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¿Las ecuaciones diferenciales corresponden a campos vectoriales, formas diferenciales, o ambos?

Supongamos que tenemos dos poblaciones, uno de los depredadores, el otro de la presa. Deje $x$ denotar el número de presas y $y$ denotar el número de depredadores. Supongamos que hemos elegido el modelo de la subida y la caída en las cifras de población por el de Lotka-Voltera ecuaciones: $$\frac{dx}{dt} = \alpha x - \beta xy, \qquad \frac{dy}{dt} = -\gamma y + \delta xy$$

A mí me parece que existe un campo de vectores interpretación de estas ecuaciones, y también un diferencial de las formas de interpretación.

Para las formas diferenciales punto de vista, trabajamos en tres dimensiones del colector con los ejes de coordenadas etiquetados $x$, $y$ e $t$, y lo que se busca submanifolds cuya cotangente paquetes de satisfacer las siguientes ecuaciones: $$dx = (\alpha x -\beta xy)dt, \qquad dy = (-\gamma y + \delta xy)dt.$$

Otro punto de vista es que debemos trabajar en dos dimensiones del colector con los ejes de coordenadas etiquetados $x$ e $y$ y buscamos curvas integrales del campo de vectores $$(\alpha x - \beta xy)\frac{\partial}{\partial x} + (-\gamma y + \delta xy) \frac{\partial}{\partial y}$$

Pregunta. Son ecuaciones diferenciales campos vectoriales o de formas diferenciales, o ambos? Más en general, ¿cómo es que todo esto funcione?

  1. En el espacio Cartesiano, son ambos puntos de vista igualmente válidos? ¿Por qué son equivalentes?

  2. Cuando trabajamos en suave colectores, son ambos puntos de vista igualmente válidos? Hay un sentido en el que son equivalentes, pero no canónicamente equivalente, una especie de cómo un finito-dimensional espacio vectorial es isomorfo a su doble, pero no en una forma canónica?

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hypernova Puntos 171

Buenas preguntas! Tal y como yo lo veo, una ODA sistema podría encontrar su interpretación por un campo de vectores o de una forma diferenciada. Permítanme tratar de proporcionar una vista mediante el haz de fibras. Espero que esto en parte puede proporcionar algunas respuestas a sus preguntas, y yo también espero con mucho interés a más respuestas de los genios de nuestra comunidad.

En los párrafos siguientes, vamos a centrarnos en el siguiente sistema de educación a distancia $$ \dot{x}^{\mu}(t)=f^{\mu}(t,x^1(t),x^2(t),...,x^n(t)) $$ para $\mu=1,2,...,n$ (me gustaría agradecer a @MoisheCohen por lo que sugiere que esta aclaración).

Deje $M$ ser $n$-dimensiones variedad diferenciable, con $\left\{x^{\mu}\right\}_{\mu=1}^n$ siendo sus coordenadas locales. Deje $P=\mathbb{R}\times M$. Considere el siguiente trivial haz de fibras $\pi:P\to\mathbb{R}$, donde $\mathbb{R}$ sirve como base el espacio con $t$ siendo sus coordenadas local, $M$ desempeña el papel de la fibra, y $P$ se convierte en el espacio total.

Considerar la tangente paquete de $P$, que se denota por a$TP$. Obviamente, $$ \left\{\frac{\partial}{\partial t},\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}:\mu=1,2,...,n\right\} $$ constituye una base de $TP$. Ahora, esperamos que para asignar una conexión en $TP$ buscando directa de la suma de descomposición $TP=HP\oplus VP$, donde $VP$ denota el espacio vertical de $TP$, es decir, $\forall\,p=\left(t,x\right)\in\mathbb{R}\times M=P$, $V_pP=T_x(\pi^{-1}(\pi(p))$, mientras que $HP$ es llamado el espacio horizontal de $TP$.

