Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления, 2022, T. 507, № 1, стр. 66-70
СУБРИМАНОВА СФЕРА КАРТАНА
1 Институт программных систем им. А.К. Айламазяна Российской академии наук
Переславль-Залесский, Россия
* E-mail: yusachkov@gmail.com
Поступила в редакцию 14.06.2022
После доработки 31.08.2022
Принята к публикации 13.09.2022
- EDN: NSYAKS
- DOI: 10.31857/S2686954322600434
Аннотация
Описана структура пересечения субримановой сферы на группе Картана с 3-мерным инвариантным многообразием основных симметрий.
1. ГРУППА КАРТАНА
Алгебра Картана – это свободная нильпотентная алгебра $\mathfrak{g}$ с 2-мя образующими глубины 3. В ней существует базис ${{X}_{1}}, \ldots ,{{X}_{5}}$, в котором ненулевые скобки имеют вид
Алгебра Картана имеет градуировку
На пространстве $\mathbb{R}_{{x,y,z,{v},w}}^{5}$ можно ввести закон умножения, превращающий это пространство в группу Картана: $G \cong \mathbb{R}_{{x,y,z,{v},w}}^{5}$, см. [14] и статьи, цитированные в этой работе. В этой модели левоинвариантные поля, порождающие алгебру Картана, имеют вид
2. ПОСТАНОВКА СУБРИМАНОВОЙ ЗАДАЧИ НА ГРУППЕ КАРТАНА
2.1. Геометрическая постановка
Пусть на евклидовой плоскости заданы точки ${{a}_{0}},{{a}_{1}} \in {{\mathbb{R}}^{2}}$, соединенные кривой ${{\gamma }_{0}} \subset {{\mathbb{R}}^{2}}$. Пусть также заданы число $S \in \mathbb{R}$ и точка $c \in {{\mathbb{R}}^{2}}$. Требуется соединить точки ${{a}_{0}}$, ${{a}_{1}}$ кратчайшей кривой $\gamma \subset {{\mathbb{R}}^{2}}$ так, чтобы кривые ${{\gamma }_{0}}$ и $\gamma $ ограничивали на плоскости область алгебраической площади $S$, с центром масс c.
2.2. Задача оптимального управления
Эту геометрическую задачу можно переформулировать [13] как задачу оптимального управления
(1)
$\begin{gathered} \dot {q} = {{u}_{1}}{{X}_{1}}(q) + {{u}_{2}}{{X}_{2}}(q), \\ q = (x,y,z,v,w) \in G = {{\mathbb{R}}^{5}}, \\ \end{gathered} $Это субриманова задача для субримановой структуры на ${{\mathbb{R}}^{5}}$, заданной векторными полями ${{X}_{1}}$, ${{X}_{2}}$ как ортонормированным репером. Эта субриманова структура – единственная, с точностью до автоморфизма группы Картана, левоинвариантная субриманова структура с вектором роста $(2,3,5)$. Следовательно, можно считать, что q0 = = Id = $(0, \ldots ,0)$.
3. ОСОБЕННОСТИ ЗАДАЧИ
Субриманова задача на группе Картана есть простейшая левоинвариантная задача со следующими свойствами:
• она имеет анормальные кратчайшие, касающиеся каждого вектора распределения,
• это следующая по сложности после задачи Дидоны задача на свободной группе Карно максимального роста (ее вектор роста равен (2, 3, 5)).
Эта задача – единственная свободная нильпотентная субриманова задача глубины 3 с интегрируемым по Лиувиллю нормальным гамильтоновым полем принципа максимума Понтрягина (неинтегрируемыми по Лиувиллю являются свободные нильпотентные задачи глубины 3, ранга более 2 [4], а также глубины более 3, ранга не менее 2 [1]).
Распределение $\Delta = {\text{span}}({{X}_{1}},{{X}_{2}})$ имеет 14-мерную алгебру инфинитезимальных симметрий – особую алгебру ${{\mathfrak{g}}_{2}}$, этот факт восходит к знаменитой “пятимерной” работе Эли Картана [5].
Наконец, субриманова задача на группе Картана доставляет нильпотентную аппроксимацию любой задачи с вектором роста (2, 3, 5), в частности:
• задачи о качении двух твердых тел друг по другу без прокручивания и проскальзывания [9, 10],
• машины с двумя прицепами [11],
• задачи о движении электрического заряда в плоскости под действием магнитного поля [12].
Любой из этих причин достаточно для детального исследования субримановой задачи на группе Картана.
