Analytical Mechanics This page intentionally left blank


Download 10.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet38/55
Sana30.08.2017
Hajmi10.87 Mb.
#14604
1   ...   34   35   36   37   38   39   40   41   ...   55


8

sin(2χ


2

− χ


1

)] + J


3/2

2

[F



9

sin χ


2

+ F


10

sin 3χ


2

],


540

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.10

where F


1

, . . . , F

10

are constants depending on m, ω



1

, ω


2

, a


30

, a


21

, a


12

, a


03

(for


example: F

1

=



3

4

(2/mω



1

)

3/2



a

30

, F



2

=



1

4

(2/mω



1

)

3/2



a

30

, etc.).



Setting H

0

= ω



1

J

1



2

J



2

and I


(2)

= ω


1

J

1



−ω

2

J



2

we must impose the condition

{H, I} = {H

0

+ F, I



(2)

+ I


(3)

}

=



{H

0

, I



(2)

} + {H


0

, I


(3)

} + {F, I

(2)

} + {F, I



(3)

} = 0,


neglecting terms of degree

≥ 4 in J


1/2

1

, J



1/2

2

and in their products. Since



{H

0

, I



(2)

} = 0 and {F, I

(3)

} is of degree 4 we arrive at the equation



{H

0

, I



(3)

} = −{F, I

(2)

};

hence



ω

1

∂I



(3)

∂χ

1



+ ω

2

∂I



(3)

∂χ

2



= ω

1

∂F



∂χ

1

− ω



2

∂F

∂χ



2

,

from which it follows that to each term A sin(mχ



1

+ nχ


2

) appearing in F there

corresponds a term

ω

1



m

− ω


2

n

ω



1

m + ω


2

n

A sin(mχ



1

+ nχ


2

)

in I



(3)

. Therefore the required integral is

I

(3)


(J, χ) =J

3/2


1

[F

1



sin χ

1

+ F



2

sin 3χ


1

] + J


1

J

1/2



2

− F


3

sin χ


2

+



1

− ω


2

1



+ ω

2

F



4

sin(2χ


1

+ χ


2

) +


1

+ ω



2

1



− ω

2

F



5

sin(2χ


1

− χ


2

)

+ J



1/2

1

J



2

F

6



sin χ

1

+



ω

1

− 2ω



2

ω

1



+ 2ω

2

F



7

sin(2χ


2

+ χ


1

)

+



ω

1

+ 2ω



2

ω

1



− 2ω

2

F



8

sin(2χ


2

− χ


1

) + J


3/2

2

[



−F

9

sin χ



2

− F


10

sin 3χ


2

].

The procedure followed is justified as long as



1

± ω



2

=

/ 0,



ω

1

± 2ω



2

=

/ 0.



12.10

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

541

Problem 3



Consider the motion of a ball of mass m bouncing elastically between two walls

that are slowly moving towards one another, and prove that the action is an

adiabatic invariant.

Solution


Consider the motion of a ball of mass m bouncing elastically between two fixed

walls at a distance d (see Percival and Richards 1986). Although this system

cannot be described by a regular Hamiltonian (because the speed v of the ball

varies discontinuously from v

→ −v at each hit), the motion can be studied

simply and the system is integrable. Let E =

1

2

mv



2

be the energy of the ball, q

be its position and p = mv be the momentum. The phase curves are rectangles

(Fig. 12.3), the action J is given by

J =

1



(area of the rectangle) =

1



(2mvd) =

d

π



2mE,


and the energy, as a function of the action, is given by

E =


1

2m

πJ



d

2

.



p

mv

O

–mv

q

Fig. 12.3



542

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.10

Suppose now that one of the two walls moves towards the other with a velocity



ε, such that at time t the distance between the walls is x(t) = d

− εt. Let

ε

ω

0



=

π

2



md

2

J =



π

d

v,



and indicate by v

n

the velocity of the ball just before the nth collision with the



moving wall, and by v

n

+1



the velocity immediately after the collision (Fig. 12.4).

Evidently

v

n

+1



= v

n

+ 2ε,



from which it follows that

v

n



= v

0

+ 2nε.



If x

n

is the distance between the planes at the moment corresponding to the nth



collision, and

t



n

measures the time interval between the (n + 1)th and the nth

collisions, we have

t



n

=

x



n

+1

+ x



n

v

n



+1

=

x



n

− x


n

+1

ε



,

from which we deduce

x

n

+1



=

v

n



+1

− ε


v

n

+1



+ ε

x

n



,

t



n

=

2x



n

v

n



+1

+ ε


.

(12.154)


«

v

n

v

+ 1

x

+ 1

= 0

x

n

v

+ 1

Fig. 12.4



12.10

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

543

Table 12.1 x



0

= 1, v


0

= 1, m = 1, ε = 0.01.

n

x

n



v

n

t



n

E

n



π · J

n

0



1

1.0


0

0.5


1

10

0.835



1.2

16.5


0.72

1.002


50

0.502


2.0

49.8


2.0

1.005


100

0.336


3.0

66.4


4.5

1.007


500

0.092


11.0

90.8


60.5

1.009


1000

0.048


21.0

95.2


220.5

1.010


Table 12.2 x

0

= 1, v



0

= 1, m = 1, ε = 0.1.

n

x

n



v

n

t



n

E

n



π · J

n

0



1

1

0



0.5

1

10



0.355

3

6.45



4.5

1.065


50

0.099


11

9.01


60.5

1.089


100

0.052


21

9.48


220.5

1.092


500

0.01088


101

9.89


5100.5

1.099


1000

0.0055


201

9.95


20200.5

1.099


Since v

j

+1



− ε = v

j

+ ε, iterating equation (12.154) we find



x

n

+1



= x

0

n



j

=0

v



j

+ ε


v

j

+1



+ ε

=

v



0

+ ε


v

n

+1



+ ε

x

0



=

v

0



+ ε

v

0



+ (2n + 3)ε

x

0



,

(12.155)


and hence the (n + 1)th collision happens at the instant

t

n



+1

− t


0

=

n



j

=0



t

j

=



x

0

− x



n

+1

ε



=

2(n + 1)ε

v

0

+ (2n + 3)ε



.

The action between two successive collisions is given by

J

n

=



m

π

v



n

x

n



(the system keeps the memory of the last hit); therefore by equation (12.155) we

have


J

n

=



m

π

(v



0

+ 2nε)


v

0

+ ε



v

0

+ (2n + 1)ε



x

0

= J



0

+ εx


0

m

π



2nε

v

0



+ (2n + 1)ε

,

(12.156)



while

E

n



=

1

2



mv

2

n



=

1

2



m(v

0

+ 2nε)



2

= E


0

+ 2εv


0

nm + 2mn


2

ε

2



.

544

Analytical mechanics: canonical perturbation theory

12.10

It is immediate to check that from (12.156) it follows that



|J

n

− J



0

| ≤


mεx

0

π



,

for all n

∈ N. The action is therefore an adiabatic invariant, while the energy is

not, because

E

n

− E



0

= 2mεn(v


0

+ nε),


and therefore E

n

− E



0

=

O(1) if n = O (1/ε). Tables 11.1 and 11.2 show the



values of E, J, x and t for n = 10, 50, 100, 500 and 1000, corresponding to x

0

= 1,



v

0

= 1 and ε = 0.01 and ε = 0.1, respectively.



13 ANALYTICAL MECHANICS: AN INTRODUCTION

TO ERGODIC THEORY AND TO CHAOTIC

MOTION

The completely canonically integrable systems are the mechanical model for the



study of systems with an orderly and regular behaviour. The main idea in all

studies in the nineteenth century has been to reduce the study of mechanical

systems to the study of integrable systems, both exactly by using canonical

transformations and the Hamilton–Jacobi equations, and approximately using

the canonical theory of perturbations.

Poincar´


e proved however that this is not always possible, and that Hamiltonian

systems may exhibit a behaviour that is totally different from the behaviour

of integrable systems, exhibiting disorderly and chaotic orbits. The appropriate

language for the study of these systems connects the study of dynamical sys-

tems to probability theory (of which we recall the main introductory notions).

This is the point of view underlying ergodic theory, which we introduce in this

chapter.

We start by introducing the notions of measure and a measurable dynamical

system.

13.1


The concept of measure

D

efinition 13.1 Let X be a non-empty set. A non-empty family A of subsets



of X is a σ-algebra on X if it satisfies the following properties:

(1) A


∈ A ⇒ A

c

∈ A;



(2) for every sequence

{A

i



}, i ∈ N of elements in A we have ∪

i

∈N



A

i

∈ A.



Any family of subsets of X for which (1) and (2) are valid for finite sequences

is called an algebra. It is immediate to verify that any σ-algebra is also an

algebra. In particular if A, B

∈ A then A ∪ B ∈ A.

Example 13.1

For a given set X we can obtain trivial examples of σ-algebras by choosing

(a) the family of all subsets of X;

(b) the pair

{∅, X}.


546

Analytical mechanics

13.1

Remark 13.1



If

A is a σ-algebra on X it is easy to prove that the following properties

hold.

(i) Imposing (2) is equivalent to imposing that



i

∈N



A

i

∈ A (it is enough to



note that

i



∈N

A

i



= (

i



∈N

A

c



i

)

c



and A

c

i



∈ A); in particular A ∩ B ∈ A for

every A, B

∈ A.

(ii)


∅ ∈ A, X ∈ A (indeed A ∈ A ⇒ X = A ∪ A

c

∈ A, ∅ = A ∩ A



c

∈ A).


(iii) A, B

∈ A ⇒ A \ B ∈ A (indeed A \ B = A ∩ B

c

).

(iv) The intersection of σ-algebras on X is a σ-algebra (if



I denotes the inter-

section,


I

X and hence it is non-empty, the properties (1) and (2) of

Definition 13.1 are easily proved).

The latter property allows us to generate the smallest σ-algebra on X containing

a prescribed family

F of subsets of X.

D

efinition 13.2 Given a family F of subsets of X the σ-algebra on X generated



by

F is the intersection of all σ-algebras A such that A ⊃ F.

The definition is meaningful because there exists at least one σ-algebra

A

such that



A ⊃ F (the σ-algebra of all subsets of X). An important case is the

following.

D

efinition 13.3 Let X = R



l

. We call a Borel σ-algebra on R

l

(denoted by



B(R

l

)) the one generated by the family of open subsets of R



l

. The elements

of

B(R


l

) are called Borelian sets of R

l

. More generally, if X is any topolo-



gical space, the Borel σ-algebra of X is the σ-algebra generated by the open

subsets of X.

We can now define the concept of measure.

D

efinition 13.4 Given a set X and a σ-algebra A on X, a measure is a function



µ :

A → [0, +∞] such that

(1 )

µ(

∅) = 0,



(2 )

µ

i



∈N

A

i



=

i

∈N



µ(A

i

)



for every sequence

{A

i



} of disjoint elements of A.

Note that the function µ is allowed to take the value +

∞.

D

efinition 13.5 A triple (X, A, µ) of a set X, a σ-algebra A on X and a



measure µ are called a measure space.

A set A


⊂ X has zero measure if there exists A

1

∈ A such that A ⊂ A



1

and


µ(A

1

) = 0.



Two sets A

1

, A



2

coincide (mod 0) and we write A

1

= A


2

(mod 0) if the

symmetric difference A

1



A

2

has zero measure.



13.1

Analytical mechanics

547

If a property is valid for all points of A



⊂ X except for those in a set of

measure zero, we say that the property is true for µ-almost all x

∈ A (written

as µ-a.a. x

∈ A).

An important case is the case of R and of the Lebesgue measure on



B(R)

which associates with intervals their lengths, and at the same time the case of

the Lebesgue measure on

B(R


l

). It can be shown that the Lebesgue measure

λ :

B(R


l

)

→ [0, +∞] is the only measure with the property that for every



A = (a

1

, b



1

)

× · · · × (a



l

, b


l

), we have

λ(A) = (b

1

− a



1

)(b


2

− a


2

)

· · · (b



l

− a


l

).