Tal asignación se podía hacer de dos manera idéntica. Partamos de una interfaz intuitiva. Es obvio que una base para $VP$ podría ser $$ \left\{\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}:\mu=1,2,...,n\right\}, $$ ya que cada uno de estos vectores es tangencial a la fibra. Por lo tanto, es suficiente para construir una base para $HP$. Desde $HP$ es un subespacio de $TP$, su base no es más que una combinación lineal de todos los vectores de la base de $TP$. Desde $TP=HP\oplus VP$ y la base para $VP$ no se incluyen los $\partial/\partial t$, la base de la $HP$ debe de ser no-degeneradas, $\partial/\partial t$ plazo. Por lo tanto trivial elección de la base de vectores es $$ \frac{\partial}{\partial t}+f^{\mu}\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}, $$ donde cada una de las $f^{\mu}$ es una función de $t$ y todos los $x^{\nu}$'s, y la notación de Einstein ha sido empleado. Para resumir, tenemos \begin{align} HP&=\text{span}\left\{\frac{\partial}{\partial t}+f^{\mu}\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}\right\},\\ VP&=\text{span}\left\{\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}:\mu=1,2,...,n\right\}. \end{align} Esta asignación se define una conexión en $P$.

Alternativamente, la tarea podría realizarse también mediante la definición de una $VP$valores diferenciales $1$-forma en $P$, que se denota por a$\omega$, de tal manera que $HP$ es su núcleo y $VP$ es su imagen. Esta $\omega$ es fácil de determinar. Compatible con la base de $HP$ e $VP$ desde arriba, es claro que $$ \omega=\left({\rm d}x^{\mu}-f^{\mu}{\rm d}t\right)\otimes\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}. $$ Uno puede comprobar que su núcleo es exactamente $HP$ definido desde arriba.

Antes de pasar a nuestro sistema de educación a distancia, resumiremos la definición de la horizontal ascensor. Deje $\gamma:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ ser una curva en la base del espacio de $\mathbb{R}$. Una curva de $\sigma:\mathbb{R}\to P$ se denomina horizontal de elevación de $\gamma$ en el espacio total $P$ si $\pi(\sigma)=\gamma$ y su vector tangente $\dot{\sigma}\in HP$.

Ahora, podemos relacionar todos estos argumentos a nuestro sistema de educación a distancia. En coordenadas locales, sin pérdida de generalidad, tome $\gamma(t)=t$. Deje que sus horizontal ascensor ser $\sigma(t)=\left(t,x^1(t),x^2(t),...,x^n(t)\right)$, donde cada una de las $x^{\mu}=x^{\mu}(t)$ está por determinarse. Tenga en cuenta que $\dot{\sigma}$ puede ser tomado como un vector tangente por $$ \dot{\sigma}=\frac{\rm d}{{\rm d}t}=\frac{\partial}{\partial t}+\dot{x}^{\mu}\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}. $$ Por lo tanto la forma de la base de vectores de $HP$, así como la condición de $\dot{\sigma}\in HP$, implica $$ \dot{x}^{\mu}(t)=f^{\mu}(t,x^1(t),x^2(t),...,x^n(t)) $$ para $\mu=1,2,...,n$, que es exactamente nuestro sistema de educación a distancia. Alternativamente, siempre que $\dot{\sigma}\in HP$ es equivalente a $\omega(\dot{\sigma})=0$, tenemos $$ \left({\rm d}x^{\nu}-f^{\nu}{\rm d}t\right)\biggl(\frac{\partial}{\partial t}+\dot{x}^{\mu}\frac{\partial}{\partial x^{\mu}}\biggr)=0 $$ para $\nu=1,2,...,n$, lo que también lleva a nuestro sistema de educación a distancia $$ \dot{x}^{\nu}(t)=f^{\nu}(t,x^1(t),x^2(t),...,x^n(t)). $$

En resumen, la solución a un sistema de educación a distancia $\dot{x}=f$ puede ser tomado como la horizontal de elevación de $\mathbb{R}$ (que es el mismo que el de la curva en $\mathbb{R}$) en el haz de fibras se $P=\mathbb{R}\times M$ cuya conexión es asignado por $f$, donde $x$ es el de coordenadas local de la fibra $M$. En la construcción de la conexión, $f$ parece ser cualquiera de los coeficientes de la combinación lineal de los vectores tangente, o los coeficientes de un diferencial de $1$-forma.

Eso es todo! Espero que esta parte responde a su pregunta. Y espero más respuestas de los genios de nuestra comunidad.

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