4. РАНЕЕ ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Напомним некоторые из результатов, полученных в предыдущих работах [13–16].
• Анормальные траектории (соответствующие анормальному случаю $\nu = 0$ принципа максимума Понтрягина [2, 3]):
– однопараметрические подгруппы ${{e}^{{ \pm t({{u}_{1}}{{X}_{1}} + {{u}_{2}}{{X}_{2}})}}}$, ${{u}_{i}} \equiv {\text{const}}$,
– проецируются на плоскость $(x,y)$ в прямые,
– поэтому оптимальны,
– нестрого анормальны, т.е. одновременно являются нормальными.
• Нормальные экстремали удовлетворяют гамильтоновой системе принципа максимума Понтрягина с гамильтонианом H(λ) = $({{\langle \lambda ,{{X}_{1}}\rangle }^{2}}\, + \,{{\langle \lambda ,{{X}_{2}}\rangle }^{2}}){\text{/}}2$:
(4)
$\begin{gathered} \dot {\theta } = c,\quad \dot {c} = - \alpha \sin (\theta + \beta ),\quad \dot {\alpha } = \dot {\beta } = 0, \\ \dot {q} = \cos \theta {\kern 1pt} {{X}_{1}} + \sin \theta {\kern 1pt} {{X}_{2}}. \\ \end{gathered} $• В фазовом цилиндре уравнения маятника (4) введены координаты $(\varphi ,k)$, в которых это уравнение выпрямляется:
• Получена параметризация геодезических экспоненциальным отображением:
• Описана группа симметрий экспоненциального отображения
• Явно описано время разреза tcut : $C \to (0, + \infty ]$.
5. СУБРИМАНОВЫ РАССТОЯНИЕ И СФЕРЫ
Напомним основные определения и свойства субримановой метрики и сфер.
Субриманово расстояние (метрика Карно-Каратеодори) определяется следующим образом:
Субриманова сфера радиуса $R$ с центром ${{q}_{0}}$ есть
В силу инвариантности метрики относительно левых сдвигов на группе Картана ${{L}_{q}}{\kern 1pt} :\;q{\kern 1pt} ' \mapsto qq{\kern 1pt} '$,
В силу того, что группа Картана есть группа Карно, левоинвариантная субриманова структура согласована с дилатациями:
Поэтому достаточно исследовать единичную сферу
Единичная сфера S параметризуется экспоненциальным отображением:
Субриманова структура и сфера инвариантны относительно группы симметрий Sym = = $SO(2) \times {{\mathbb{Z}}_{2}} \times {{\mathbb{Z}}_{2}}$:
Основной объект этой работы – сечение сферы трехмерным инвариантным многообразием основных симметрий ${{\varepsilon }^{1}}$, ${{\varepsilon }^{2}}$:
Мы ограничиваемся описанием лишь сечения $\widetilde S$, так как полная сфера S не допускает столь подробного исследования ввиду сложности ее параметризации: функция ${{t}_{{{\text{cut}}}}}(\lambda )$, задающая время разреза на группе Картана, в общем случае есть корень уравнения в эллиптических функциях, см. [14, 16].
6. СТРУКТУРА ФАКТОРА $\widehat S$
На рис. 1 изображен фактор сечения сферы $\widehat S$ на группе Картана в координатах
Кривая $\widehat S$ параметризуется параметром $k\, \in \,[0,1]$. Имеется стратификация
(5)
$\widehat S = \left( { \sqcup _{{i = 1}}^{3}{{\gamma }_{i}}} \right) \sqcup \{ A,{{C}_{0}},{{C}_{1}}\} ,$$A = {{e}^{{\cos \theta {{X}_{1}} + \sin \theta {{X}_{2}}}}}$ есть точка на анормальной траектории, k = 0, C0 есть точка на периодической эйлеровой эластике восьмерке (см. рис. 8 [13]),
(7)
$\begin{gathered} {{\gamma }_{1}}{\kern 1pt} :\;k \in (0,{{k}_{1}}), \\ {{\gamma }_{2}}{\kern 1pt} :\;k \in ({{k}_{1}},{{k}_{0}}), \\ \end{gathered} $Определение чисел ${{k}_{0}},{{k}_{1}} \in (0,1)$, а также функций ${{p}_{z}},{{p}_{V}}{\kern 1pt} :\;(0,1) \to \mathbb{R}$ приведено в работе [14].
На рис. 1:
• надпись ${{e}^{{t{{X}_{i}}}}}$ над горизонтальным отрезком, соединяющим точки ${{q}_{0}}$ и A, обозначает анормальные траектории, соединяющие начальную точку ${{q}_{0}}$ = Id с точками сферы, проецирующимися в точку A,
• надпись $x = y = 0$ справа от точки ${{C}_{0}}$ обозначает точки периодических эластик-восьмерок,
• точка ${{C}_{0}}$ имеет координаты $(a,b) = (0,{{b}_{0}})$, где ${{b}_{0}} \approx - 0.004$.
В последующих теоремах для краткости допускается некоторая вольность обозначений: точки множества $\widehat S$ рассматриваются иногда как окружности в $G$, а иногда как точки в $G$.
7. ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ ТОЧЕК ФАКТОРА $\widehat S$
Напомним вкратце некоторые необходимые понятия субримановой геометрии, подробнее см. [2, 3].
В рассматриваемой задаче анормальные траектории, выходящие из точки ${{q}_{0}} = {\text{Id}}$, суть однопараметрические подгруппы, касающиеся распределения; при этом они являются субримановыми кратчайшими, т.е. реализуют минимум функционала длины (3) между любыми своими точками.
Первая сопряженная точка к ${{q}_{0}}$ на геодезической есть точка, в которой геодезическая теряет свою локальную оптимальность.
Точка Максвелла на геодезической есть точка, в которую приходят более одной геодезической одинаковой длины, начинающихся в ${{q}_{0}}$.
Точка разреза на геодезической есть точка, в которой геодезическая теряет свою (глобальную) оптимальность.
Теорема 1.
(1) A есть точка на анормальной кратчайшей,
(2) ${{C}_{i}}$ суть сопряженные точки к ${{q}_{0}}$, точки Максвелла, точки разреза,
(3) $q \in {{\gamma }_{i}}$ суть точки Максвелла, точки разреза, не сопряженные точки к ${{q}_{0}}$.
8. КРАТНОСТЬ ТОЧЕК ФАКТОРА $\widehat S$
Кратностью точки $q \in G$ называется мощность
$\mu (q) = {\text{card}}\{ {\text{кратчайшие,}}\;{\text{соединяющие}}\;{\text{Id}}\;{\text{и}}\;q\} .$
Теорема 2.
(1) $\mu (A) = 1$,
(2) $\mu ({{C}_{i}}) = \mathfrak{c}$ (континуум $ \cong {{S}^{1}}$),
(3) $q \in {{\gamma }_{i}} \Rightarrow \mu (q) = 2$.
9. РЕГУЛЯРНОСТЬ $\widehat S$ И $\widetilde S$
Теорема 3.
(1) кривые ${{\gamma }_{i}}$ аналитичны и регулярны,
(2) $A$, ${{C}_{i}}$ суть особые точки, в них $\widehat S$ негладкая, но липшицева,
(3) замыкания
(3.1) ${{\bar {\gamma }}_{1}} = {{\gamma }_{1}} \cup \{ A,{{C}_{0}}\} $,
(3.2) ${{\bar {\gamma }}_{2}} = {{\gamma }_{2}} \cup \{ {{C}_{0}},{{C}_{1}}\} $,
(3.3) ${{\bar {\gamma }}_{3}} = {{\gamma }_{1}} \cup \{ {{C}_{0}},A\} $,
суть гладкие кривые класса C∞.
Теорема 4. $\widetilde S$ есть липшицево многообразие, аналитически диффеоморфное $\widehat S \times {{S}^{1}}$ и билипшицево эквивалентное (потому гомеоморфное) тору ${{\mathbb{T}}^{2}}$.
10. АНАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФАКТОРА $\widehat S$
Множество называется аналитическим , если в некоторой окрестности каждой своей точки оно задается конечной системой вещественно-аналитических уравнений. Множество называется полуаналитическим [6], если в некоторой окрестности каждой своей точки оно задается конечной системой вещественно-аналитических уравнений и неравенств. Множество называется субаналитическим [7], если его можно получить из полуаналитических множеств путем конечнократного применения операций объединения, пересечения и взятия образа собственного аналитического отображения. На двумерной плоскости понятия полуаналитических и субаналитических множеств совпадают.
Теорема 5.
• Множество $\widehat S{{\backslash }}\{ A\} $ полуаналитично, потому субаналитично.
• В окрестности точки A кривая ${{\gamma }_{3}}$ есть график гладкой неаналитической функции.
• Поэтому множество $\widehat S$ несубаналитично.
• Следовательно, сфера $S$ несубаналитична.
11. Exp–log КАТЕГОРИЯ
Функция $f{\kern 1pt} :\;{{\mathbb{R}}^{n}} \to \mathbb{R}$ принадлежит exp–log категории [18], если она представляется в виде конечной композиции субаналитических функций, экспонент и логарифмов. Множество принадлежит exp–log категории, если в некоторой окрестности любой своей точки оно является графиком отображения, компоненты которого – функции из exp–log категории.
Теорема 6. В окрестности точки $A$ кривая ${{\gamma }_{3}}$ есть график функции из exp–log категории. Поэтому множество $\widehat S$ принадлежит exp–log категории.
12. СТРАТИФИКАЦИЯ УИТНИ
Напомним следующие фундаментальные факты, относящиеся к стратификации Уитни [17]:
• если множество субаналитично, то оно является стратифицированным пространством Уитни [7],
• если множество принадлежит exp–log категории, то оно является стратифицированным пространством Уитни [8].
Теорема 7. Разбиение (5) есть стратификация Уитни.
Список литературы
Локуциевский Л.В., Сачков Ю.Л. Об интегрируемости по Лиувиллю субримановых задач на группах Карно глубины 4 и больше // Матем. сб. 2018. Т. 209. № 5. С. 74–119.
Agrachev A.A., Sachkov Yu.L. Control Theory from the Geometric Viewpoint. Springer-Verlag, Berlin. 2004.
Agrachev A., Barilari D., Boscain U. A Comprehensive Introduction to sub-Riemannian Geometry from Hamiltonian viewpoint. Cambridge Studies in Advanced Mathematics, Cambridge Univ. Press, 2019.
Bizyaev I.A., Borisov A.V., Kilin A.A., Mamaev I.S. Integrability and Nonintegrability of Sub-Riemannian Geodesic Flows on Carnot Groups, Regular and Chaotic Dynamics. 2016. V. 21. № 6. P. 759–774.
Cartan E. Lès systemes de Pfaff a cinque variables et lès equations aux derivees partielles du second ordre // Ann. Sci. Ècole Normale. 1910. V. 27. № 3. P. 109–192.
Łojasiewicz S. Ansembles semi-analitiques, Inst. Hautes Ètudes Sci., Bures-sur-Yvette, 1964.
Hironaka H. Subanalytic sets, Number Theory, Algebraic Geometry and Commutative Algebra, Tokyo, Kinokuniya, 1973. P. 453–493.
Ta Lê Loi. Verdier and strict Thom stratifications in o-minimal structures // Illinois J. Math. 1998. V. 42. Is. 2. P. 347–356.
Li Z., Canny J., Motion of two rigid bodies with rolling constraint // IEEE Trans. on Robotics and Automation. 1990. V. 1. № 6. P. 62–72.
Marigo A., Bicchi A. Rolling bodies with regular surface: the holonomic case, in book: “Differential geometry and control: Summer Research Institute on Differential Geometry and Control”, publ. Univ. Colorado, Boulder, G. Ferreyra et al. Eds., 1999. P. 241–256.
Laumond J.P. Nonholonomic motion planning for mobile robots // Preprint No. 98211. Toulouse, France: LAAS-CNRS, 1998.
Anzaldo-Menezes A., Monroy-Pérez F. Charges in magnetic fields and sub-Riemannian geodesics// Contemporary trends in nonlinear geometric control theory and its applications. Singapore: World Scientific, 2002. P. 183–202.
Сачков Ю.Л. Экспоненциальное отображение в обобщенной задаче Дидоны. Мат. Сборник. 2003. V. 194 (9). P. 63–90.
Сачков Ю.Л. Полное описание стратов Максвелла в обобщенной задаче Дидоны. Мат. Сборник. 2006. Т. 197. № 6. С. 111–160.
Sachkov Yu.L. Conjugate time in the sub-Riemannian problem on the Cartan group // Journal of Dynamical and Control Systems. 2021. V. 27. P. 709–751.
Ardentov A., Hakavuori E. Cut time in the sub-Riemannian problem on the Cartan group // ESAIM:COCV. 2022. V. 28. P. 12.
Горески М., Макферсон Р. Стратифицированная теория Морса, М.: Мир, 1991.
Van Den Dries L., Macintyre A., Marker D. The elementary theory of restricted analytic fields with exponentiation // Ann. of Math. 1994. V. 140. № 2. P. 183–205.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления