9. Гамильтониан как исходное понятие
Вместо того, чтобы начинать с лагранжиана и получать из него гамильтониан, можно начинать с гамильтониана. Мы полагаем, что имеются некоторые динамические переменные
и, возможно, другие динамические переменные, между которыми определены СП, обладающие свойствами (4.4), и что их связывают некоторые слабые уравнения в качестве
-уравнений. На таком пути нет оснований различать
По крайней мере, одна из
должна быть первого рода, т.е. иметь нулевые СП со всеми
, иначе не будет непротиворечивого движения. Предположим затем, что гамильтониан есть линейная комбинация
первого рода) с новыми переменными
в качестве коэффициентов, а гамильтоновы уравнения движения имеют вид (4.6) или (6.12). Сами v могут быть произвольными функциями независимой переменной
.
Прежнюю схему уравнений движения, выведенных из лагранжиана и включающих как
так, возможно, и следует считать примером настоящей схемы, в котором некоторые из v обращены в нуль дополнительными условиями. Тогда
отвечающие этим
суть
первого рода в прежней схеме. Такие дополнительные условия, да и любые дополнительные условия, содержащие v, ничего не дают в применениях теории к релятивистской динамике, рассматриваемых в следующем разделе, и не могут быть перенесены в квантовую теорию, так что в дальнейшем они исключаются. Дополнительные же условия, по содержанию v, суть в точности
-уравнения.
СП двух
первого рода есть
первого рода, в чем можно убедиться следующим образом. СП
слабо обращается в нуль и поэтому в сильном смысле равна линейной комбинации
— единственных величин, слабо равных нулю в настоящей схеме. Мы должны показать, что ее СП с любой
слабо равна нулю. Из тождества Пуассона:
Поскольку
— первого рода,
слабо равна нулю и потому в сильном смысле есть линейная комбинация
откуда ее СП с
первого рода слабо обращается в нуль. Аналогично слабо обращается в нуль второй член в правой части (9.1), и необходимый результат доказан.
Предположим, что имеется А независимых
первого рода и М всех независимых
. В фазовом пространстве (
-мерном пространстве переменных
) имеется
—
-мерное подпространство, в котором выполнены все
-уравнения. Назовем его
—
-пространством. Состояние динамической системы при данном значении
фиксируется заданием переменных q и р, удовлетворяющих
всем
-уравнениям, т. е. представляется точкой Р в
-простран-стве. Движение системы, исходным для которого является это состояние, представляется в
—
-пространстве кривой с началом в Р. Благодаря произвольности А переменных
эта кривая может уходить в любом направлении в малом пространстве А измерений, охватывающем Р. Для каждой точки
—
-пространства имеется такое малое
-мерное охватывающее пространство. Покажем теперь, что эти малые пространства интегрируемы.
Предположим, что в интервале времени
обращаются в нуль все v, за исключением
равной 1, в следующем интервале
— все v, за исключением
также равной 1. Тогда любая функция g, зависящая от q и р, в конце первого интервала переходит в
В конце второго интервала, с учетом членов порядка
но в пренебрежении членами порядка
и она переходит в
Если эти два движения совершаются в обратной последовательности, g переходит в
Разность между (9.2) и (9.3) благодаря тождеству Пуассона равна
Выше было показано, что
есть
первого рода, так что (9.4) есть возможное изменение g, описываемое уравнениями движения при подходящем выборе v и поэтому отвечающее повороту в малом
-мерном пространстве вокруг начальной точки. Это и есть условие интегрируемости. Если в дополнительные условия войдут v, эта интегрируемость может подпортиться. Таким образом, для выведенных из лагранжиана уравнений движения интегрируемость не обязательно имеет место.
Объединение малых пространств образует набор лежащих в
—
-пространстве
-мерных пространств, таких, что движение
Это задает L как функцию
, причем линейную по q и v. Взяв независимые вариации
мы получаем
Таким образом, SL не зависит от
. Этот результат следует сопоставить с (3.2).
Если уравнения (9.7) вместе с
-уравнениями выражают q как независимые функции р и v, позволяя тем самым считать р и v функциями
, то (9.9) показывает, что L есть функция только q и q в сильном смысле. Эта функция должна быть однородной первой степени по q. Ее частные производные по q и q дают
Это обычные лагранжевы уравнения.
Если уравнения (9.7) вместе с
-уравнениями не выражают q как независимые функции р и v, то они приводят к некоторым соотношениям, связывающим только q и q, скажем,
однородны по q, и мы выбираем их так, чтобы однородность была первой степени. Дальнейшие действия аналогичны методу § 3, но с взаимной переменой ролей у р и q. Мы получаем аналогичный (3.5) результат
где
зависит только от
и должен быть однородным первой степени по
, а коэффициенты
зависят от q, р и
Если А считать независимыми переменными при частном дифференцировании L, a L тогда однороден первой степени по q, мы возвращаемся к уравнениям (9.10). Таким образом, мы имеем лагранжиан, содержащий импульсные переменные; нечто подобное обсуждалось в конце предыдущего раздела, причем тогдашние
отвечают теперешним
, а дополнительные условия (8.9) — уравнениям (9.11).