که آیا حداقل یک مورد اضافی
حرکت ثابت برای این سیستم وجود دارد. نشان داده شده است که وجود چنین
انتگرال حاکی از نتایج نسبتاً مهمی است که به طور کامل در مقاله مورد بحث قرار گرفته است.
آنها به عنوان محدودیت در سری اغتشاش در مجاورت فرموله شده اند
سیستم های خطی (و به طور پیش پاافتاده قابل ادغام). به ویژه وجود یک
تغییر ناپذیر اضافی حرکت دلالت بر وجود تعداد نامتناهی دارد
ثابت ها این نتیجه با مقاله میخائیلوف، سوکولوف و شابات مطابقت دارد.
یک نتیجه بسیار مهم از این گزارش این است که وجود
مجموعه نامتناهی از متغیرهای حرکت همیشه به معنای یکپارچگی در آن نیست
حس لیوویل ممکن است مجموعه انتگرال ها ناقص باشند. معیارهای موثر برای
شناسایی چنین مواردی ارائه شده است.
سهم A. P. Veselov به سیستم هایی با زمان گسسته و
بنابراین کاربردهای قابل توجهی در فیزیک دارد. در این مقاله مفهوم خاص
یکپارچگی سیستم هایی از این نوع تعریف شده است. مشارکت V.A.
مارچنکو به حل مسئله کوشی معادله KdV اختصاص داده است
(با شرایط مرزی غیر واپاشی در بینهایت) تا حدی خارج از آن قرار دارد
دامنه کلی این جلد با این حال، در اینجا گنجانیده شده است، زیرا
به نظر من گنجاندن یک مقاله کلاسیک از ریاضیات مدرن است
فیزیک تنها می تواند ارزش و زیبایی هر ارائه مرتبط را افزایش دهد
مشکلات
مسکو، اوت 1990
V.E. زاخاروف
فهرست مطالب :
Why Are Certain Nonlinear PDEs Both Widely Applicable
and Integrable? 1
By F. Calogero
Summary 1
Introduction 1
1. The Main Ideas in an Illustrative Context 4
2. Survey of Model Equations 19
3. C-Integrable Equations 33
4. Envoi 56
Addendum 57
References 61
Painleve Property and Integrability 63
By N. Ercolani and E.D. Siggia
1. Background 63
1.1 Motivation 63
1.2 History 64
2. Integrability 64
3. Riccati Example 65
4. Balances 66
5. Elliptic Example 67
6. Augmented Manifold 68
7. Argument for Integrability 69
8. Separability 70
References 72
Integrability 73
By H. Flaschka, A.C. Newell and M. Tabor
1. Integrability 73
2. Introduction to the Method 80
2.1 The WTC Method for Partial Differential Equations 81
2.2 The WTC Method for Ordinary Differential Equations .. 84
2.3 The Nature of φ 86
2.4 Truncated Versus Non-truncated Expansions 89
3. The Integrable Henon-Heiles System: A New Result 90
3.1 The Lax Pair 90
3.2 The Algebraic Curve and Integration
of the Equations of Motion 92
3.3 The Role of the Rational Solutions
in the Painleve Expansions 95
4. A Mikhailov and Shabat Example 97
5. Some Comments on the KdV Hierarchy 98
6. Connection with Symmetries and Algebraic Structure 99
7. Integrating the Nonintegrable 106
References 113
The Symmetry Approach to Classification
of Integrable Equations 115
By АУ. Mikhailov, AB. Shabat and V.V. SoMov
Introduction 115
1. Basic Definitions and Notations 116
1.1 Classical and Higher Symmetries 116
1.2 Local Conservation Laws 121
1.3 PDEs and Infinite-Dimensional Dynamical Systems 123
1.4 Transformations 124
2. The Burgers Type Equations 129
2.1 Classification in the Scalar Case 129
2.2 Systems of Burgers Type Equations 135
2.3 Lie Symmetries and Differential Substitutions 142
3. Canonical Conservation Laws 146
3.1 Formal Symmetries 146
3.2 The Case of a Vector Equation 152
3.3 Integrability Conditions 158
4. Integrable Equations 161
4.1 Scalar Third Order Equations 161
4.2 Scalar Fifth Order Equations 170
4.3 Schrodinger Type Equations 173
Historical Remarks 182
References 183
Integrability of Nonlinear Systems and Perturbation Theory 185
By V.E. Zakharov and Ε J. Schulman
1. Introduction 185
2. General Theory 187
2.1 The Formal Classical Scattering Matrix in the Soliton-
less Sector of Rapidly Decreasing Initial Conditions 187
2.2 Infinite-Dimensional Generalization of Poincare's
Theorem. Definition of Degenerative Dispersion Laws .. 193
2.3 Properties of Degenerative Dispersion Laws 197
2.4 Properties of Singular Elements of a Classical
Scattering Matrix. Properties of Asymptotic States 205
2.5 The Integrals of Motion 209
2.6 The Integrability Problem in the Periodic Case.
Action-Angle Variables 213
3. Applications to Particular Systems 222
3.1 The Derivation of Universal Models 222
3.2 Kadomtsev-Petviashvili and Veselov-Novikov
Equations 227
3.3 Davey-Stewartson-Type Equations.
The Universality of the Davey-Stewartson Equation
in the Scope of Solvable Models 230
3.4 Applications to One-Dimensional Equations 232
Appendix I 236
Proofs of the Local Theorems (of Uniqueness
and Others from Sect.2.3) 236
Appendix Π 244
Proof of the Global Theorem
for Degenerative Dispersion Laws 244
Conclusion 247
References 249
What b an Integrable Mapping? 251
By A.P. Veselov
Introduction 251
1. Integrable Polynomial and Rational Mappings 252
1.1 Polynomial Mapping of C: What Is Its Integrability? ... 252
1.2 Commuting Polynomial Mappings of CN
and Simple Lie Algebras 254
1.3 Commuting Rational Mappings of CPn 257
1.4 Commuting Cremona Mappings of C2 258
1.5 Euler-Chasles Correspondences
and the Yang-Baxter Equation 260
2. Integrable Lagrangean Mappings with Discrete Time 261
2.1 Hamiltonian Theory 261
2.2 Heisenberg Chain with Classical Spins
and the Discrete Analog of the С Neumann System 263
2.3 The Billiard in Quadrics 264
2.4 The Discrete Analog of the Dynamics of the Top 266
2.5 Connection with the Spectral Theory
of the Difference Operators: A Discrete Analogue
of the Moser-Trubowitz Isomorphism 267
Appendix A 269
Appendix В 270
References 270
توضیحاتی در مورد کتاب به زبان اصلی :
The idea of devoting a complete book to this topic was born at one of the
Workshops on Nonlinear and Turbulent Processes in Physics taking place
regularly in Kiev. With the exception of E. D. Siggia and N. Ercolani, all authors
of this volume were participants at the third of these workshops. All of them
were acquainted with each other and with each other's work. Yet it seemed to
be somewhat of a discovery that all of them were and are trying to understand
the same problem - the problem of integrability of dynamical systems, primarily
Hamiltonian ones with an infinite number of degrees of freedom. No doubt that
they (or to be more exact, we) were led to this by the logical process of scientific
evolution which often leads to independent, almost simultaneous discoveries.
Integrable, or, more accurately, exactly solvable equations are essential to
theoretical and mathematical physics. One could say that they constitute the
"mathematical nucleus" of theoretical physics whose goal is to describe real
classical or quantum systems. For example, the kinetic gas theory may be considered
to be a theory of a system which is trivially integrable: the system of classical
noninteracting particles. One of the main tasks of quantum electrodynamics is
the development of a theory of an integrable perturbed quantum system, namely,
noninteracting electromagnetic and electron-positron fields. Another well-known
example is that in solid-state physics where linear equations describe a system
of free oscillators representing atoms connected to each other by linear elastic
forces. On the other hand, nonlinear forces yield nonlinear equations for this
system.
Nonlinear integrable systems were discovered as early as the 18th century.
At that time only a few were known and with no real understanding of their
characteristics and solutions. Now, however, it is correct to state that it is impossible
to overestimate their importance in the development of all areas of science.
