Analytical Mechanics This page intentionally left blank


Download 10.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet24/55
Sana30.08.2017
Hajmi10.87 Mb.
#14604
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   ...   55

i

(p(t), q(t), t), ξ



i

(p(t), q(t), t)

in the direct Hamiltonian flow, along which the functions η

i

, ξ



i

are all constant.

The Poisson brackets are again zero. It is not difficult to check that

{Q

1



, P

i

} = {t, P



i

} = −


1

∂ξ

1



/∂t

1



, η

i

} = 0, for i > 1,



and similarly

{Q

1



, Q

i

} = {t, Q



i

} = −


1

∂ξ

1



/∂t

1



, ξ

i

} = 0.



We must finally check that

{Q

i



, P

j

} = δ



ij

for i, j =

/ 1. Proceeding as usual, we

find


{Q

i

, P



j

} = {ξ


i

, η


j

} −


1

∂ξ

1



/∂t

∂ξ

i



∂t

1



, η

j

} −



∂η

j

∂t



1

, ξ



i

} = δ


ij

,

i, j =



/ 1.

This concludes the proof of the theorem.

Remark 10.31

Symplectic rectification leads to a pair of conjugate variables taking respect-

ively the values of the Hamiltonian (constant) and of time, while (for l > 1) the

remaining coordinates are all first integrals of the motion.

Example 10.30

We seek a symplectic rectification of the system with Hamiltonian

f (p, q) = p

1

q



2

− p


2

q

1



.

Considering directly the equations of the retrograde motion, with Hamiltonian

−f(η, ξ) = −η

1

ξ



2

+ η


2

ξ

1



, and initial values η

i

(0) = p



i

, ξ


i

(0) = q


i

, i = 1, 2, we find

ξ

1

(p, q, t) = q



1

cos t


− q

2

sin t,



ξ

2

(p, q, t) = q



2

cos t + q

1

sin t,


η

1

(p, q, t) = p



1

cos t


− p

2

sin t,



η

2

(p, q, t) = p



2

cos t + p

1

sin t.


384

Analytical mechanics: canonical formalism

10.8

Assuming, for example, that q



2

=

/ 0, we find that the transformation we seek



(setting ξ

1

= 0) is



P

1

= p



1

q

2



− p

2

q



1

,

Q



1

= arccot


q

1

q



2

,

P



2

= p


2

cos


arccot

q

1



q

2

+ p



1

sin


arccot

q

1



q

2

,



Q

2

= q



2

cos


arccot

q

1



q

2

+ q



1

sin


arccot

q

1



q

2

.



Therefore, possible expressions for P

2

, Q



2

are


P

2

=



p

1

q



1

+ p


2

q

2



q

2

1



+ q

2

2



,

Q

2



=

q

2



1

+ q


2

2

.



The new coordinates characterise the first integrals P

1

(constant Hamiltonian),



P

2

, Q



2

. Since the motion generated in the space (p, q) is a uniform rotation in

the plane q

1

, q



2

together with a uniform rotation in the plane p

1

, p


2

, it is clear

that q

2

1



+ q

2

2



= R

2

= constant (and also p



2

1

+ p



2

2

), while P



2

= constant is equivalent

to p

· q = constant.



10.8

Infinitesimal and near-to-identity canonical

transformations. Lie series

The canonical transformations that are ‘near’ (in a sense to be made precise)

to the identity transformation have great importance. Indeed, as we shall see

in Chapter 12 when we treat the canonical theory of perturbations, using these

nearly identical transformations one can study the dynamics of many interesting

mechanical systems. For most applications, we only use completely canonical

transformations ‘near to identity’. Hence in this and the following sections we

study only time-independent transformations. Due to Remark 10.20 this is not

a real restriction.

D

efinition 10.19 Let f and g be two functions of class C



defined on an open

set A

⊂ R


2l

, with values in R

l

. Consider ε



∈ R, |ε|

1. An infinitesimal

coordinate transformation can be expressed as

p = P + εf (P, Q),

q = Q + εg(P, Q).

(10.166)


T

heorem 10.21 If ε is sufficiently small, then the transformation defined by

(10.166) is invertible, i.e. for every open bounded subset C of A, with C

⊂ A,


there exists ε

0

> 0 such that for every ε



∈ R, |ε| < ε

0

, the transformation (10.166)



10.8

Analytical mechanics: canonical formalism

385

restricted to C is invertible. The inverse transformation is given, to first order in



ε, by

P = p


− εf(p, q) + O(ε

2

),



Q = q

− εg(p, q) + O(ε

2

).

(10.167)



Proof

The Jacobian matrix of the transformation (10.166) is

∂(p, q)

∂(P, Q)


= 1 + ε

P



f

Q



f

P



g

Q



g

,

where 1 indicates the 2l



× 2l identity matrix. Since f and g are in C

, their first



derivatives are uniformly bounded on each compact subset of A. Therefore there

exists a constant M > 0 such that

det

∂(p, q)


∂(P, Q)

> 1


− εM

on C. It follows that if

|ε| < ε

0

= 1/M , the Jacobian is non-singular and the



transformation is invertible. Since in addition

f (P, Q) = f (p, q) +

O(ε), g(P, Q) = g(p, q) + O( ),

from (10.166) we can immediately deduce (10.167).

D

efinition 10.20 An infinitesimal transformation (10.166) defines a canonical



infinitesimal transformation if

{p

i



, p

j

} = {q



i

, q


j

} = O(ε


2

),

{q



i

, p


j

} = δ


ij

+

O(ε



2

),

(10.168)



where i, j = 1, . . . , l, and the Poisson brackets are computed with respect to the

variables (P, Q).

The infinitesimal canonical transformations are the transformations which

preserve the fundamental Poisson brackets, up to terms of order

O(ε

2

).



T

heorem 10.22 The infinitesimal transformation (10.166) is canonical if and

only if there exists a function K : A

→ R of class C

such that



f

i

(P, Q) =



∂K

∂Q



i

,

g



i

(P, Q) =


∂K

∂P

i



,

(10.169)


where i = 1, . . . , l. We say that K is the Hamiltonian associated with the

infinitesimal canonical transformation (10.166).



386

Analytical mechanics: canonical formalism

10.8

Proof


The Jacobian matrix of the system (10.166) is ˜

J = 1 + εJ , where

J =



P



f

Q



f

P



g

Q



g

is the matrix

X

φ(X), where φ is the vector field (f(X), g(X)). The condition



that the transformation is canonical can be written as

(1 + εJ


T

)

I(1 + εJ) = I + O(ε



2

),

which is equivalent to



J

T

I + IJ = 0,



and hence to the fact that J is Hamiltonian (Definition 10.1). It follows from

Theorem 10.5 that the transformation is canonical if and only if the field (f , g)

is Hamiltonian, i.e. if it is generated by a Hamiltonian K(P, Q).

Hamiltonian matrices are sometimes also called infinitesimally symplectic

matrices. This is due to the property just seen, that if J is Hamiltonian then

1 + εJ is symplectic to first order in ε. Due to (10.169) we note that, by inter-

preting ε as an infinitesimal ‘time’, the transformation (10.166) is a canonical

infinitesimal transformation if and only if (up to terms of order

O(ε

2

)) it has the



structure of a Hamiltonian flow with respect to the parameter ε.

Example 10.31

The infinitesimal transformation

q

i



= Q

i

+ εQ



i

,

p



i

= P


i

− εP


i

,

i = 1, . . . , l



(10.170)

is canonical. Indeed

{q

i

, q



j

} = {p


i

, p


j

} = 0 and

{q

i

, p



j

} = {Q


i

+ εQ


i

, P


j

− εP


j

} = {Q


i

, P


j

} − ε


2

{Q

i



, P

j

} = δ



ij

(1

− ε



2

).

The inverse transformation is



Q

i

=



q

i

1 + ε



= q

i

− εq



i

+

O(ε



2

),

P



i

=

p



i

1

− ε



= p

i

+ εp



i

+

O(ε



2

),

and the function K is K =



l

i

=1



P

i

Q



i

.

Example 10.32



The infinitesimal transformation

p = P + 2εQ(1 + cos P ),

q = Q + εQ

2

sin P



(10.171)

is canonical. Indeed,

{q, p} = (1 + 2εQ sin P )(1 − 2εQ sin P ) − ε(Q

2

cos P )2ε(1 + cos P )



= 1

− 2ε


2

Q

2



(1 + cos P + sin

2

P ),



10.8

Analytical mechanics: canonical formalism

387

and since l = 1, the Poisson bracket



{q, p} is equal to the Jacobian determinant of

the transformation. Therefore, if (P, Q)

∈ C, where C is the rectangle (−π, π) ×

(

−1, 1), the condition ε < 1/



6 is sufficient to ensure the invertibility of the

transformation. Evidently the associated Hamiltonian is

K =


−Q

2

(1 + cos P ).



