Analytical Mechanics This page intentionally left blank


Download 10.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet53/55
Sana30.08.2017
Hajmi10.87 Mb.
#14604
1   ...   47   48   49   50   51   52   53   54   55

E

| |u|



ds

E

= 1



}.

(A6.33)


In addition, ψ transforms the Hamiltonian flow

M

E



into the geodesic flow, since,

as we have seen, s = τ and (A6.24) coincides with (A6.29) (recall that q is

uniquely determined by the knowledge of p and of dp/dτ , see (A6.21)).

Due to Remark A3.2, it is immediate to compute the Gaussian curvature of

the Riemannian manifold (A

E

, ds



2

E

). Indeed, setting



g =

4k

2



(

|p|


2

− 2E)


2

,

(A6.34)



the Gaussian curvature K of (A

E

, ds



2

E

) is given by



K =

1



g

∂p



1

1



g

∂p



1

g +



∂p

2



1

g



∂p

2



g

=



(

|p|


2

− 2E)


2

4k

2



∂p

1



2p

1

|p|



2

− 2E


+

∂p



2

2p

2



|p|

2

− 2E



=

1



4k

2

[4p



2

1

+ 4p



2

2

− 4(|p|



2

− 2E)] = −

2E

k

2



.

(A6.35)


If E < 0, the stereographic projection

p

1



=

k

2



|E|

x

1



k/

2

|E| − x



0

,

p



2

=

k



2

|E|


x

2

k/



2

|E| − x


0

(A6.36)


transforms A

E

into the sphere



x

2

0



+ x

2

1



+ x

2

2



=

k

2



2

|E|


(A6.37)

without the point x

0

= k/


2

|E|, x


1

= x


2

= 0. The sphere (A6.37) has radius

k/

2

|E|, and it is immediate to check that the metric (A6.26) is transformed



into the first fundamental form (A6.37).

If E = 0, setting

z = p

1

+ ip



2

= Re


i

ϑ

,



w = x

1

+ ix



2

= re


,

(A6.38)



740

Kepler’s problem, linear oscillators and geodesic flows

A6

the inversion



z =

2k

w



(A6.39)

transforms A

E

into R


2

\{(0, 0)} with the Euclidean metric (dx

1

)

2



+ (dx

2

)



2

=

dw dw = (dr)



2

+ r


2

(dϕ)


2

.

Finally, for E > 0, with the same notation as in (A6.38), the inversion



z =

2E



w

transforms A

E

into D and (A6.26) into



(ds

E

)



2

=

4k



2

(

|z|



2

− 2E)


2

dz dz =


4k

2

(2E/



|w|

2

− 2E)



2

2E

|w|



4

dw dw


=

4

2E/k



2

dw dw


(1

− |w|


2

)

2



,

(A6.40)


which coincides with (A6.1) by setting R = k/

2E.



APPENDIX 7: FOURIER SERIES EXPANSIONS

Fourier trigonometric series are a particular case of the more general concept

of expansion of any element of a Hilbert space with respect to a complete

orthonormal basis.

We briefly summarise the essential notions (for more details and proofs, see

for example Rudin (1974)).

A real (respectively, complex) vector space V is endowed with a norm if to all

its elements x we can associate a real number

x

(its norm) with the following



properties:

(i)


x

≥ 0, ∀ x ∈ V ;

(ii)

λx =


|λ| x , ∀ x ∈ V , ∀ λ ∈ R (respectively, ∀ λ ∈ C);

(iii)


x + y

≤ x + y , ∀ x, y ∈ V .

A sequence

{x

n



} in a normed space V converges in the norm to the limit

x

∈ V if lim



n

→∞

x



n

− x = 0.


A sequence

{x

n



} in a normed space is a Cauchy sequence if x

n

− x



m

→ 0


for n, m

→ +∞.


A normed space is complete if all Cauchy sequences are convergent.

A complete normed space is called a Banach space.

A Banach space whose norm is generated by a scalar product is called a

Hilbert space. If the space is real (respectively, complex) a scalar product (x, y)

is a symmetric (respectively, Hermitian) positive definite bilinear form.

It is easily seen that (x, x)

1/2

has the properties of a norm. In a Hilbert space



we then set

x

2



= (x, x).