Among their applications is the integrable problem arising for the motion
of a particle in a central field, associated with atomic and nuclear physics. The
problem of a particle moving in the fields of two Coulomb centers is fundamental
to celestial mechanics and molecular physics. Also in molecular and nuclear
physics the integrability of the Euler problem for the motion of a heavy rigid body
is used. The development of the theory of gyroscopes would have been impossible
without the Lagrange solution of a symmetric top in a gravitational field. Only one
of the classical nonlinear integrable systems, namely, the Kovalewsky top, has
not yet found direct physical applications. But within mathematics this problem
the multiscale expansion method, the results, as derived for chosen models, are
found to be true on a more general level. This can be shown easily if the original
system possesses a Hamiltonian structure.
Several examples of this type may be found in the paper by V. E. Zakharov
and E. I. Schulman which is primarily devoted to a quite different question: how
can we determine whether a given system is integrable or not? This problem has
recently become more and more urgent, and is therefore thoroughly addressed
in this volume. There are essentially three approaches to solving it, all discussed
here. They originate from classical work initiated in the previous century. The
approach used in the paper by E. D. Siggia and N. Ercolani and in the contribution
by H. Flaschka, A. C. Newell and M. Tabor is essentially based on the classic
paper by S. Kovalewskaya discussing the integrability of a top in a gravitational
field.
Kovalewskaya observed that the majority of known integrable systems is
integrated in terms of elliptic and, consequently, meromorphic functions and thus
cannot have any movable critical points. This particular condition of the
nonexistence of movable critical points led subsequently to the integrable equation for
the Kovalewsky top. Kovalewskaya's idea was pursued further by Painleve. This
method of verifying the integrability of equations through an analysis of the
arrangement of critical points of their solutions in the complex plane is called the
Painleve test. In the contribution by Flaschka, Newell, and Tabor the Painleve
test is used on partial differential equations and is proved to be a powerful tool.
It allows not only to verify the integrability of systems but also, in the case of a
positive answer, it helps to find their Lax representation as a compatibility
condition (imposed on an overdetermined linear system), symmetries, and Hirota's
bilinear form.
One of the highlights of the third workshop in Kiev was the demonstration
(by A. C. Newell) of the power of the Painleve test as applied to the integrable
system found by A. V. Mikhailov and A. B. Shabat. It is worth noting that in spite
of all the advances of the Painleve test there is no reliable assurance for systems
not satisfying this test to be definitely nonintegrable. It should also be added
that further research is required to provide an even more solid mathematical
foundation for this quite useful and successful method.
The next paper in the volume is from A. V. Mikhailov, V. V. Sokolov, and
A. B. Shabat. They develop a symmetry approach originating from the famous
Sophus Lie. The question posed is under which conditions does a class of partial
differential equations admit a nontrivial group of local symmetry transformations
(depending on a finite number of derivatives). In the cases under consideration the
authors succeed in constructing a complete classification of systems possessing
symmetries. They also prove that when a few symmetries exist it follows that
there are actually an infinite number of them. It should be noted that in this paper
not only Hamiltonian but also dissipative systems are considered which cannot
be integrable in the classical sense but may be C-integrable, i.e., they may be
reduced to linear systems by changing variables.
The paper by V. E. Zakharov and E. I. Schulman is based on Poincar6's works.
Rather than choosing some differential equations and transforming them to their
Fourier representation where differential and pseudo-differential operators differ
only in coefficient functions, a Hamiltonian translationally invariant system is
taken as the starting point. The question posed is whether at least one additional
invariant motion for this system exists. It is shown that the existence of such an
integral implies rather important conclusions, discussed thoroughly in the paper.
They are formulated as restrictions on the perturbation series in the vicinity of
linearized (and trivially integrable) systems. In particular, the existence of an
additional invariant of motion implies the existence of an infinite number of
invariants. This result agrees with the paper by Mikhailov, Sokolov, and Shabat.
An extremely important result of this report is to make clear that the existence
of an infinite set of invariants of motion does not always mean integrability in
Liouville's sense. The set of integrals may be incomplete. Effective criteria for
identifying such cases are presented.
The contribution by A. P. Veselov is devoted to systems with discrete time and
thus has significant applications in physics. In this paper the particular concept
of integrability of systems of this type is defined. The contribution by V. A.
Marchenko devoted to the solution of the Cauchy problem of the KdV equation
(with nondecaying boundary conditions at infinity) lies to some degree outside the
general scope of this volume. It has been incorporated here, however, because
it seems to me that the inclusion of a classic paper of modern mathematical
physics can only increase the value and beauty of any presentation of associated
problems.
Moscow, August 1990
V.E. Zakharov