Введение
В последнее десятилетие одним из активно исследуемых объектов геометрии контактных пространств являются так называемые контактные гамильтоновы векторные поля - контактные аналоги гамильтоновых систем симплектического многообразия (см. [1-3]). Условия интегрируемости контактного гамильтонова векторного поля сопряжены с особенностями лежандрова слоения, определяемого контактной структурой [1-4]. Как показано в предлагаемой работе, интересным с точки зрения приложения гамильтоновых систем к неголономной механике является исследование почти контактных структур
, для которых векторные расслоения
оснащены допустимой симплектической структурой, отличной от структуры, порождаемой формой
.
Настоящая работа посвящена применению дифференциальной геометрии почти контактных метрических пространств к изучению движения неголономных динамических систем. Динамические системы с одной неинтегрируемой линейной связью интерпретируются как неголономные гамильтоновы системы, заданные на векторном расслоении, допускающим естественное вложение в кокасательное расслоение пространства конфигураций. В римановом случае изучаемые в работе конструкции опираются на структуру почти контактного метрического пространства. В своих исследованиях мы следуем В.В. Вагнеру [5], делая упор на использовании внутренней геометрии почти контактных пространств [6]. Основным объектом исследования являются неголономные гамильтоновы системы, уравнения которых в специальных координатах имеют следующий вид [5]:
(1)
Движение системы в рассматриваемом случае интерпретируется как движение точки в пространстве конфигураций по геодезической неголономного многообразия [5]. При интегрировании уравнений движения системы, Вагнер использует геометрические свойства соответствующего неголономного многообразия, подбирая такую систему координат, в которой уравнения движения принимают наиболее простой вид. Опираясь на конструкции Вагнера и используя теорему Нетер [7, 8], продолженную нами на неголономный случай, мы вычисляем первые интегралы, понижая, тем самым, размерность области определения гамильтоновой системы. Другими словами, мы предлагаем геометрическую интерпретацию неголономной гамильтоновой механики, принципы построения которой соответствуют методам, используемым Вагнером в неголономной геометрии. Заметим, что теорема 4 настоящей работы позволяет строить формализм неголономной гамильтоновой механики, не обращаясь к преобразованиям Лежандра и оставаясь в пределах геометрии почти контактных метрических пространств.
Работа состоит из двух разделов, в первом из которых определяется допустимая гамильтонова система как аналог контактного гамильтонова векторного поля для случая почти контактной структуры. Во втором разделе доказывается теорема, продолжающая известный результат Нетер на неголономный случай и заключающая в себе метод нахождения первых интегралов допустимой гамильтоновой системы. Приводится пример построения первых интегралов для механической системы, исследование которой другими средствами проведено в работах [9-12].
Допустимые гамильтоновы системы
Пусть X – гладкое многообразие нечетной размерности n. Все многообразия, тензорные поля и другие геометрические объекты предполагаются гладкими класса
. Почти контактной метрической структурой на X называется совокупность
тензорных полей на X, где
- тензор типа (1, 1), называемый структурным эндоморфизмом,
и
- вектор и ковектор, называемые, соответственно, структурным вектором и контактной формой, g – (псевдо) риманова метрика. При этом
,
,
,
,
,
.
Кососимметрический тензор
называется фундаментальной формой структуры. Многообразие, на котором фиксирована почти контактная метрическая структура, называется почти контактным метрическим многообразием. В случае, когда
, почти контактная метрическая структура называется контактной метрической структурой. Пусть D - гладкое распределение коразмерности 1, определяемое формой
,
- его оснащение. Если ограничение формы
на распределении D дает невырожденную форму, то в этом случае вектор
однозначно определяется из условий
,
и называется вектором Риба. Будем называть распределение D распределением почти контактной метрической структуры. Рассмотрим, далее, векторное расслоение
, тотальное пространство D которого является гладким распределением контактной метрической структуры. В работе [9] было показано, что кривые, определяемые уравнениями (1), являются проекциями интегральных кривых векторного поля, названного геодезической пульверизацией связности над распределением. Хорошо известно, что в случае
геодезическая пульверизация совпадает с гамильтоновой системой, естественным образом возникающей на касательном расслоении риманова многообразия. Существует несколько подходов к определению аналога гамильтоновой системы — контактного гамильтонова векторного поля на многообразии с контактной метрической структурой [1-4]. В настоящей работе мы определяем аналог контактного гамильтонова векторного поля таким образом, чтобы введенное понятие имело смысл не только в случае контактной структуры. Необходимые сведения о внутренней геометрии почти контактных метрических пространствах содержатся в [6].
