A NNALES DE L ’I. H. P., SECTION A
P HILIPPE D ROZ -V INCENT
Transformations infinitésimales et crochets de Poisson des deux types
Annales de l’I. H. P., section A, tome 5, n
o3 (1966), p. 257-271
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257
Transformations infinitésimales
et
crochets de Poisson des deux types
Philippe
DROZ-VINCENT(Laboratoire
dePhysique théorique,
Institut Henri
Poincaré).
Inst. Henri Poincaré,
Vol. V, n° 3, 1966,
Physique théorique.
SOMMAIRE. - Partant de la notion fondamentale de transformation infini- tésimale
locale,
cet article s’intéresseplus spécialement
aux transformationsqui,
en un sensgénéralisé,
admettent une fonctiongénératrice.
On considère aussi bien les commutateurs et les anticommutateurs de ces
transformations,
non seulement pour retrouver le crochet de Poisson anti-symétrique
bien connu, mais surtout pour mettre en évidence sonanalogue symétrique.
Ce « crochet de Poissonsymétrique »
se trouveengendré
parun anticommutateur.
En vue d’être
capable
de traiter sur le mêmepied
commutateurs et anti- commutateurs, il est nécessaire de faire une restrictionparmi
les transfor-mations infinitésimales. Une
algèbre
de transformations est ainsi définie.On étudie pour ses
propriétés algébriques l’application qui,
aux fonctionsgénératrices,
faitcorrespondre
les transformations infinitésimales.Comme
application
à lamécanique,
on donne une nouvelle version deséquations
hamiltoniennes du mouvement, formulée avec des crochetssymé- triques.
Finalement,
l’alternativepermettant
de construire aussi bien le crochet de Poisson que sagénéralisation symétrique prend l’aspect
d’uneconséquence
de
l’apparition
de structures presquecomplexes
endynamique analytique.
ABSTRACT.
- Starting
from the basic notion of local infinitesimal trans-formation,
this paper is rather concerned with the transformationswhich,
in a
generalized
sense, possess agenerating
functioD.Both commutators and anticommutators of these transformations are
considered,
in order notonly
to restate the well knownantisymmetric
Pois-son
bracket,
but morespecially
to exhibit asymmetric counterpart
of it.This «
symmetric
Poisson bracket » occurs to begenerated by
an anti-commutator. In view of
being
able to treat commutators and anticommu- tators on the samefooting,
it is necessary to make a restriction among infinitesimal transformations. Thus analgebra
of transformations is defined.The
mapping
which relates thegenerating
functions to infinitesimal trans-formations is studied for its
algebraic properties.
As an
application
tomechanics,
a new version of the hamiltonianequations
of motion is
given, involving symmetric
brackets.Finally,
the alternativepossibility
ofconstructing
both the usual Poisson bracket and itssymmetric generalization
is shown to result from the occur-rence of almost
complex
structures inanalytic dynamics.
INTRODUCTION
L’analogie
entre commutateurs et crochets de Poisson esttrop
souvent traitée par lesphysiciens
commequelque
chose d’assez vaguequi
donneune recette
magique
dequantification.
Pourtant cet usage
empirique
duPrincipe
deCorrespondance
peut et doit êtrejustifié
par desdéveloppements mathématiques plus précis.
Différents travaux ont été effectués dans ce sens. La considération de transformations infinitésimales
permet
alors de rattacher le crochet de Poisson à des notionsalgébriques.
Finalement tout s’éclaircit assez bien dupoint
de vuemathématique lorsqu’on
introduitl’algèbre
de Lie des auto-morphismes
infinitésimauxsymplectiques
d’une variétéV2n [1].
Bien que ces
justifications perdent beaucoup
de leurrigueur lorsqu’on
lesétend à des
systèmes
à un nombre infini dedegrés
de liberté[2],
le formalismecanonique
n’en reste pas moins leguide
leplus
naturel et leplus largement invoqué
pour laquantification
deschamps.
Malheureusement,
la théorie deschamps
associés aux fermionsexige
une
quantification
par anticommutateurs.Or,
le crochet de Poissonclassique,
étantantisymétrique
par rapport aux variablesdynamiques qui
yfigurent,
conduit seulement à des relations de commutation. D’où le besoin de trouver unobjet symétrique analogue
aucrochet de Poisson.
