19017

Уравнения Гамильтона (канонические уравнения). Функция Гамильтона. Скобки Пуассона и их свойства

Лекция

Физика

Лекция 15. Уравнения Гамильтона канонические уравнения. Функция Гамильтона. Скобки Пуассона и их свойства Одна из форм уравнения движения это уравнения Лагранжа когда задается функция Лагранжа как функция независимых обобщенных координат и обобщенных скоростей

Русский

2013-07-11

750 KB

31 чел.

Лекция 15. Уравнения Гамильтона (канонические уравнения). Функция Гамильтона. Скобки Пуассона и их свойства

Одна из форм уравнения движения, это уравнения Лагранжа, когда задается функция Лагранжа , как функция независимых обобщенных координат и обобщенных скоростей , а затем составляется система  уравнений Лагранжа

,         (1)

Однако такая форма описания механических систем не является единственно возможной. Ряд преимуществ, особенно при исследовании общих теоретических вопросов механики, представляет другая форма записи уравнений движения, когда в качестве независимых переменных выбираются обобщенные координаты и обобщенные импульсы:  и .

Чтобы перейти от набора переменных  к новому набору переменных  нужно воспользоваться стандартным преобразованием Лежандра. Для этого нужно выразить полный дифференциал функции Лагранжа  не через дифференциалы  и , а через дифференциалы обобщенных координат и импульсов  и . Тогда величины, стоящие при соответствующих дифференциалах будут частными производными по обобщенным координатам и импульсам от некоторой функции этих же переменных. В результате получим уравнения движения в переменных .

Рассмотрим сначала для простоты, механическую систему с одной степенью свободы , т.е. с одной обобщенной координатой . Тогда , и уравнение Лагранжа будет имеет вид:

     (2)

В этом случае движение механической системы описывается одним дифференциальным уравнением второго порядка, а независимые переменные  и  входят в него явно не симметричным образом. Время  играет в уравнениях Лагранжа роль независимой переменной, т.е. параметра в том смысле, что в эти уравнения не входит производная . Уравнение  (2) можно формально записать в виде

,  где        (3)

- обобщенный импульс, соответствующий обобщенной координате .

В рассматриваемом случае преобразование Лежандра сводится к следующему. Вычислим полный дифференциал от функции Лагранжа :

  (4)

В полученном выражении нужно исключить дифференциал , выразив его через дифференциал . Для этого воспользуемся очевидным равенством

       (5)

Подставляя это в соотношение (4) получим

,   т.е.

;     (6)

Левая часть соотношения (6), есть дифференциал от энергии системы, т.к. по определению

       (7)

Величина  в уравнении (6) выражена через обобщенные  координаты и импульсы, т.к. в правой части равенства (6), стоят дифференциалы именно этих величин. Величина

      (8)

называется гамильтоновой функцией системы, или просто функцией Гамильтона. Из дифференциального равенства (6)

    (9)

или

      (10)

Это и есть искомые уравнения в переменных  и  - уравнения Гамильтона.

Видим, что для системы с одной степенью свободы, уравнения Гамильтона представляют собой два дифференциальных уравнения первого порядка, вместо одного дифференциального уравнения Лагранжа (2) второго порядка. В уравнения (10) переменные  и  входят симметричным образом. Ввиду их формальной простоты и симметрии эти уравнения называются каноническими уравнениями движения.

Наличие слагаемого с  в дифференциальной форме (9), которое учитывает возможную явную зависимость функции Лагранжа (и, как следствие этого, функции Гамильтона) от времени не имеет отношения к выводу самих уравнений Гамильтона, поскольку, как и в уравнениях Лагранжа, время в рассматриваемом аспекте играет роль параметра. Из (9) следует, что

      (11)

Все сказанное выше непосредственно обобщается на систему с любым числом степеней свободы . В этом случае будем иметь:

     (12)

   (13)

,          (14)

Рассмотрим несколько простых примеров.

1. Написать функцию Лагранжа и функцию Гамильтона, а так же уравнения Лагранжа и уравнения Гамильтона в декартовых координатах для частицы , движущейся в произвольном поле .

a). Функция и уравнения Лагранжа

;     ;        (15)

b). Функция и уравнения Гамильтона. Т.к. , то

;         ,   т.е.

     (16)

Видим, что и те и другие уравнения фактически сводятся ко второму закону Ньютона.

2. Написать функцию Лагранжа и функцию Гамильтона, а так же уравнения Лагранжа и уравнения Гамильтона в цилиндрических координатах для частицы , движущейся в произвольном поле .

a). Функция и уравнения Лагранжа

;   

    (17)

b). Функция и уравнения Гамильтона

Сначала нужно записать функцию Гамильтона, т.е. выразить энергию системы

через обобщенные импульсы

;     ;       (18)

Отсюда выражаем обобщенные скорости через обобщенные импульсы:

;    ;        (19)

Подставляя это в формулу для энергии, получим выражение для функции Гамильтона:

  (20)

Уравнения Гамильтона в цилиндрических координатах

                   (21)

3. Записать уравнения Гамильтона для линейного гармонического осциллятора, когда  и .

;                     (22)

;        ;       (23)

Получили обычное уравнение для линейного осциллятора.

4. Записать уравнения Гамильтона для математического маятника  длиной , который совершает колебания в вертикальной плоскости. Ось  направлена вниз, так, что .  - угол отклонения от положения равновесия.

В цилиндрических координатах

;    ;

;         (24)

Уравнения Гамильтона

,              (25)

т.е.

;         (26)

Получили обычное уравнение колебания математического маятника.

Введем теперь понятие скобок Пуассона. Пусть имеется механическая система с одной степенью свободы: . Её обобщенные координата  и импульс  удовлетворяют уравнениям Гамильтона (10)

    (27)

Пусть  - некоторая функция величин ,  и времени . Составим её полную производную по времени, учитывая, что величины  и  тоже зависят от времени

   (28)

Поскольку  и , то выражение (28) принимает вид

    (29)

Здесь введено обозначение

     (30)

Выражение , определяемое формулой (30) называется скобкой Пуассона для величин  и . Если число степеней свободы механической системы больше единицы, то скобка Пуассона функции Гамильтона и некоторой функции динамических переменных  равна

    (31)

где - число степеней свободы системы. Для любой пары функций динамических переменных скобка Пуассона определяется аналогично формуле (31)

    (32)

Для скобок Пуассона справедливы очевидные равенства

1.

2.  где  - постоянная

3.

4.

Поскольку для полной производной по времени функции динамических переменных  справедливо соотношение

    (33)

то величины независящие явно от времени являются интегралами движения, если их скобка Пуассона с функцией Гамильтона системы равна нулю.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28195. Бихевиоризм и необихевиоризм (Дж.Уотсон, Э.Толмен, Б.Скиннер и др.) 38.5 KB
  Бихевиоризм и необихевиоризм Дж. Предметом психологии бихевиоризм считает не сознание а поведение. Бихевиоризм от англ. Манифестом бихевиоризма считается статья его основателя американского психолога Дж.
28196. Психоанализ (З.Фрейд, К.Юнг, А.Адлер, К.Хорни и др.) 49.5 KB
  Наиболее существенными для развития личности Фрейд считал сексуальные инстинкты. Вместо того чтобы изучать сны Адлер обратился к исследованию ранних воспоминаний которые считал ключом к пониманию поведения мотивации и личности. Стиль жизни формируется к 5ти годам под влиянием творческой силы личности и в связи с ним формируется тип личности: Управляющий активный антисоциальный; Берущий низко активный паразитирующий; Избегающий не активный нет социального интереса; Социальнополезный высокий соц. В качестве механизмов...
28197. Гештальтпсихология (М.Вертгеймер, В.Келер, К.Коффка, К.Левин и др.) 41 KB
  История гештальтпсихологии берет начало в Германии в 1912 когда М. В противовес представлениям ассоцианистов о том что образ создается через синтез отдельных элементов и свойства целого определяются свойствами частей гештальтпсихологи выдвинули идею целостности образа свойства которого не сводимы к сумме свойств элементов в связи с этим часто подчеркивается роль гештальтпсихологии в становлении системного подхода в науке. Согласно гештальтпсихологии для человека существуют два отличных друг от друга мира: мир физический лежащий за...
28198. Предмет психологии. Специфические особенности и классификация психических явлений 68.5 KB
  Психология наука о закономерностях развития и функционирования психики как особой формы жизнедеятельности. Практическая психология ее задачи и роль в общественной практике. Психология изучает психику в закономерностях ее развития. Современная психология представляет собой широко развернутую область знаний включающую ряд научных дисциплин и направлений.
28199. Классификация методов современной психологии 37.5 KB
  Ананьева методы психологического исследования являются системами операций с психологическими объектами и вместе с тем являются гносеологическими объектами самой психологической науки.Пирогова: Собственно методы. Вспомогательные методы А Математические статистические Б Графические В Биохимические физиологические и др. Методические методы А Генетические Б Психофизиологические.
28200. Возникновение и развитие психики в процессе эволюции. Стадии развития психики 61 KB
  Под инстинктами понимаются действия или более менее сложные акты поведения которые появляются сразу как бы готовыми не зависят от выучки и индивидуального опыта будучи наследственно закрепленным продуктом филогенетического развития. Индивидуальноизменчивые формы поведения. Уже на ранних ступенях развития наблюдая поведение животных мы встречаем индивидуальноизменчивые формы поведения которые могут быть охарактеризованы как навыки новые реакции или действия которые возникают на основе выучки или индивидуального опыта и функционируют...
28201. Вклад В.Вундта в оформление психологии как самостоятельной науки. Создание психофизики (Г.Фехнер) 33 KB
  Кризис психологии выявился в наибольшей своей остроте когда сформировалась поведенческая психология рефлексология в России и бихевиоризм в Америке потому что поведенческая психология выдвинув поведение как предмет психологии с особенной остротой выявила кризис центрального понятия всей современной психологии понятия сознания. Согласно Вундту предметом изучения психологии является сознание а именно состояния сознания связи и отношения между ними законы которым они подчиняются. Используя метроном Вундт выделил ряд основных...
28202. Влияние идей И.М.Сеченова и И.П.Павлова на становление отечественной психологии 40.5 KB
  Иван Петрович Павлов 18491936 создатель материалистического учения о высшей нервной деятельности животных и человека. Учение Павлова о высшей нервной деятельности сложилось под влиянием материалистических традиций русской философии и развивало идеи И. В начале своей научной деятельности Павлов занимался преимущественно изучением сердца и кровеносных сосудов. Так было заложено начало павловского учения о трофической нервной системе особых нервных волокнах регулирующих процессы питания в тканях обмен веществ в них и тем самым...
28203. Вклад В.М. Бехтерева в развитие российской психологии 35.5 KB
  Бехтерева в развитие российской психологии. Бехтерев Владимир Михайлович 18571927 русский невропатолог психиатр физиолог психолог. Психологическое творчество Бехтерева можно условно разделить на два этапа. Бехтерев говорил о равноправном существовании двух психологий: субъективной основным методом которой должна быть интроспекция и объективной.