SYSTEMATIC MATHEMATICS

辛几何与 Hamilton 动力系统

用 12 个按内容定长单元中的 90 个可见双语章节,从交替线性代数开始,依次建立辛流形、Darboux–Moser 理论、Hamilton 向量场、Poisson 括号、余切丛力学、动量映射与正则约化、Lagrangian 与接触几何、具体可积和受扰动力学、容量与非挤压、有边界的 Floer 基础、伪全纯曲线,以及七份原创可复核档案。每章先用日常语言说明要解决的问题,再定义每个符号与对象,给出一个定理或刻意限定范围的结论,按照论证实际需要展开完整证明路线,指出最近的失效边界,逐步求解一个准确模型,提供配套练习与完整解答,最后用诊断题检查常见误解。阅读每个公式时都从左向右进行:说明每个对象属于哪个空间,声明辛形式与缩并符号,认出每个导数、拉回、括号、商、指标、积分、作用量、能量与辅助选择,再检查维数、缩放、正则性、紧性、横截性、等号和阴性对照。本课绝不把局部 Darboux 坐标升级成整体标准化,不把体积保持混同为辛保持,不把正则商定理套到奇异值,也不把一幅轨道图、一次交点计数、离散复形或小残差称为不变量。本课提供研究准备,而不冒充 KAM 理论、奇异约化、一般接触拓扑、虚拟横截、全部 Hamilton 或 Lagrangian Floer 理论、Gromov–Witten 理论、量子上同调、辛场论或所有博士后前沿的完整构造。

本课程之前: 已完成微分几何与流形、微分拓扑/向量丛/Morse 理论、微分形式/de Rham 上同调/Hodge 理论、代数拓扑、变分法、微分方程与动力系统、Sobolev 空间/分布/弱 PDE,以及非线性椭圆与抛物正则性。不预设已经完整学习辛几何或接触几何、Hamilton 约化、KAM 理论、Floer 同调、伪全纯曲线、Gromov–Witten 理论或量子上同调。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

辛形式既交替又非退化

目标: ω(v,v)=0 是否推出 ω 非退化? 这是按本章定义得到的准确结果,并未提前舍入。

辛形式度量的是有向方向对,而不是长度。非退化表示每个非零向量都能找到与它配对非零的伙伴。 计算前先声明流形或向量空间、维数、系数域、辛形式符号、定向、正则性、紧致性、边界、时间区间,并说明结论是线性的、局部的、整体的、拓扑的、变分的,还是只在选择辅助数据后成立。

逐个把对象读成文字:在实向量空间 V 上,双线性型 ω 若对每个 v 都满足 ω(v,v)=0,就称为交替;等价地,ω(u,v)=−ω(v,u)。若映射 ω♭:V→V*、v↦ω(v,·) 的核为零,就称为非退化。 本章使用的准确陈述是:带非退化交替形式的有限维实向量空间必为偶数维;此时 (V,ω) 称为辛向量空间。 要区分代数恒等式与需要闭性、非退化、紧致性、横截性、正则性、凸性、单调性或紧性定理的结论。

完整证明或诚实限定范围的证明路线是:1. 选择非零 v,并由非退化找到满足 ω(v,w)≠0 的 w。 2. 归一化这对向量,并用辛正交补分离出它们张成的二维空间。 3. 对剩余非退化补空间归纳,每次去掉两个维数。 必须记录每个符号、拉回、原始形式、同痕、边界项、商、正则值、规范、扰动、定向、紧化与等号情形,不能把它们藏在定理名称后面。

重建模型“在 R² 上令 ω((q,p),(Q,P))=qP−pQ,求 ω♭(q,p) 并检验非退化。”。核验结果是:ω♭(q,p) 在对偶坐标中为 (−p,q),其核为 {0},所以 ω 非退化。 最近的失效边界是:奇数维反对称矩阵的行列式为零,因此奇数维交替形式不可能非退化。 相图、有限轨道样本、截断复形、数值作用量、网格或小残差,只能作为所记录模型与容差下的证据;它不证明整体可积性、持久性、紧性、横截性、非挤压或 Floer 理论不变量。

带非退化交替形式的有限维实向量空间必为偶数维;此时 (V,ω) 称为辛向量空间。

选择非零 v,并由非退化找到满足 ω(v,w)≠0 的 w。

归一化这对向量,并用辛正交补分离出它们张成的二维空间。

对剩余非退化补空间归纳,每次去掉两个维数。

在 R² 上令 ω((q,p),(Q,P))=qP−pQ,求 ω♭(q,p) 并检验非退化。

  1. 固定 (q,p),把关于 (Q,P) 的泛函读成 −pQ+qP。
  2. 它在对偶基中的坐标行是 (−p,q)。
  3. 该坐标行只在 q=p=0 时为零。 这是按本章定义得到的准确结果,并未提前舍入。

结果: ω♭(q,p) 在对偶坐标中为 (−p,q),其核为 {0},所以 ω 非退化。