(10.172)

While the infinitesimal canonical transformations are canonical in the approx-

imation

O(ε


2

), the near-to-identity canonical transformations which we are about

to define depend on a small parameter ε, but are exactly canonical as ε varies.

D

efinition 10.21 A one-parameter family of completely canonical transforma-



tions x = x(X, ε) from the variables x = (p, q) to X = (P, Q) is near to identity

if it has the form

p = P + εf (P, Q, ε),

q = Q + εg(P, Q, ε),

(10.173)

where ε is a parameter that varies in an open interval I = (

−ε

0

, ε



0

), with


0 < ε

0

1, the functions f , g, A



× I → R

l

are of class



C

in all their



arguments, and A is an open set in R

2l

.



T

heorem 10.23 Let C be a compact subset of R

2l

. Every near-to-identity canon-



ical transformation defined in an open neighbourhood of C admits a generating

function F (q, P, ε) of the form

F (q, P, ε) =

l

i



=1

q

i



P

i

+ ε



F(q, P, ε),

(10.174)


and vice versa. Here

F is a function of class C

in all its arguments, for every



ε

∈ (−ε


0

, ε


0

), where ε

0

is a sufficiently small positive constant.



Proof

From the second of equations (10.173) it follows that

∂q

i

∂Q



j

= δ


ij

+ ε


∂g

i

∂Q



j

,

and therefore as (P, Q)



∈ C varies, the condition (10.121), i.e. det(∇

Q

q) =



/ 0, is

certainly satisfied, if ε

0

is sufficiently small. Hence there exists a regular function



Q(q, P, ε) such that

Q = q + ε

Q(q, P, ε).

Substituting it into the first of equations (10.173) we find

p = P + ε

P(q, P, ε),



388

Analytical mechanics: canonical formalism

10.8

where


P(q, P, ε) = f(P, q+εQ(q, P, ε), ε). We now recall that if the transformation

(10.173) is canonical, the form

l

i

=1



(p

i

dq



i

+ Q


i

dP

i



) can be integrated to find

the generating function (10.175) (see (10.117)).

Conversely, since (q, P) varies in a compact subset of R

2l

, if ε



0

is sufficiently

small then

det


2

F



∂q

i

∂P



j

= det


δ

ij

+ ε



2

F



∂q

i

∂P



j

> 0,


and the equations

p =


q

F = P + ε



q

F, Q = ∇



P

F = q + ε

P

F



(10.175)

generate a near-to-identity canonical transformation.

Example 10.33

Consider the function

F (q, P, ε) = qP + εq

2

(1 + cos P ).



(10.176)

Since ∂


2

F/∂q∂P = 1

− 2εq sin P , as (q, P ) varies in a compact subset, if |ε| <

ε

0



is sufficiently small, the function F generates a near-to-identity canonical

transformation. For example if (q, P )

∈ [−a, a] × [−π, π] we set ε

0

< 1/2a. The

transformation generated by F is defined implicitly by

Q = q


− εq

2

sin P,



p = P + 2εq(1 + cos P ).

Solving the first equation for q we find

q =

1

2ε sin P



1

− 1 − 4εQ sin P ,

where the choice of negative sign for the determination of the square root is

fixed by the requirement that q

→ Q when ε → 0. Taking the Taylor series of

the square root:



1



− x = −1 +

x

2



+

n



=2

(2n


− 3)!!

2

n



n!

x

n



,

and taking into account that x = 4εQ sin P we find

q = Q + εQ

2

sin P +



j

=2



(2j

− 1)!!


(j + 1)!

2

j



ε

j

(sin P )



j

Q

j



+1

.

(10.177)



The same result is obtained by an application of Lagrange’s formula (see

Theorem 5.5):

q = Q + εQ

2

sin P +



j

=2



ε

j

j!



(sin P )

j

d



j

−1

dQ



j

−1

Q



2j

,


10.8

Analytical mechanics: canonical formalism

389

considering that



d

j

−1



dQ

j

−1



Q

2j

=



2

j

(2j



− 1)!!

j + 1


Q

j

+1



,

as is easily verified by induction. Substituting the expression for q into the

expression for p we arrive at

p = P + 2ε(1 + cos P )

Q + εQ

2

sin P +



j

=2



(2j

− 1)!!


