19018

Канонические преобразования. Производящие функции. Временная эволюция механической системы как каноническое преобразование

Лекция

Физика

Лекция 15. Канонические преобразования. Производящие функции. Временная эволюция механической системы как каноническое преобразование Выбор обобщенных координат не ограничен никакими условиями – ими могут быть любые величин однозначно определяющие положение сис

Русский

2013-07-11

901 KB

13 чел.

Лекция 15. Канонические преобразования. Производящие функции. Временная эволюция механической системы как каноническое преобразование

Выбор обобщенных координат  не ограничен никакими условиями – ими могут быть любые величин, однозначно определяющие положение системы в пространстве. Формальный вид уравнений Лагранжа от этого выбора не зависит, поэтому можно сказать, что уравнения Лагранжа инвариантны по отношению к преобразованию координат , , …,  к любым другим независимым величинам , , …, . Новые координаты являются функциями старых, причем допустим и такой их выбор, который содержит явным образом время

      (1)

Наряду с уравнениями Лагранжа  сохраняют свой вид и уравнения Гамильтона. Последние, однако, допускают гораздо более широкий класс преобразований. Это связано с тем, что в гамильтоновом методе импульсы  играют наряду с координатами  роль равноправных независимых переменных. Поэтому понятие преобразования может быть расширено так, чтобы включить в себя преобразование всех  независимых переменных  и  к новым переменным  и  по формулам

       (2)

Такое расширение класса допустимых преобразований является одним из существенных достоинств гамильтонова метода.

Однако не при произвольных преобразованиях вида (2) уравнения движения сохраняют свой канонический вид. Выведем условия, которым должно удовлетворять преобразование, для того чтобы уравнения движения в новых переменных  и  имели вид

            (3)

с некоторой новой функцией Гамильтона . Такие преобразования координат и импульсов называют каноническими.

К формулам канонических преобразований можно придти из следующих соображений. Уравнения Гамильтона можно вывести из принципа наименьшего действия, представленного в форме

    (4)

(причем варьируются независимо все координаты и импульсы). Для того чтобы новые переменные  и  тоже удовлетворяли уравнениям Гамильтона, для них тоже должен быть справедлив принцип наименьшего действия

    (5)

Два принципа (4) и (5) эквивалентны друг другу только при условии, что их подынтегральные выражения отличаются лишь на полный дифференциал произвольной функции  координат, импульсов и времени; тогда разность между обоими интегралами будет несущественной при варьировании постоянной (разность значений  на пределах интегрирования). Таким образом, должно быть:

Всякое каноническое преобразование характеризуется своей функцией , которую называют производящей функцией данного преобразования. Переписав полученное соотношение в виде

   (6)

мы видим, что

     (7)

при этом предполагается, что производящая функция задана как функция старых и новых координат (и времени): . При заданной функции  формулы (7) устанавливают связь между старыми  и новыми  переменными, а также дают выражение для новой гамильтоновой функции.

Может оказаться удобным выражать производящую функцию не через переменные  и , а через старые координаты  и новые импульсы . Для вывода формул канонических преобразований в этом случае надо произвести в соотношении (6) соответствующее преобразование Лежандра. Именно, переписываем его в виде

Выражение, стоящее под знаком дифференциала в левой стороне равенства, выраженное через переменные  и , является новой производящей функцией. Обозначив ее посредством  имеем:

     (8)

Аналогичным образом можно перейти к формулам канонических преобразований, выраженных через производящие функции, зависящие от переменных  и  или  и .

Отметим, что связь между новой и старой гамильтоновыми функциями всегда выражается одинаковым образом: разность  дается частной производной по времени от производящей функции. В частности, если последняя не зависит от времени, то . Другими словами, в этом случае для получения новой функции Гамильтона достаточно подставить в  величины  и , выраженные через новые переменные  и .

Широта канонических преобразований в значительной степени лишает в гамильтоновом методе понятие обобщенных координат и импульсов их первоначального смысла. Поскольку преобразования (2) связывают каждую из величин  и  как с координатами , так и с импульсами , то переменные  уже не имеют смысла чисто пространственных координат. Различие между обеими группами переменных становится в основном вопросом номенклатурным. Это обстоятельство весьма наглядно проявляется, например, в преобразовании , , явно не меняющем канонический вид уравнений и сводящемся просто ко взаимному переименованию координат и импульсов.

В виду этой условности терминологии переменные  и  в гамильтоновом методе часто называют просто канонически сопряженными величинами.

Условие канонической сопряженности можно выразить с помощью скобок Пуассона. Для этого докажем общую теорему об инвариантности скобок Пуассона по отношению к каноническим преобразованиям.

Пусть  – скобка Пуассона величин, в которой дифференцирование производится по переменным  и ,  - скобка Пуассона тех же величин, дифференцируемых по каноническим переменным  и . Тогда

     (9)

В справедливости этого соотношения можно убедиться прямым вычислением с использованием формул канонического преобразования. Можно, однако, обойтись и без вычислений с помощью следующего рассуждения.

