理论力学二.ppt
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1、理论力学(二),哈密顿力学2011.10,拉格朗日方程的降阶,拉格朗日函数是以广义坐标和广义速度描述系统的。通过拉格朗日方程,可以得到二阶微分方程组。这与牛顿力学通过力的各个分量的分析,得到运动的加速度满足的方程具有类似的形式。可以用广义速度为中间变量vi,把二阶微分方程变为一阶微分方程,代价是变量个数加倍。,广义动量作为中间变量,这2s个方程中,计算 qi 的时间微商太简单,而计算 vi 的时间微商太复杂。中间变量取 vi 并不合适。从拉格朗日方程看,直接可以计算广义动量 pi,因而把它取为中间变量是合适的。但是,拉格朗日函数中,自变量含有广义速度,而不含有广义动量。需要反解出广义速度用广义
2、动量来表达。哈密顿力学的理论研究了如何取自变量和系统函数来描述力学体系,使所得方程更加简单易解:,勒让德变换,系统函数以谁为自变量,则它的全微分就写成这些变量的微分之线性组合,系数就是该自变量的共轭变量,也即系统函数对该自变量的偏微分。勒让德变换可以将系统函数的某个自变量(如下例的x)换为它的共轭变量(u),同时,系统函数也有相应变化。例如:,拉格朗日函数变换为哈密顿函数,拉格朗日函数为系统函数时,广义速度和广义动量是共轭坐标。如果想以 pi 为自变量,则进行勒让德变换:,哈密顿函数,定义哈密顿函数H(p,q,t),数值上等于广义能量积分,但必须以广义动量为自变量。则对应有:,哈密顿正则方程,
3、得到哈密顿正则方程(共2s个):方程给出了2s个变量随时间的变化率,可一步步积分求出以后各个时刻的值。其中前s个给出广义速度和广义动量之间的关系,后s个等价于原来的s个拉格朗日方程。p 和 q 称为正则共轭变量,正则方程具有对称形式。,哈密顿正则方程中的循环坐标,从对应关系 得知,如果拉格朗日函数不显含某个广义坐标,即存在某循环坐标,则哈密顿函数也不显含它,对应的广义动量守恒,因而可以将系统的自由度减少一维(可遗坐标)2s个正则变量只要其中一个在哈密顿函数中不显含,它对应的正则共轭变量就是常数,系统的自由度就可以减少一维(可遗)。如果拉格朗日函数不显含时间,则哈密顿函数也不显含时间,广义能量积
4、分或哈密顿量守恒。,哈密顿正则方程与拉格朗日方程比较,拉格朗日函数及方程可以直接得到。而哈密顿函数需要通过广义动量代替广义速度之后,从拉格朗日函数经过变换得到。拉格朗日方程是二阶的微分方程,而哈密顿方程是一阶的。但哈密顿方程的变量个数增大了一倍。对于循环坐标,哈密顿正则方程处理起来方便很多,无论哈密顿函数缺少任意一个q,p,t,都可以找到它相应的守恒量。拉格朗日方程和哈密顿方程本质上是等价的。,劳斯函数,经过对比得知,哈密顿正则方程擅长对循环坐标处理,而拉格朗日方程对普通坐标处理较为简便。若只对循环坐标采用勒让德变换,使其处理用哈密顿正则方程,而对其余则不做变换,所得的为劳斯函数。设q1qm是
5、循环坐标,其余不是,则劳斯函数为,劳斯方程,同时,对应可得,哈密顿函数及正则方程举例,弹簧谐振子问题。相对论带电粒子。,哈密顿正则方程举例,平方反比有心力场中的运动不能因为pq是恒量而直接替去L中的,而是应该用劳斯函数,其中pq才能当常数处理。,作业:3.1,3.2,3.3,第15次课,哈密顿正则方程解题步骤,用哈密顿正则方程解题的步骤大致有确定系统的自由度,选取广义坐标。写出系统的拉格朗日函数。计算广义动量,并用广义动量来表示广义速度。通过勒让德变换计算哈密顿函数H。得到的H表达式中的广义速度用广义动量替换。列出哈密顿正则方程。求解方程,得到广义坐标随时间的变化关系。并结合初始条件确定积分常
6、数。,哈密顿正则方程举例,相对论粒子在电磁场中运动(习题3.5),由哈密顿原理推导哈密顿正则方程,由哈密顿原理出发,将p,q都看成是独立变量,变分之后能得到哈密顿正则方程。,正则变换,通过对拉格朗日函数做勒让德变换,以广义动量为自变量替换了广义速度,得到哈密顿正则方程。进一步,考虑用一组新的自变量 Qi(q,p,t),Pi(q,p,t)和新的系统函数 K(Q,P,t)和方程来描述力学体系的演化,有可能使得方程求解更加简便。如果新的变量和函数之间仍然满足正则方程,则从q,p,H到Q,P,K的变换为正则变换。,正则变换的等价条件,如果到Q,P,K的变换为正则变换,则有 反之,将Q,P视为独立变量,
7、也可以得到正则方程,因而是正则变换。进一步,如果有(其中 f 是任意函数),则显然也能满足积分的变分为0的条件,也即能判断是正则变换。这是因为真实运动过程的作用量最小,无论用新旧变量描述,只相差一个全微分。,正则变换的生成函数,虽然 f 任意,按照其全微分应该写为各个变量微分的线性组合的原则,这里 f 称为生成函数,它的自变量应该是 f1=f(q,Q,t)。因此对应各项系数,有,正则变换的第2种类型,还可以通过勒让德变换,用 p 或 P 作为 f 的自变量,能得到其他3种类型的正则变换。对应各项系数有,正则变换的3、4种类型,第3种类型的正则变换的生成函数和系数对应关系为:第4种类型的关系为:
8、,几个简单的正则变换,广义坐标和广义动量互换,生成函数为相空间平移,作业:3.4,3.6,3.7,3.11,第16次课,正则变换实例,给定P,Q表达式,求证为正则变换的问题,通过化 为全微分即可(若没给 K 则取 K=H)。例:证明 Q=ln(sin(p)/q),P=q cot(p)为正则变换。,正则变换实例,证明给定P=P(p,q),Q=Q(p,q)是正则变换的充分必要条件为雅克比行列式 证:,雅克比行列式,考虑平面上使用正交曲线坐标(q,p),另有正交曲线坐标为u=u(q,p),v=v(q,p),面积元:雅克比行列式是面积元变换时的系数。,正则变换实例,给出变换求生成函数。已知有一变换Q=
9、qncos(mp),P=qnsin(mp),其中m,n是常数。求(1)该变换为正则变换时m,n的值。(2)正则变换时的第3类生成函数。证:,正则变换实例,给出生成函数求变换并求解。对于谐振子哈密顿函数 进行正则变换,求解系统的运动。解:,正则变换实例,给出生成函数求变换并求解。已知生成函数 给出相应的正则变换,并求解抛体的运动问题。解:,泊松括号,泊松括号定义为对于只含单个p,q的情况是雅克比行列式。利用正则方程,任意函数的全微分可表示为:用以判断该物理量是否守恒。,泊松括号基本性质,反对称性是否配对 正则变换时微分分配律结合律泊松恒等式正则不变性,作业:3.13,3.14,3.15,3.18
10、,第17次课,泊松定理,如果f(q,p,t)和g(q,p,t)是守恒量,则由他们组成的泊松括号也是守恒量。利用全微分算符和偏微分算符可交换的性质,有即可得证。由泊松定理,可以从两个已知的守恒量推导出更多的守恒量,但大多得到的是常数或原来运动积分的线性组合。,泊松括号的正则不变性,进行了正则变换之后,用新的P,Q作为泊松括号表达式中作偏导数的自变量,其泊松括号不变,即柏松括号的正则不变性。对于自由度为1的情况,有即可得证。多维的情况证明从略。,泊松括号例题,Jx,Jy,Jz和J分别是相对原点的角动量的三个分量和总角动量。求Jx,Jy,Jx,J,说明Jx,Jy不能同时成为广义动量,若他们两个都是运
11、动积分,则Jz也是运动积分。证:两个广义动量的泊松括号必为0而Jx,Jy0。,泊松括号例题,哈密顿函数H=p1p2+q1q2,证明p12+q22和p22+q12是守恒量,并导出其他守恒量。证:若前两个量守恒则此量也守恒。,哈密顿-雅可比方程的由来,取适当的生成函数,正则变换之后,有可能使得系统函数特别简单,从而方程的求解也很简单。最简单的情况是,系统函数变为0。这时,由P,Q满足的正则方程可得:因此,P,Q均为常数。同时,若是第2类生成函数,则有,哈密顿-雅可比方程,这样,牛顿力学中求解方程的问题,转化为如何寻找适合的生成函数的问题。设生成函数(主函数)是S,则有这就是哈密顿-雅可比方程。通过
12、求解此方程,可以得到包含s+1个积分常数(记为P0,P1,.,PS)的生成函数S。,哈密顿主函数中的积分常数,这s+1个积分常数,正是哈密顿-雅可比方程中s+1个自变量的偏微分经过积分得到的。其中,P0不起任何作用,也没有物理意义,可以舍去或取为0。其余s个,取作生成函数中的P,即正则变换的新广义动量。由正则变换,可以得到s个运动积分Q:,哈密顿主函数的物理意义,哈密顿主函数S其实正是作用量函数,这可以从下式中看出:哈密顿主函数S也被称为哈密顿作用量函数。哈密顿函数如果不显含时间 t,则它为守恒量,从而主函数可以积分得到如:其中 W 不含时间,称为哈密顿特征函数。,哈密顿-雅可比方程的解法,求
13、解偏微分的哈密顿-雅可比方程,一般常用分离变量法。如前面对哈密顿函数不含时间 t 的处理,即是分离变量 t。一般来说,如果哈密顿函数中只含有某个坐标 qk 和 pk 的组合 g(qk,pk),则在哈密顿-雅可比方程中,可以令而在哈密顿-雅可比出现这个组合的地方用这个常数代替,使方程中减少了这个变量。,哈密顿-雅可比方程实例,用哈密顿-雅可比方程求解一维简谐振荡。解:,第18次课,作业:3.20,3.21,3.22,3.24,哈密顿-雅可比方程实例,用哈密顿-雅可比方程求解开普勒问题。解:,哈密顿-雅可比方程分离变量实例,用哈密顿-雅可比方程求解哈密顿函数为的问题。解:其中,Di是积分常数,加在
14、Wi中无实际意义。,哈密顿-雅克比方法的相关讨论,从哈密顿-雅克比方程解出主函数S,取之为第2类正则变换生成函数。其中的积分常数换为新广义动量P1,P2,Ps。变换得到K=0。从而P,Q均为常数。这s+1个“积分常数”并不一定是在积分过程中产生的,反而常常是在分离变量中出现的。这些积分常数经常是一些守恒量。它们的全微商为0,但做正则变换时又被视为自变量来求偏导:哈密顿-雅克比主函数S虽然就是作用量函数,但直接通过对L积分求出S却缺乏s个积分常数P,不能用于正则变换。哈密顿函数H描述了系统的性质,而哈密顿-雅克比主函数S描述的系统进一步是具有相同的多个守恒量P的状态。,分析力学的应用连续体系,连
15、续体系:由无限多个相互关联的介质或场构成的、空间上连续变化的力学体系。如弹性固体,流体,甚至电磁场,都可以当作连续体系处理。以一维弹性体为例,将连续体系看作是各个离散的质点,单位体积的拉格朗日函数为:,连续体系的拉格朗日函数,连续体系的特点是具有以时间和空间为自变量的场量。在弹性力学中,E是杨氏模量,代表物体的弹性。l是物体的线密度。偏离平衡位置的位移量作为连续体系的场量。全空间的拉格朗日函数为:其中,广义速度在保留一阶小量时可以写为q对时间的偏微分。,连续体系的拉格朗日方程,连续体系的特点是具有以时间和空间为自变量的场量。拉格朗日密度函数一般含有场量对时间的偏微分和对空间的偏微分。从而可以运
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