INFINITÉSIMALES
Le travail
exposé
ici met enévidence,
sous réserved’hypothèses
trèsgéné- rales,
l’existence et la constructionexplicite
d’unanalogue symétrique
ducrochet de
Poisson,
avec despropriétés algébriques
le rattachant à un anti- commutateur. Paresprit
d’unité on étendra à ce nouvelobjet
le terme decrochet de Poisson et on s’efforcera de traiter de
façon
simultanée et compa- rée le crochetclassique
et le nouveau.Le
parallélisme
entre lesaspects symétrique
etantisymétrique
serasysté-
matisé. En
particulier
on retrouveraau §
8 leséquations canoniques
hamil-toniennes
classiques
en même temps que les formuleséquivalentes
écritesau moyen du crochet
symétrique.
Dans le formalisme
symétrique,
la notion d’anneauspécial
de Jordansemble être la
contrepartie
de celled’algèbre
de Lie.Toutefois,
il fautfaire,
sur les transformations infinitésimalesqui permet-
tent
d’engendrer
le crochetsymétrique,
une restrictionimportante qui
n’estpas du tout nécessaire à propos du crochet
antisymétrique
habituel.Enfin,
il faut noter que l’introduction enMécanique analytique
d’un cro-chet de Poisson
symétrique
estpermise
essentiellement par l’existence d’un espace desphases
doué d’une structuregéométrique plus
riche que cellequ’on
luiprête
usuellement.1. - CADRE
GÉOMÉTRIQUE. NOTATIONS
On considère une variété differentiable
Vm
de classeCco ;
de dimension m.En tout
point x
on introduitl’espace tangent complexifié Tm(x).
Les coordonnées locales sont notées
xI,
1 =1, 2,
..., m.La
conjugaison complexe
des nombres estindiquée
par*,
tandis que rdésigne
laconjugaison complexe
des tenseurs.Dans le cas, assez
spécial,
où m = 2n et oùV2n
est munie d’une structure presquecomplexe
onpeut envisager
desrepères complexes. Lorsqu’il s’agit
d’une structure
analytique complexe
onpeut
même utiliser des coordonnéescomplexes.
Elles sont alors notées ZI et vérifient
La
plupart
des calculs étant valables aussi bien en coordonnées réelles que(s’il
y alieu) complexes,
onemploiera y1 quand
on voudra éviter despécifier
si la variété
Vm
admet ou non une structureanalytique complexe
et si lescoordonnées sont
complexes
ou réelles.Le
symbole v-1
sera une abréviation deIl n’est pas inutile d’écrire dès maintenant l’identité
2. - TRANSFORMATIONS
INFINITÉSIMALES
On sait
qu’un champ
de vecteurs(défini
sur un ouvert U deVm)
définitune transformation infinitésimale locale des fonctions de
point
à valeursdans C.
Alors
qu’une
telle transformation est dupremier
ordre parrapport
aux dérivées de lafonction f (x) considérée,
leproduit
de deux de ces transfor- mations est engénéral
du second ordre différentiel.Cet inconvénient s’élimine
lorsqu’on
ne s’intéressequ’aux
commutateurs destransformations,
mais on se propose ici uneplus grande généralité algébrique.
Pour se ramener au
premier
ordredifférentiel,
on est donc conduit à selimiter aux fonctions
f (x)
telles queles dérivées covariantes
Di
étantprises
dans une certaine connexion rsupposée
donnée.Pour des raisons de fermeture
algébrique
onfera jouer
un rôleparticulier
aux
champs
de vecteurs AI tels queN. B.
- Lorsque
r est une connexionplate,
les conditions(2)
et(3) impo-
sent
simplement à f et
AI d’être auplus
linéaires parrapport
aux coordon- néesqui
annulent les coefficients de r.Définition.
Les transformations infinitésimales locales vérifiant(3)
etastreintes à
n’opérer
que sur des fonctions vérifiant(2)
seront ditestransfor-
mations
infinitésimales
restreintes(t.
i.r.).
Cette notion est manifestement relative au choix
préalable
d’uneconnexion.
Lorsque V,n possède
une structure riemannienne ou kâhlérienne il y aautomatiquement
une connexion riemannienneprivilégiée.
THÉORÈME. 2014 Soit TI l’ensemble des t. i. r. définies sur un ouvert U de
V.,,,
13 est unealgèbre
sur C.261
CROCHETS DE POISSON
En
effet,
la seule chose non triviale à montrer est que, si A E 13 et B E b alors AB e l3. Posons C = AB.Comme les BI vérifient la condition
(3), DJCK
se réduit àDJALDLBK,
doncet C vérifie
(3).
3. -
TRANSFORMATIONS INFINITÉSIMALES
ET
CONJUGAISON COMPLEXE
Étant
donné unchamp aI(x)
on connaît pour tout x le vecteur cequi
définit de
façon
triviale lechamp conjugué.
Si f
est une fonction de x à valeurs dans CSi a et b sont des t. i. r.
Par ailleurs Donc
(5)
Ainsi,
bien queT n’est pas une
adjonction.
Il aurait fallu pour cela avoir =«b)«a)
cequi
estimpossible,
’6 n’étant pas unealgèbre
commutative.4. -
GÉNÉRATION
DE
TRANSFORMATIONS INFINITÉSIMALES
Étant
donné un tenseur contravariant M(sans symétrie
apriori)
on diraque AI est
engendré
par lafonction A(x)
selonM, lorsqu’il
existeA(x)
telleque
N. B. - Dans le cas
particulier
où M estantisymétrique
et si l’ondispose
d’un élément de
volume,
cette notionpeut
être rendueindépendante
de laconnexion en utilisant des densités tensorielles au lieu de tenseurs.
Pour
simplifier
la suite on supposeratoujours
que M est à dérivée cova-riante nulle dans r :
Cette
hypothèse
n’est pas du tout aussi restrictivequ’il
semblerait àpremière
vue, car,
jusqu’ici
le choix de la connexion avait été laissé arbitraire.D’après (7)
on auraLa condition
est suflisante pour que A
engendre
un élément de ’6.Quand
detM # 0,
cette condition
(8)
estégalement
nécessaire.Enfin,
on voit que dans le cas d’une connexionplate (8) impose simple-
ment à A d’être au
plus quadratique
parrapport
aux coordonnéesqui
annu-lent les coefficients de connexion.
HYPOTHÈSE DE SYMÉTRIE. - Dans la suite on supposera que M est soit
symétrique,
soitantisymétrique (::1:: symétrique),
c’est-à-dire en notant ~ latransposition (MKL
=MLK)
Si alors on se sert de M pour élever les
indices,
il vientquels
que soientU~
et
V1 l’identité
Enfin,
il résulte de(7) qu’élévation
d’indice et dérivation D sont desopéra-
tions
permutables.
Étant
donné deux transformations infinitésimales a et b on poseraCette
expression peut
êtreappelée
le ji commutateur(anticommutateur
ou commutateur selon
qu’on
choisit lesigne
+ ou-).
On conviendra de
prendre toujours
le mêmesigne
que dans(9).
De
plus,
dans tout cequi
suit r estsupposée symétrique (torsion nulle).
263
CROCHETS DE POISSON
THÉORÈME DU CROCHET DE POISSON. - Si A et B
engendrent respectivemen t
les t. i. r. aet b,
alors latransformation [a, b] ~
estengendrée
parCe résultat est
classique lorsqu’on prend
lesigne
-. Il définit alors le crochet dePoisson { A, B }
=Par extension nous
emploierons
ce terme aussi dans le cas dusigne
-i-.On posera
ou
encore { A, B }
s’iln’y
a pasd’ambiguïté possible.
Démonstration. On pose
Alors A
engendre
B
engendre
Mais comme r est
symétrique
de même
Mais il convient de remarquer
Donc
soit
qui
met en évidence la fonctiongénératrice DKADKB.
Remarque. - L’algèbre
b étant stable parproduit,
l’est afortiori
aussipar anticommutateur ou par commutateur.
Enfin,
de 13 onpeut
extraire soitl’algèbre
de Lie déduite desab - ba,
soit l’anneau
spécial
de Jordan déterminé par les ab+ ba,
où a et b parcou- rent D.Il est clair que
lorsque Vm
estl’espace des phases
d’unproblème régulier
de
Mécanique analytique
on est conduit àprendre
pour M le tenseur réci- proque de la2 . forme canonique
usuellequi
donne à V sa structure de variétésymplectique.
Un choix convenable de r doit alors annuler DM.Toutefois, quand l’espace
deconfiguration possède
unemétrique
rieman-nienne, l’espace
desphases
est muni d’une structure de variété presque kiihlérienne(Ce point
a été établi par Ph. Tondeur[5]).
On
pourrait
alors choisir pour M nonplus
le tenseurantisymétrique
indi-qué plus haut,
mais aussi bien l’inverse du tenseurmétrique
deVm,
c’est-à-dire maintenant un tenseur
symétrique (On
saitqu’une
structure presque kâlhérienne contient simultanément une 2. forme fermée et unemétrique riemannienne).
L’alternativecorrespond physiquement
au choix entre unequantification
par commutateurs ou unequantification
par anticommu- tateurs. Il est curieux de la voirapparaître
au niveau de lamécanique ponctuelle.
5. -
PROPRIÉTÉS
DU CROCHET DE POISSONLes
symétries
sont manifestes et, dans le casantisymétrique
on a l’identitéde Jacobi.
Par
rapport
à M la linéarité est évidente. Deplus
Enfin,
siquels
que soient A et Bgénérateurs
de t. i. r., on aalors naturellement M = N.
En ce
qui
concerne lecomportement
sous laconjugaison complexe,
ontrouve en coordonnées réelles
D’où la formule
indépendante
des coordonnées.265
6. -
L’APPLICATION 03A6(M, A)
On
appelle DM l’application qui
faitcorrespondre
à toute fonctionA(x)
la transformation infinitésimale aI
engendrée
par A selon M.D’où,
en introduisant les vecteurs debase ~
le schéma :Lorsqu’il n’y
a pasd’ambiguïté
on sedispense
d’écrire M. La «géné-
ration »C(M, A)
est linéaire aussi bien parrapport
à M que par rapport à A.Comportement
sousconjugaison complexe.
En utilisant des coordonnées réelles~* ~ A B _1* -
Comme DM est nul
D’où, indépendamment
descoordonnées,
Incompatibilité
avec leproduit
des t. i. r. - GénéralementD’ailleurs si
C(A)
etC(B)
sont des t. i. r. leurproduit
l’estaussi,
maisC(AB)
n’est
généralement
pas une t. i. r.Compatibilité
avec le ::f:: commutateur.Supposant toujours
M == :!:M,
le théorème du crochet de Poisson s’écrit
(16) [0(A), 4Y(B)1 + ~ I>({ A, $ ~)
pourvu que et
C(B)
E 7~.7. -
REPRÉSENTATION
DE LA
CONJUGAISON
COMPLEXESur l’ensemble des transformations infinitésimales locales admettant un
générateur,
définissonsl’opération
0 commel’image
de * par03A6M,
c’est- à-direAlors que * est une
adjonction
sur l’ensemble desgénérateurs
muni de lamultiplication
usuelle(commutative)
desfonctions,
0 n’est pas uneadjonc-
tion. D’ailleurs e n’est définie par
(17)
que pour les transformations admet- tant ungénérateur
et engénéral
leproduit
n’admet pas degénérateurs. Cependant,
il est intéressant de chercher :i)
Dansquel
cas e(lorsqu’il existe)
coïncide avec T(-
est défini pour toute transformationinfinitésimale,
sansrestriction)
ou - T.ii )
Dansquels
cas0,
ou -., ou - -,possèdent
lespropriétés
d’uneadjonc-
tion restreinte au + commutateur, c’est-à-dire
respectivement
ou bien
ou encore
suivant
qu’il s’agit
de6,
T ou - T.Pour résoudre ce
problème, explicitons
e àpartir
de( 17),
en coordonnées réellesMais
Donc, quelles
que soient les coordonnées c’est-à-direPar
conséquent :
7.1 6 coïncide avec ~ si et seulement si rM = M 0 coïncide avec - T si et seulement si TM = - M
(ceci n’ayant
un sens que pour les transformations admettant ungénérateur).
Cherchons maintenant la condition pour que
(18)
soit vérifiée. On sait quedonc
267 CROCHETS DE POISSON
D’autre
part
Il en résulte
La condition
( 18)
se réduit àEt
d’après (13)
et(12)
ceci
quels
que soient lesgénérateurs.
Donc la condition cherchée s’écrit
7.2. - La condition nécessaire et suffisante pour que 0 se
comporte
comme une
adjonction
àl’égard du rb
commutateur est une condition d’hermiticité sur M.D’autre
part,
onsait, d’après (5),
que si a et b E 1) c’est-à-direPar
conséquent (19)
est vérifiée par Tlorsque
M estsymétrique.
Aucontraire, lorsque
M estantisymétrique, (19’)
est vérifiée par - T. Soit :7.3. 2014 ± T se
comporte
comme uneadjonction
àl’égard du ±
commu-tateur si et seulement si M = ~ M.
En confrontant les résultats
7.1, 7.2, 7. 3,
on voit que dans le cas intéres-sant où 0 se
comporte
comme uneadjonction (devant
le =Lcommutateur),
6 coïncide avec T
(resp.
-r) quand
M est réelsymétrique (resp. imaginaire
pur
antisymétrique).
En
mécanique analytique
l’écriture deséquations
d’évolution dusystème
fournit
généralement
un tenseurantisymétrique
réel ~(2.
forme fondamen-tale de
l’espace
desphases).
Le crochet de Poissonclassique
est le cro-chet
{ A, B }
={ A,
s,B }
défini selon s.Mais e n’étant pas hermitien il est naturel d’introduire s’ == iE
qui
l’est.Aux fonctions A et B il
correspond par 03A6
les transformations infinitésimalesMais
l’application
estprivilégiée
parrapport
à 03A6 en ce sens quel’image
6’de * par ~’ est
équivalente
à uneadjonction
sur ’6 devant le commutateur.De
plus,
il existe entre et le crochetclassique
de Poisson une relationsimple :
Considérons les commutateurs
En vertu du théorème du crochet de Poisson l’on
peut
dire que[a, b]-
estl’image
du crochet{ A,
B}.
AlorsSoit, plus explicitement,
Cette formule met en évidence le facteur i du
procédé
dequantification canonique. L’application
1>’apparaît
étroitementanalogue
à la corres-pondance qui
introduit d’habitude lesopérateurs quantiques.
8. - LE CROCHET DE POISSON
DANS LES
ÉQUATIONS
HAMILTONIENNESConsidérons,
dans une variétésymplectique V2n
les solutions(y)
du sys- tème différentieloù t est un
paramètre, H(x)
une certaine fonction depoint
à valeursréelles,
e le tenseur
réciproque
de la 2. forme fermée Fqui
détermine sur V la struc-ture
symplectique.
Une telle situation se rencontre dans tout
problème régulier
deMécanique
analytique.
Les courbes(y)
sont alors lestrajectoires
dusystème
dans sonespace des
phases,
H estl’hamiltonien, t représente
letemps.
Le crochet de Poisson
{ A,
e,B }
étant ici noté{ A,
B~_,
on peut évaluerles ( xI,
H}-
en considérant lesquantités x1
comme 2n fonctions depoint (Pour
rester dans le cadrequ’on
s’est fixé au début de ce travail il faudraitse restreindre au cas où H
engendre
des t. i. r. Enfait,
cetteprécaution
n’est pas nécessaire tant
qu’on
nemanipule
que des commutateurs de trans-formations
infinitésimales,
c’est-à-dire tant que le crochet de Poisson estdéfini selon un tenseur
antisymétrique.
C’estpourquoi
on ne trouve pas cette réserve dans lalittérature).
Un calcul immédiat donne
ce
qui permet
d’écrire(24)
sous la formecanonique
hamiltonienne bienconnue :
Dans le cas où V est une variété presque kiihlérienne on
dispose
d’autreséléments
géométriques
que la 2. forme F.En
plus
de la 2 . forme fondamentaleF,
est donnée unemétrique
rieman-nienne G
échangeable
avecelle,
c’est-à-dire que l’on asi G-l est le tenseur
réciproque
de G.La structure considérée est subordonnée à la structure presque
complexe
déterminée par le
produit
En introduisant 3 dans
(26)
il vient entre les trois élémentsgéométriques
fondamentaux
soit,
en notant GI’ lescomposantes
de G-1L’apparition
d’un tenseursymétrique suggère
assez naturellement de cons-truire une variante de
(25)
en utilisant maintenant le crochet de Poisson selon G autrement ditOn va voir
plus
loinque 3 joue
un rôle dans cette nouvelle formulation.Pour l’instant notons que
l’usage
du crochet(28)
estpleinement justifié
du
point
de vue desapplications
à laMécanique analytique.
En
effet,
il résulte d’un théorème de Ph. Tondeur que sil’espace
de confi-guration
d’unproblème
deMécanique analytique régulier possède
unemétrique riemannienne g,
alorsl’espace
desphases
est doué d’une structurede variété presque kâhlérienne
canoniquement
associée(La métrique g
indui-sant une
métrique
2n. dimensionnelle Géchangeable
avec la 2 . forme sym-plectique).
Ainsi
l’hypothèse
presque kâlhériennecorrespond
à des situationsdyna- miques
très naturelles.Par
analogie
avec la méthodequi
apermis
d’établir(25),
on est conduità
calculer {
xl, H~+
cequi implique
une restriction sur H afin que la trans- formation infinitésimale que Hengendre
selon G soit une t. i. r. Cette restriction s’écritsimplement
en utilisant la connexion riemannienne associée à G. Le calcul donne
soit, d’après (27)
Ainsi
apparaît
le second membre deséquations (24).
Alors(24) prendra
laforme
qui
est lacontrepartie symétrique
de(25).
Mais,
encore unefois, l’expression
ici entre crochets nereprésente
uncrochet de Poisson selon la définition du
§
4 que si H vérifie(29).
A cette réserve
près,
onpeut
direqu’il
existe une doublepossibilité
demettre
(24)
sous formecanonique
dès queV2n
est à structure presque kâhlé- rienne(comme
c’est leplus
souvent le cas enMécanique analytique).
Cette situation
évoque
defaçon
assezfrappante
l’alternative entre quan- tification par commutateurs etquantification
paranticommutateurs,
que l’on rencontre habituellement en théorie deschamps (et qui correspond
auchoix entre bosons et
fermions).
On voit clairement maintenant
qu’un système
à ndegrés
de liberté peut très bienprésenter
la même alternative.271
Seules des
exigences
de naturephysique (considérations
surl’énergie, etc. ) peuvent
alors trancher le choix entre les deuxtypes
dequantification
cano-nique suggérés respectivement
par(25)
et(30).
C’est un
plaisir
pour moi de remercier le Professeur André Lichnerowicz desjudicieux
conseilsqu’il
m’aprodigués
au cours de l’élaboration de cetravail.
BIBLIOGRAPHIE
[1]
André LICHNEROWICZ, Théorèmes de réductivité sur desalgèbres
d’automor-phisme.
Rendiconti di Matematica(1, 2),
vol.22,
1963, p. 209-212.[2]
R. E. PEIERLS, The commutation laws of relativistic fieldtheory.
Proc. Roy.Soc.
(A),
t.214,
1952, p. 143.[3]
André LICHNEROWICZ, Théorèmes deréductivité...,
p. 199.Sur les différents types de variétés
envisagés
dans leprésent
article on peut se référergénéralement
à :[4]
André LICHNEROWICZ, Théorieglobale
des connexions et des groupes d’holo- nomie. Cremonese, Rome, 1955.et
plus spécialement
auxchapitres
Ier et V.[5] Philippe
TONDEUR, Structure presque kählérienne naturelle sur le fibré des vecteurs covariants d’une variété riemannienne. Comptes Rendus Ac. Sc.,t.
254,
1962, p. 407-408.[6]
André LICHNEROWICZ, Théorieglobale
des connexions,chap.
V, p. 232.Sur la notion
d’échangeabilité
voir :[7]
AndréLICHNEROWICZ,
Théorieglobale
des connexions,chap.
V, p. 209-210.(Manuscrit reçu le 26 mai