Карту 

многообразия X будем называть адаптированной к распределению D, если
. Пусть
- проектор, определяемый разложением
, и
- адаптированная карта. Сохраним то же обозначение P и для соответствующего отображения модулей векторных полей:
. Векторные поля
линейно независимы и в области определения соответствующей карты порождают распределение D:
. Таким образом, мы имеем на многообразии X неголономное поле базисов
и соответствующее ему поле кобазисов
. Непосредственно проверяется, что
, где компоненты
образуют так называемый тензор неголономности [5]. Если потребовать, чтобы во всех используемых адаптированных картах выполнялось
, то, в частности, окажется справедливым равенство
, где
. Адаптированным будем называть также базис
, как базис, определяемый адаптированной картой. Заметим, что имеет место равенство
.
Тензорное поле, заданное на почти контактном метрическом многообразии, назовем допустимым (к распределению D), если оно обращается в нуль каждый раз, когда его векторный аргумент принадлежит оснащению
, а ковекторный аргумент коллинеарен форме
. Координатное представление допустимого тензорного поля типа
в адаптированной карте имеет вид:
.
Так, в частности, под допустимым векторным полем будем понимать такое векторное поле, все значения которого лежат в распределении D, а под допустимой 1-формой будем понимать всякую 1-форму, обращающуюся в нуль на оснащении
. Понятно, что всякая тензорная структура, заданная на многообразии X, определяет на нем единственную допустимую тензорную структуру того же типа. Форма
является допустимой 2-формой. Пусть, далее
- допустимая замкнутая внешняя 2-форма максимального ранга. В общем случае
. Будем называть
допустимой симплектической структурой. Под контактным гамильтоновым векторным полем, ассоциированным с функцией f, в [13] понималось единственное векторное поле
, удовлетворяющее равенствам
,
. Рассмотрим более общий случай, заменяя форму
на произвольную допустимую симплектическую структуру
.
Теорема 1. Пусть
- допустимая симплектическая структура, f - гладкая функция на многообразии X. Тогда существует единственное векторное поле
, такое, что
,
.
Доказательство. В адаптированных координатах равенства 1, 2. Примут вид, соответственно,
и
.
Тем самым, искомое векторное поле однозначно определяется равенством
(2)
Первое слагаемое в правой части (2) назовем обобщенной допустимой гамильтоновой системой.
Пусть теперь
- внутренняя связность [14-16] почти контактного метрического многообразия с коэффициентами
. На пространстве D векторного расслоения
каждой адаптированной карте
многообразия X соответствует сверхкарта
, где
- координаты допустимого вектора в базисе
,
. В дальнейшем координаты
будем обозначать
(как и соответствующие координаты на многообразии X). Как показано в [17-30], задание внутренней связности
влечет разложение распределения
в прямую сумму
, где VD - вертикальное распределение, а HD - горизонтальное распределение, порождаемое векторными полями
.
Векторное поле
на многообразии D назовем полупульверизацией, если выполняется условие
. Локальное представление поля
в адаптированных координатах имеет вид:
.
Интегральные кривые поля определяются системой уравнений, равносильной системе
,
.
Полупульверизацию
будем называть пульверизацией, если она удовлетворяет дополнительному условию
, где
- поле Лиувилля на D. Имеет место
Теорема 2 [10]. Внутренняя связность определяет пульверизацию
, координатное представление которой имеет вид:
, где
.
Следующая теорема указывает на возможность использования пульверизации в геометрии неголономной механики.
Теорема 3 [10]. Проекции интегральных кривых поля
совпадают с геодезическими внутренней связности.
