Пред.
След.
Макеты страниц
Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO
9. Главная функция Гамильтона и движение фазовой жидкости.Результаты нашего обсуждения, естественно, имеют отношение к задаче интегрирования уравнений динамики. Нам уже известно соотношение между производящей функцией
При этом следует помнить, что
Получение этих формул равносильно полному интегрированию динамической задачи, потому что все механические переменные записаны в виде явных функций времени Следовательно, задача интегрирования сводится к задаче нахождения производящей функции для данной непрерывной последовательности бесконечно малых канонических преобразований. Если эту задачу решить, то остальное получается при помощи дифференцирований и разрешения конечных уравнений. Идея о нахождении фундаментальной функции, из которой при помощи дифференцирования и конечных преобразований без всякого интегрирования могли бы быть получены все решения уравнений движения, принадлежит Гамильтону. Он первый доказал существование такой функции в геометрической оптике, назвав ее там «характеристической функцией»; эта функция оказалась необычайно полезной в целом ряде задач. Позднее, в своих исследованиях по динамике, Гамильтон снова столкнулся с той же самой функцией, назвав ее на этот раз «главной функцией». Ввиду общей вариационной основы у оптики и механики, эти две концепции эквивалентны и открытие Гамильтона относится по существу к вариационному исчислению, а специальная форма вариационного интеграла несущественна. (Этот интеграл определяет время в оптическом принципе Ферма и действие в механическом принципе Лагранжа.) В распоряжении Гамильтона не было теории канонических преобразований, и он сделал свое открытие, исходя из совершенно иных предпосылок. Главная функция Гамильтона не является абстрактным математическим понятием, которое используется только для получения преобразований специального вида; она имеет определенный физический смысл. Для того чтобы пояснить ход рассуждений Гамильтона, начнем с консервативной системы, у которой функция Лагранжа Вернемся к принципу наименьшего действия в формулировке Лагранжа, перейдя, однако, от
при том дополнительном условии, что С-точка в фазовом пространстве остается на поверхности постоянной энергии
Как мы знаем, тот же самый принцип можно выразить в форме Якоби. Требуется минимизировать интеграл
без каких бы то ни было дополнительных условий. Мы видели, что можно ввести риманов линейный элемент
с помощью которого принципу Якоби можно придать простой геометрический смысл: требуется определить кратчайшие (геодезические) линии в некотором римановом пространстве. Предположим, что мы нашли эти геодезические линии и вычислили вдоль них интеграл (7.9.5). При этом мы фактически получили длину дуги геодезической линии между двумя точками
Из предыдущего известно, что вариация интеграла А равна нулю при варьировании с фиксированными граничными значениями, и содержит только граничный член, если граничные значения варьируются (см. гл. VI, п. 8)
С другой стороны, функция
Сравнение последних двух уравнений приводит к следующим соотношениям:
Эти уравнения снова показывают, что два положения движущейся фазовой жидкости связаны друг с другом при помощи канонического преобразования. Теперь, однако, можно сказать больше: роль Заметим, что производящая функция Во всех наших построениях координаты пространства вне изоэнергетической поверхности. [Напомним, что уравнение (6.10.27), связанное с принципом Якоби, имело смысл тождества, которому должны удовлетворять переменные
То же самое можно сказать и о координатах начальной точки
Главная функция Гамильтона связана таким образом с двумя уравнениями в частных производных. При заданной производящей функции уравнения канонического преобразования могут быть получены с помощью дифференцирований и исключений, что дает возможность выразить в явном виде координаты Перейдем теперь к случаю наличия зависимости от времени, имея в виду как консервативные, так и неконсервативные системы. Процедура при этом в точности та же самая, что и в случае консервативных систем. Лишь время
при дополнительном условии
Введем еще раз линейный элемент
но геометрия, введенная этим линейным элементом, уже не будет римановой. Соединим две точки
этой линии. Таким образом, мы получаем какое-то определенное «расстояние» между двумя точками пространства, причем это расстояние снова оказывается функцией координат этих двух точек
Следовательно, мы построим тем самым главную функцию Гамильтона. Варьируя интеграл действия при произвольных граничных значениях, получаем соотношения
из которых видна каноническая природа преобразования. Уравнение в частных производных принимает вид
или, если выразить К через функцию Гамильтона
Функция Заметим, что ввиду наличия этих двух условий для
которые в явном виде решают задачу движения, определяя координаты Эта схема интегрирования Гамильтона была упрощена и улучшена Якоби. Главная функция Гамильтона должна удовлетворять сразу двум уравнениям в частных производных. Решение этой задачи практически невозможно без более широкой схемы интегрирования, предложенной Якоби. Производящая функция
Второе дифференциальное уравнение больше не нужно, поскольку точка В литературе дифференциальное уравнение (7.9.22) часто называют «дифференциальным уравнением в частных производных Гамильтона — Якоби». Это название совершенно справедливо. Несмотря на фундаментальную важность функции расстояния Гамильтона, его первоначальная схема была неприемлема для целей практического интегрирования. Замечательное открытие Гамильтона дало Якоби ключ к каноническим преобразованиям, что в свою очередь расширило рамки применимости метода самого Гамильтона. С помощью функции Якоби Резюме. В то время как производящая функция канонического преобразования является чисто математическим понятием, Гамильтон ввел «главную функцию», тесно связанную с интегралом действия. В его геометрической интерпретации эта функция имеет ясный смысл. Она задает расстояние между двумя точками в соответствующим образом определенном метрическом пространстве, являясь при этом функцией координат этих двух точек. Главная функция Гамильтона является производящей функцией того частного канонического преобразования, которое связывает два состояния фазовой жидкости, принадлежащие двум различным моментам времени, причем связывает их непосредственно, без помощи какой-либо промежуточной внешней точки.
|
1 |
Оглавление
|