Example 13.2



A simple example of measure space is given by a finite set X =

{x

1



, . . . , x

N

}



with the σ-algebra

A = P(X), the set of parts of X. A measure is defined by

assigning to every element x

i

∈ X a real number p



i

≥ 0. The measure of the

subset

{x

i



1

, . . . , x

i

k

} ⊂ X is therefore p



i

1

+ . . . + p



i

k

. If



N

i

=1



p

i

= 1 the measure



is called a probability measure. Interesting examples are given by X =

{0, 1} or

X =

{1, 2, 3, 4, 5, 6} with probabilities p



1

= p


2

=

1



2

and p


1

= p


2

= . . . = p

6

=

1



6

,

respectively, which can be chosen to represent the probability spaces associated



with the toss of a coin or the roll of a die.

Example 13.3

Let (X

i

,



A

i

, µ



i

), i = 1, . . . , l, be measure spaces. The Cartesian product X =

X

1

× . . . × X



l

has a natural structure of a measure space, whose σ-algebra

A

is the smallest σ-algebra of subsets of X containing the subsets of the form



A

1

× . . . × A



l

, where A

i

∈ A


i

, i = 1, . . . , l. On these subsets the measure µ is

defined by

µ(A


1

× . . . × A

l

) = µ


1

(A

1



) . . . µ

l

(A



l

).

(13.1)



It can be proved (see Lasota and Mackey 1985, theorem 2.2.2, p. 24) that there

exists a unique extension of the measure µ defined by (13.1) to the σ-algebra

A of X. The space (X, A, µ) thus obtained is called the product space and the

measure µ is called the product measure.

If X

1

= . . . = X



l

=

{0, 1} or {1, 2, 3, 4, 5, 6} and the measures µ



i

coincide with

the measure defined in the previous example, the product space coincides with

the space of finite sequences of tosses of a coin or rolls of a die, and the product

measure with the probability associated with each sequence.

D

efinition 13.6 If µ(X) = 1, a measure µ is called a probability measure and



the triple (X,

A, µ) is a probability space.

In what follows we sometimes denote by

M(X) the set of probability measures

on a measure space (X,

A, µ).


548

Analytical mechanics

13.2

13.2


Measurable functions. Integrability

The theory of Lebesgue measurable functions (see Giusti 1989), with its most

significant results (the theory of integration, Fatou’s theorems on monotone and

dominated convergence, the absolute continuity of the integral, and so on), can

be easily extended to the functions f : X

→ R, where (X, A, µ) is an arbitrary

measure space (see Rudin 1974).

We recall first of all the notion of an integral of a measurable function.

D

efinition 13.7 Let f : A → [−∞, +∞] be defined on A ⊂ X belonging to a



σ-algebra

A on X. The function f is called measurable (with respect to A) if

{x ∈ A | f(x) < t} ∈ A, ∀ t ∈ R.

It is possible to prove that the inequality f (x) < t can be replaced by one of

the following: f (x)

≤ t, f(x) > t, f(x) ≥ t.

To define the integral on a measure space (X,

A, µ) consider first the so-called

simple functions, of the form

g =


n

i

=1



α

i

χ



A

i

,



(13.2)

with n finite, α

i

≥ 0, A


i

∈ A disjoint and χ

A

i

the characteristic function of A



i

,

and hence



χ

A

i



(x) =

1,

if x



∈ A

i

,



0,

if x


∈ A

c

i



.

In this case we define

X

g dµ =


n

i

=1



α

i

µ(A



i

).

(13.3)



In particular

X

χ



A

dµ = µ(A),

∀A ∈ A.

If f : X


→ [0, +∞], we set

X

f dµ = sup



g

G



(f ) X

g dµ,


(13.4)

where


G(f) is the set of simple functions such that g ≤ f.

Finally for a generic f : X

→ [−∞, +∞] we define

X

f dµ =



X

f

+



X



f

dµ,



(13.5)

where f


+

(x) = max(0, f (x)), f

(x) = max(0,




Download 10.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   34   35   36   37   38   39   40   41   ...   55




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