A complete orthonormal basis

{e

i

}, i ∈ N, of a Hilbert space is a basis such



that (e

i

, e



j

) = δ


ij

and (x, e

i

) = 0,


∀ i ⇒ x = 0.

T

heorem A7.1 Let {e



i

} be a complete orthonormal basis of a Hilbert space H.

Then every element x

∈ H can be uniquely represented by the series

x =

i

α



i

e

i



.

(A7.1)


The coefficients α

i

are called Fourier coefficients and are defined by



α

i

= (x, e



i

).

(A7.2)



The Parseval identity

x

2



=

i

α



2

i

(A7.3)



holds.

742

Fourier series expansions

A7

T

heorem A7.2 A Hilbert space has a complete orthonormal basis if and only if



it is separable.

C

orollary A7.1 Every separable real (respectively, complex) Hilbert space



(infinite dimensional) is isomorphic to the space

2

of sequences (α



i

)

i



∈N

in R


(respectively, in C) for which the series of

i



i

|

2



is convergent with respect to

the scalar product (x, y) =

i

=1



x

i

y



i

(respectively (x, y) =

i

=1



x

i

y



i

).

Consider the Hilbert space L



2

((0, 2π), R) of measurable functions v : (0, 2π)

R which are square integrable, with the scalar product (u, v) =



0

u(x)v(x) dx. A



complete orthonormal basis for it is given by the functions 1/

2π, (1/



π) sin nx,

(1/



π) cos nx, n



∈ N, n > 0. Every measurable function V : R → R, 2π-

periodic (hence such that V (x + 2π) = V (x) for every x

∈ R), such that its

restriction v = V

|

(0,2π)


is also square integrable, determines uniquely an element

v

∈ L



2

((0, 2π), R) which can be written as

v(x) = a

0

+



n

=1



[a

n

cos(nx) + b



n

sin(nx)],

(A7.4)

where


a

0

=



1



0

v(x) dx, a



n

=

1



π



0

v(x) cos(nx) dx, b

n

=

1



π



0

v(x) sin(nx) dx.

(A7.5)

Equations (A7.4) and (A7.5) take a particularly compact form if we express sine



and cosine through complex exponentials:

v(x) =


k

∈Z

ˆ



v

k

e



ikx

,

ˆ



v

k

=



1



0

v(x)e



−ikx

dx.


(A7.6)

The relation between the coefficients (ˆ

v

k

)



k

∈Z

and (a



n

, b


n

)

n



∈N

is given by

ˆ

v

0



= a

0

, ˆ



v

k

=



1

2

(a



k

− ib


k

) if k


≥ 1, ˆv

k

=



1

2

(a



−k

+ ib


−k

) = ˆ


v

−k



if k

≤ −1.


(A7.7)

Now let v : R

l

→ R be a measurable function, periodic of period 2π in each of



its arguments:

v(x


1

+ 2π, . . . , x

l

) = v(x


1

, x


2

+ 2π, . . . , x

l

) = . . .



= v(x

1

, x



2

, . . . , x

l

+ 2π)


= v(x

1

, . . . , x



l

).

(A7.8)



Assume also that its restriction v to (0, 2π)

l

is square integrable.



A7

Fourier series expansions

743

The function v is hence defined on the l-dimensional torus T



l

= (R/2πZ)

l

,

and it is possible to expand it in Fourier series:



v(x) =

m∈Z


l

ˆ

v



m

e

im·x



.

(A7.9)


The coefficients ˆ

v

m



of the series expansion (A7.9) are determined as follows:

ˆ

v



m

=

1



(2π)

l

T



l

v(x)e


−im·x

dx.


(A7.10)

If the function v is regular, its Fourier coefficients belong to

2

(Z

l



, C) and decay

at infinity at a rate related to the degree of regularity of the function.

T

heorem A7.3 If v is of class C



r

, there exists a constant M > 0 such that for

every m

∈ Z


l

, m =


/ 0 we have

|ˆv


m

| ≤ M(|m


1

| + · · · + |m

l

|)

−r



.

(A7.11)


If v is of class

C



, for every positive integer r there exists a constant M > 0

such that for every m

∈ Z

l

, m =



/ 0 we have

|ˆv


m

| ≤ M(|m


1

| + · · · + |m

l

|)

−r



.