Прежде всего замечаем, что в канонических преобразованиях время играет роль параметра. Поэтому, если мы докажем теорему для величин, не зависящих явно от времени, то она будет верна и в общем случае. Рассмотрим теперь чисто формальным образом величину  как гамильтонову функцию некоторой фиктивной системы. Тогда согласно определению скобок Пуассона

Но производная  есть величина, которая может зависеть лишь от свойств движения (нашей фиктивной системы) как такового, а не от того либо иного выбора переменных. Поэтому и скобка Пуассона не может измениться при переходе от одних канонических переменных к другим.

Из определения скобок Пуассона и теоремы (9) получим:

     (10)

Это - записанные с помощью скобок Пуассона условия, которым должны удовлетворять новые переменные, для того чтобы преобразование было каноническим.

Интересно отметить, что изменение величин  и  при самом движении можно рассматривать как канонические преобразования. Смысл этого утверждения состоит в следующем. Пусть  и  – значения канонических переменных в момент времени , а  и  – их значения в другой момент времени . Последние являются некоторыми функциями от первых (и от величины интервала времени  как от параметра):

,   

Если рассматривать эти формулы как преобразование от переменных  и  к переменным  и , то это преобразование будет каноническим. Это очевидно из следующего выражения

для дифференциала действия , взятого вдоль истинной траектории, проходящей через точки  и  в заданные моменты времени  и . Сравнение этой формулы с (6) показывает, что  есть производящая функция преобразования.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11677. Баланс ліквідності підприємства 36.76 KB
  Тема: Баланс ліквідності підприємства. Мета: зробити фінансовий аналіз балансу ліквідності підприємства. Хід роботи Висновок: З цих даних отримуємо А1 П1 А2 П2 А3 П3 А4 П4 тобто ліквідність балансу відрізняється від абсолютної. При цьому нестача коштів по одній гру
11678. Моделювання та мінімізація логічних функції в різних пакетах прикладних програм 1.39 MB
  Використання електроніки в електроенергетиці, є досить розвинене. Майже усі технологічні процеси в галузі електроенергетики автоматизуються за допомогою змодельованих на ЕОМ процесів та схем. Найпоширеніше використання має алгебра логіки, яку далі розглянемо більш детальніше.
11679. Ітераційні методи розвязання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Метод Зейделя. Метод релаксації 40.97 KB
  Лабораторна робота №2 Ітераційні методи розв’язання систем лінійних алгебраїчних рівнянь. Метод Зейделя. Метод релаксації. Мета роботи: познайомитися з ітераційними методами розв’язання систем алгебраїчних рівнянь реалізувати заданий за варіантом метод у серед...
11680. МОДЕРНИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА ЛЕНТОЧНОГО КОНВЕЙЕРА К-22 УГЛЕПОДГОТОВИТЕЛЬНОГО ЦЕХА №1 ЧерМК ОАО «Северсталь» 1.26 MB
  Развитие электропривода связывается с разработкой российским академиком Б. С. Якоби первого двигателя постоянного тока вращательного движения. Использование данного мотора на небольшом судне, которое в 1838 году произвело пробные поездки на Неве...
11681. Розвязання систем нелінійних рівнянь. Метод Ньютона 44.19 KB
  Лабораторна робота №4 Тема: Розв’язання систем нелінійних рівнянь. Метод Ньютона. Мета роботи: познайомитися з методами розв’язання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь реалізувати заданий за варіантом метод у середовищі МatLAB. Завдання для виконання лаборат
11682. Автоматизація управління персоналом на базі програмного засобу Система:Кадры 117.73 KB
  Лабораторна робота №5 Тема: автоматизація управління персоналом на базі програмного засобу Система:Кадры. Мета роботи: набути практичних навичок роботи з автоматизованою системою кадрового обліку Кадры навчитися вести безперервний облік персоналу підприємства...
11683. Организация работы лесопилки с использованием инновационных программных продуктов 720 KB
  1. Минимизация отходов лесопилки Пилорама заготавливает оцилиндровывает и сушит 20футовые брёвна которые в дальнейшем используются для строительства бревенчатых домов бань и т.п. Поступил новый заказ для которого требуется 275 шт. 8футовых 100 шт. 10футовых и 250 шт. 12фу...
11684. Системи счислення в ЕОМ 64.5 KB
  ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 Тема: Системи счислення в ЕОМ. Ціль: Знайомство системами счислення в ЕОМ виконання арифметичних дій вивчення правил переведення із однієї системи счислення до іншої. Теоретичні відомо...
11685. Застосування спеціального програмного забезпечення для роботи з 8-ми розрядним мікропроцесором 309 KB
  Лабораторна робота №2 Застосування спеціального програмного забезпечення для роботи з 8ми розрядним мікропроцесором. ЗАВДАННЯ Відповідно до свого варіанта завдання за допомогою емулятору процесора К580ВМ80 записати та виконати прості арифметичнологічні операці