Как показано в работе [10], в случае, когда исходная контактная метрическая структура К-контактна, на многообразии D естественным образом определяется почти контактная метрическая структура, фундаментальной форма которой задает допустимую гамильтонову систему с подходящим гамильтонианом, совпадающую с геодезической пульверизацией.
О первых интегралах допустимой гамильтоновой системы
Пусть теперь
- векторное расслоение, где
,
. Как обычно, мы полагаем, что
,
- дополнительное одномерное распределение. Пусть, далее,
допустимая симплектическая форма и H - гамильтониан допустимой гамильтоновой системы
. В частном случае, когда
, в соответствии с (2) получаем
(3)
Заметим, что обращение в нуль
не зависит от выбора адаптированной системы координат. Допустимую гамильтонову систему (ДГС) для случая (3) будем называть полубазисной допустимой гамильтоновой системой (ПДГС).
Теорема Дарбу обеспечивает существование такой адаптированной системы координат, относительно которой уравнения (3) могут быть переписаны в следующем виде:
,
(4)
.
В равенстве (4)
,
. Наряду с векторным расслоением
рассмотрим векторное расслоение
слои
которого в каждой точке x состоят из допустимых 1-форм в соответствующей точке. Всякой адаптированной карте
многообразия X соответствует сверхкарта
на многообразии
такая, что
, где
,
,
. Помимо голономного базисов
,
,
на
поле неголономных базисов
,
,
. Векторные поля
,
определяют локальную голономную систему координат в распределении
. Определим 1-форму
с помощью равенства
, где
. В адаптированных координатах форма
получает следующее координатное представление:
. Её дифференциал
задает на
допустимую симплектическую структуру (допустимую к
), для которой всякая адаптированная сверх карта является канонической:
. Пусть D - почти контактное метрическое пространство. Рассмотрим на
гладкую функцию
. Ей будет соответствовать ДГС
с компонентами
,
. Уравнения интегральных кривых поля
примут вид
,
(5)
.
По аналогии с голономным случаем будем называть векторное поле
геодезическим потоком. Справедлива
Теорема 4. Канонические проекции интегральных кривых геодезического потока являются допустимыми геодезическими для почти контактного метрического пространства с допустимой метрикой
.
Доказательство. Для случая, когда
, имеем
(6)
Из (5) и (6) получаем
(7)
Далее,
(8)
Собирая вместе (6), (7), (8), получаем систему
,
(9)
.
Исключая из последней системы P_a, получаем уравнения (1), что и доказывает теорему.
Пусть
- векторное поле такое, что
. Тогда имеет место
Теорема 5. Существует и притом единственное векторное поле
такое, что
,
.
Доказательство. Условия
,
, влекут выполнение равенства
. Коэффициенты
находим из условия
.
Как следствие теоремы 5, получаем
Теорема 6. Пусть
- допустимая гамильтонова система на
, соответствующая замкнутой форме
. Тогда, если
, где
такое, что
,
, то
- первый интеграл
.
Доказательство. Имеем,
.
Что и доказывает теорему.
Для случая ПДГС аналогичный результат получен в [13]. Отдельные аспекты геометрии распределения и кораспределения почти контактной метрической структуры рассмотрены в работах [31-42] (см., также, [43-64]).
Ниже приводится пример, иллюстрирующий использование теоремы Нетер, продолженной на случай почти контактного пространства, для построения первых интегралов допустимой гамильтоновой системы.
Пример. Пусть пространство
является конфигурационным пространством движения материальной точки, подчиненного неголономной связи с кинетической энергией, задаваемой метрикой

Движение точки осуществляется по геодезическим допустимой связности к распределению D, порождаемому векторными полями
,
. При этом векторное поле
определяет ортогональное оснащение
распределения D. Адаптированная система координат является ортонормированной, отсюда следует, что гамильтониан динамической системы с неинтегрируемой связью определяется равенством
. Система (9) в нашем случае принимает вид
(10)
Векторное поле
в соответствии с теоремой 6, задает первый интеграл
системы (10).