(A7.12)


If v is analytic, there exist two constants M > 0 and δ > 0 such that for every

m

∈ Z



l

we have


|ˆv

m

| ≤ Me



−δ(|m

1

|+···+|m



l

|)

.



(A7.13)

Proof


For simplicity we only prove the estimates (A7.11) and (A7.12). For the proof

of (A7.13) see for example Sternberg (1969) and Rudin (1974).

We first remark that (A7.12) is an obvious consequence of (A7.11).

Let l = 1. The proof of (A7.11) depends on the identity

e

−imx


=

1

−im



d

dx

e



−imx

,

m =



/ 0.

(A7.14)


From (A7.10) it follows that

ˆ

v



m

=

1



0



v(x)e

−imx


dx =

1



0

v(x)



1

−im


d

dx

e



−imx

dx,


and hence, integrating by parts, we find

ˆ

v



m

=

1



1

(



−im)

v(x)e


−imx

x

=2π



x

=0

+



1

i2πm


0

v (x)e



−imx

dx.


744

Fourier series expansions

A7

The first term is zero due to the periodicity of v(x)e



−imx

. If v is of class

C

r

we



can iterate this procedure r times to obtain

ˆ

v



m

=

1



2π(im)

r



0

v

(r)



(x)e

−imx


dx,

from which it immediately follows that

|ˆv

m

| ≤



1

|m|



r

0



|v

(r)


(x)

| dx ≤


M

|m|


r

,

where M = max



0≤x≤2π

|v

(r)



(x)

|. The existence of M is guaranteed by the

assumption that v is of class

C

r



.

If l


≥ 1, it is sufficient to observe the following. Since m =

/ 0, there exists at

least one component m

j

=



/ 0. From (A7.10), integrating by parts, we find

ˆ

v



m

=

1



(2π)

l

T



l

v(x)


1

im



j

∂x



j

e

−im·x



dx

=



1

im

j



1

(2π)


l

T

l



∂v

∂x

j



(x)e

−im·x


dx,

from which, iterating this procedure r times, we obtain

|ˆv

m

| ≤



˜

M

(max



1≤j≤l

|m

j



|)

r

,



(A7.15)

where ˜


M = max

1≤j≤l


max

x∈T


l

r



v/∂x

r

j



(x) .

On the other hand, max

1≤j≤l

|m

j



| ≤ |m

1

| + · · · + |m



l

| ≤ l max

1≤j≤l

|m

j



|.

Substituting this into (A7.15) yields the desired estimate (A7.11), with

M = l

r

˜



M .

APPENDIX 8: MOMENTS OF THE GAUSSIAN

DISTRIBUTION AND THE EULER

Γ

FUNCTION


The moments of the Gaussian distribution are the integrals of the type

µ

n



=

+∞

−∞



x

n

e



−ax

2

dx,



(A8.1)

with a being a positive constant and n

∈ N.

P

roposition A8.1 The moments µ



n

of the Gaussian distribution are

µ

0

=



π

a

,



µ

2n+1


= 0,

for every n

≥ 0,

(A8.2)


µ

2n

= (2n



− 1)!!

π

a



(2a)

−n

,



for every n

≥ 0.


Proof

The proof is a direct computation. First of all, consider µ

2

0

:



µ

2

0



=

+∞

−∞



e

−ax


2

dx

2



=

+∞

−∞



e

−ax


2

dx

+∞



−∞

e

−ay



2

dy

=



+∞

−∞

dx



+∞

−∞

e



−a(x

2

+y



2

)

dy =



0



+∞

0

re



−ar

2

dr =



π

a

,



where we have used the substitution x = r cos ϕ, y = r sin ϕ.

Evidently µ

2n+1

= 0, because the integrand is an odd function of x. To compute



µ

2n

we first note that



x

2n

e



−ax

2

= (



−1)

n



n

∂a

n



e

−ax


2

,

From which it immediately follows that



µ

2n

= (



−1)

n

d



n

da

n



+∞

−∞

e



−ax

2

dx



=

π(



−1)

n



1

2



3

2

· · · −



2n

− 1


2

a

−(2n+1)/2



= (2n

− 1)!!


π

a

(2a)



−n

.


746

Moments of the Gaussian distribution and the Euler

Γ

function


A8

It is often also useful to compute the integral between 0 and

∞. For integrals

with even n it is enough to divide the previous result by two. For those with

odd n, we can check with a sequence of integration by parts that

0



x

2n+1


e

−x

2



dx =

1

2



n!,

(A8.3)


and hence

0



x

2n+1


e

−ax


2

dx =


1

2

a



−(n+1)

n!.


(A8.4)

There exists an obvious relation between the moments of the Gaussian distribution

and the Euler

Γ

function



Γ

(z) =


0

t



z

−1

e



−t

dt,


z > 0.

(A8.5)


Indeed, after the substitution ax

2

= t we immediately find



0

x



n

e

−ax



2

dx =


1

2

a



−(n+1)/2

Γ

n + 1



2

.

(A8.6)



For the function

Γ

we have



Γ

(n + 1) = n!,

∀ n ∈ N.

(A8.7)


This can be deduced by induction from equation (A8.10) below, while

equation (A8.2) yields

Γ

1

2



=

π,



Γ

k +


1

2

= 2



−k

(2k


− 1)!

π.



(A8.8)

Another interesting formula is

Γ

(z)


Γ

(1

− z) =



π

sin zπ


,

0 < z < 1,

(A8.9)

illustrating that



Γ

(z) diverges for z

→ 0+ as 1/z.

Equation (A8.9) is important because, by using recursively the property

Γ

(z + 1) = z



Γ

(z),


(A8.10)

we can reduce to the computation of

Γ

only for z



∈ (0, 1) and, due to (A8.9),

for z


∈ 0,

1

2



.

We can also see that

Γ

(z) has a unique minimum for z



1.4616 . . ..

For z


1 the famous Stirling formula holds:

Γ

(z + 1) =



2πz z


z

e

−z



e

α

(z)/12z



,

with α


∈ (0, 1),

(A8.11)


A8

Moments of the Gaussian distribution and the Euler

Γ

function


747

and the approximation

Γ

(z + 1)


2πz


z

e

z



(A8.12)

can be used when z(log z

−1)

1 (e.g. for z = 10 we have z(log z



−1)

15.4 and


the relative error in (A8.12) is less than 1%, while for z = 50, z(log z

− 1)


1680

and the relative error is about 0.2%).



Bibliography

(a) Books

Abraham R., Marsden J.E. (1978). Foundations of mechanics, Benjamin Cum-

mings, Reading, MA.

Agostinelli C., Pignedoli A. (1989). Meccanica analitica, Mucchi, Modena.

Amann H. (1990). Ordinary differential equations, de Gruyter Studies in Mathem-

atics, Vol. 13, W. de Gruyter, Berlin.

Arnol’d V.I. (1978a). Mathematical methods of classical mechanics, Springer-Verlag,

New York.

—— (1978b). Ordinary differential equations, MIT Press, Boston, MA.

—— (1983). Geometric methods in the theory of ordinary differential equations,

Springer-Verlag, New York.

—— (1990). Huygens and Barrow, Newton and Hooke, Birkh¨

auser Verlag, Boston.

—— (1991). Theory of singularities and its applications (Lezioui Fermiane), Cam-

bridge University Press.

Arnol’d V.I., Avez A. (1968). Ergodic problems of classical mechanics, Benjamin,

New York.

Arnol’d V.I., Kozlov V.V., Neishtadt A.I. (1988). Dynamical systems III, Encyclo-

pedia of Mathematical Sciences, Springer-Verlag, Berlin.

Arrowsmith D.K., Place C.M. (1990). An introduction to dynamical systems,

Cambridge University Press.

Barrow-Green J. (1997). Poincar´

e and the three body problem, History of Math-

ematics 11, American Mathematical Society and London Mathematical Society,

Providence, RI.

Bedford T., Keane M., Series C. (1991). Ergodic theory, symbolic dynamics and

hyperbolic spaces, Oxford University Press.

Beletski V. (1986). Essais sur le mouvement des corps cosmiques, Mir, Moscow.

Benettin G., Galgani L., Giorgilli A. (1991). Appunti di meccanica razionale, CUSL,

Milano.

Bertin G. (2000). Dynamics of galaxies, Cambridge University Press.



Binney J., Tremaine S. (1987). Galactic dynamics, Princeton University Press.


Download 10.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   47   48   49   50   51   52   53   54   55




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