(j + 1)!

2

j



ε

j

(sin P )



j

Q

j



+1

.

(10.178)



The comparison between Examples 10.32 and 10.33 sheds light on the differ-

ence between infinitesimal canonical transformations and near-identical canonical

transformations. Clearly, the transformation (10.171) coincides with equations

(10.177), (10.178) up to terms of order

O(ε

2

). Since the Hamiltonian associated



with (10.171) is K =

−Q

2



(1 + cos P ), comparing this with (10.176) suggests

that by setting

F(q, P) = −K(q, P) in Theorem 10.17 we obtain the generating

function of a near-to-identity canonical transformation starting from an infinites-

imal canonical transformation. This is precisely the conclusion of the following

theorem.


T

heorem 10.24

To every infinitesimal canonical transformation (10.166) with

associated Hamiltonian K (see (10.169)) there corresponds a near-to-identity

canonical transformation. The latter coincides with (10.166) up to terms of order

O(ε


2

). The transformation can be obtained starting from the generating function

(10.174) by setting

F = −K(q, P). Conversely, to every near-to-identity canonical

transformation (10.173) there corresponds an infinitesimal canonical transform-

ation (10.166) obtained by neglecting terms of order

O(ε

2

) in (10.173). The



associated Hamiltonian is given by K =

−F(Q, P, 0).

Proof

To prove the first statement it is enough to note that from equation (10.176),



setting

F = −K(q, P), it follows that

p = P

− ε∇


q

K,

Q = q



− ε∇

P

K,



and hence

p = P


− ε∇

Q

K +



O(ε

2

),



q = Q + ε

P



K.

The second part of the theorem has an analogous proof.



390

Analytical mechanics: canonical formalism

10.8

We saw in Theorem 10.13 that the Hamiltonian flow is canonical. Considering



time as a parameter and setting ε = t in an interval (

−ε

0



, ε

0

), this flow gives an



example of a near-to-identity canonical transformation, while neglecting terms of

order


O(ε

2

) it provides an example of an infinitesimal canonical transformation.



Indeed, consider the canonical equations (10.90) for a Hamiltonian H(p, q), where

(P, Q) denote the initial conditions (at time t = ε = 0) and (p, q) denote the

solutions of (10.90) at time t = ε. An integration of equations (10.90) that is

accurate to first order in ε yields

p = P

− ε∇


Q

H(P, Q) +

O(ε

2

),



q = Q + ε

P



H(P, Q) +

O(ε


2

),

(10.179)



and hence equations (10.169) are satisfied with K = H.

We now show how it is always possible, at least in principle, to formally

construct a near-to-identity transformation associated with a given Hamiltonian

H.

Let



(p, q) = S

t

(P, Q) = (p(P, Q, t), q(P, Q, t))



(10.180)

be the Hamiltonian flow associated with H. As we saw in Section 10.5, S

t

defines


an evolution operator U

t

acting on the observables of the system. If the Hamilto-



nian H(p, q) is independent of time, and we consider the action of U

t

on the



functions f (P, Q)

∈ C


(R

2l



), then we have

d

dt



(U

t

f )(P, Q) = (



{f, H} ◦ S

t

)(P, Q) =



{f, H}(p, q) = (−D

H

f )(p, q), (10.181)



where D

H

=



{H, ·} (see (10.145)) is called an infinitesimal generator of U

t

.



T

heorem 10.25 For every t ∈ R we formally have that

U

t

= e



−tD

H

,



(10.182)

i.e.


(U

t

f )(P, Q) =



j

=0



(

−t)


j

j!

(D



j

H

f )(P, Q)



(10.183)

as long as the series converges.

Remark 10.32

Here D


j

H

denotes the operator D



H

applied j times if j

≥ 1, and the iden-

tity operator D

0

H

f = f if j = 0. The series expansion (10.183) for the evolution



operator U

t

is called the Lie series.



Proof of Theorem 10.25

By the theorem of the existence and uniqueness for ordinary differential equations,

the Hamiltonian flow is uniquely determined and it is a one-parameter group


10.8

Analytical mechanics: canonical formalism

391

of diffeomorphisms. Therefore it is sufficient to check that the series (10.183)


Download 10.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   20   21   22   23   24   25   26   27   ...   55




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling