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Accès ouvert déclaré 2026 preprint

Integrable curl-force Hamiltonians: bi-Hamiltonian structure, separability, and periodic orbits

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We investigate Hamiltonian curl-force systems with indefinite kinetic energy. We first reconsider Berry's polynomial Hamiltonian curl-force model, whose numerically observed closed trajectories motivated an integrability conjecture. A Painlevé analysis yields a non-principal resonance spectrum, so that the corresponding Laurent series cannot accommodate the required number of arbitrary constants of the general solution. The model therefore fails the standard Painlevé test. We then introduce a four-parameter curl-force family and identify the parameter locus on which this system is integrable. We construct a second Hamiltonian, compatible Poisson tensors, separated complex characteristic variables, and a Lax representation. More generally, the separated form yields polynomial integrable curl-force Hamiltonians of arbitrary degree. We also show that the same construction admits a higher time-derivative potentialisation whose free limit is the degenerate Pais-Uhlenbeck oscillator. Finally, we analyse zero-curl invariant reductions and elliptic periodic solutions, and exhibit an isolated periodic orbit outside the integrable regime. This illustrates that closed trajectories alone do not imply Liouville or Painlevé integrability.

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Sujets associés

Quantum chaos and dynamical systemsNonlinear Waves and SolitonsQuantum Mechanics and Non-Hermitian Physics

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