Analytical Mechanics This page intentionally left blank


Download 10.87 Mb.
Pdf ko'rish
bet25/55
Sana30.08.2017
Hajmi10.87 Mb.
#14604
1   ...   21   22   23   24   25   26   27   28   ...   55


solves equation (10.181). Formally, this has an immediate verification: indeed, by

differentiating the series (10.183) term by term we find

d

dt



j

=0

(



−t)

j

j!



(D

j

H



f )(P, Q)

=



j

=1



(

−t)


j

−1

(j



− 1)!

(D

j



H

f )(P, Q)

=

−D

H



j

=1



(

−t)


j

−1

(j



− 1)!

(D

j



−1

H

f )(P, Q)



=

−D

H



n

=0



(

−t)


n

n!

(D



n

H

f )(P, Q)



=

−D

H



(e

−tD


H

f )(P, Q) =

{f, H}(p, q),

where we set n = j

− 1.

Example 10.34



Let l = 1, H(q, p) = qp. The Hamiltonian flow is clearly given by

p = e


−t

P,

q = e



t

Q.

Consider the functions f



1

(p, q) = q and f

2

(p, q) = p and apply equations (10.183),



to obtain

p = U


t

f

2



=

j



=0

(

−t)



j

j!

(D



j

H

p)



|

(p,q)=(P,Q)

,

q = U


t

f

1



=

j



=0

(

−t)



j

j!

(D



j

H

q)



|

(p,q)=(P,Q)

.

On the other hand,



−D

H

q =



{q, H} = q, D

2

H



q =

−D

H



(

−D

H



q) = q, and hence

(

−D



H

)

j



q = q for every j

≥ 1. In addition (−D

H

)

j



p = (

−1)


j

p, and substituting

into the series we find

p = P


j

=0



(

−t)


j

j!

= e



−t

P,

q = Q



j

=0



t

j

j!



= e

t

Q.



Example 10.35

Let l = 1, H(p, q) = (q

2

+ p


2

)/2. The associated Hamiltonian flow is

p =

−Q sin t + P cos t, q = Q cos t + P sin t.



392

Analytical mechanics: canonical formalism

10.8

Applying (10.183) to q and p, and observing that



−D

H

q = p, D



2

H

q =



−D

H

p =



−q,

−D

3



H

q = =


−D

2

H



p =

−p and D


4

H

q =



−D

3

H



p = q, we find

p =


j

=0



t

j

j!



(

−D

H



)

j

p = P



j

=0



(

−1)


j

t

2j



(2j)!

− Q


j

=0



(

−1)


j

t

2j+1



(2j + 1)!

= P cos t

− Q sin t,

q =


j

=0



t

j

j!



(

−D

H



)

j

q = Q



j

=0



(

−1)


j

t

2j



(2j)!

+ P


j

=0



(

−1)


j

t

2j+1



(2j + 1)!

= Q cos t + P sin t.

For example, if we consider a function f (p, q) = qp, on the one hand, we have

(U

t



f )(P, Q) = (Q cos t + P sin t)(

−Q sin t + P cos t)

= (P

2

− Q



2

) sin t cos t + P Q(cos

2

t

− sin



2

t),


while, on the other, from

−D

H



f =

{qp, H} = p

2

− q


2

, D


2

H

f =



−4pq and from

equation (10.183) it follows that

(U

t

f )(P, Q) =



j

=0



t

j

j!



(

−D

H



)

j

f = P Q + t(P



2

− Q


2

)

+



t

2

2



(

−4P Q) +


t

3

3!



(

−4) P


2

− Q


2

+

· · · .



This

coincides

with

the


series

expansion

of

(P

2



− Q

2

) sin t cos t + P Q



(cos

2

t



− sin

2

t).



Example 10.36

Let l = 1, H = p

2

/2. Then


p = P,

q = P t + Q.

If f (p, q) = p

n

q



m

, with n and m non-negative integers, then (U

t

f )(P, Q) =



(P t + Q)

m

P



n

. On the other hand, (

−D

H

)



j

f = m(m


− 1) . . . (m − j + 1)p

n

+j



q

m

−j



for j = 1, . . . , m, and (

−D

H



)

j

f = 0 for all j > m. Applying equations (10.183)



we find

(U

t



f )(P, Q) =

m

j



=0

t

j



j!

m(m


− 1) . . . (m − j + 1)P

n

+j



Q

m

−j



= P

n

m



j

=0

m



j

t

j



P

j

Q



m

−j

= P



n

(P t + Q)

m

(in the last equality we used Newton’s binomial formula).



Example 10.37

Let H = (q

2

p

2



)/2. Since pq =

2E is constant, the canonical equations can



immediately be integrated:

p = P e


−P Qt

,

q = Qe



P Qt

.


10.9

Analytical mechanics: canonical formalism

393

On the other hand, (



−D

H

)



j

p = (


−1)

j

q



j

p

j



+1

, (


−D

H

)



j

q = p


j

q

j



+1

, and hence by

equations (10.183) we have

p =


j

=0



(

−t)


j

j!

Q



j

P

j



+1

= P e


−P Qt

,

q =



j

=0



t

j

j!



Q

j

+1



P

j

= Qe



P Qt

.

10.9



Symmetries and first integrals

In this section we briefly consider the relations between the invariance properties

of the Hamiltonian for groups of canonical transformations and the first integrals.

For a more detailed study of this important topic in analytical mechanics, see

Arnol’d (1979a) (Appendix 5).

Let H : R

2l

→ R be a regular Hamiltonian.



D

efinition 10.22 A completely canonical transformation x = ˜x(X) of R

2l

is a


symmetry of H if the Hamiltonian is invariant for the transformation, and hence

if

H(˜



x(X)) = H(X).

(10.184)


Example 10.38

If H has one cyclic coordinate x

i

(note that x



i

can be either a coordinate q or

a kinetic momentum p), H is invariant for the translations x

i

→ x



i

+ α.


Example 10.39

The rotations around the origin in R

2

:

p = P cos α + Q sin α,



q =

−P sin α + Q cos α,

are a symmetry of H = (p

2

+ q



2

)/2.


Another class of interesting examples is given by the following proposition.

P

roposition 10.7 If H(p, q) is the Legendre transform of the Lagrangian



L(q, ˙q), and the point transformation q = ˜

q(Q) is admissible for L (see

Definition 9.1), the associated completely canonical transformation

q = ˜


q(Q),

p = (J


T

(Q))


−1

P,

(10.185)



where J = (J

ij

) = (∂ ˜



q

i

/∂Q



j

), is a symmetry of the Hamiltonian H.



394

Analytical mechanics: canonical formalism

10.9

Proof


In the new variables the Hamiltonian ˆ

H(P, Q) is obtained as the transform of

H(p, q) and it is also the Legendre transform of the Lagrangian ˜

L(Q, ˙


Q) =

L(˜


q(Q), J (Q) ˙

Q), i.e.


ˆ

H(P, Q) = H((J

T

)

−1



P, ˜

q(Q)) = P

· ˙Q − ˜L(Q, ˙Q).

We now satisfy the hypothesis ˜

L(Q, ˙

Q) = L(Q, ˙



Q); hence to compare the

new with the old Hamiltonian we must compare P

· ˙Q with p · ˙q. We already

know that they take the same values (see Section 10.2), but we want to see

that if p

· ˙q = F (p, q) then P · ˙Q = F (P, Q). Obviously it is enough to show

that if ˙q = f (p, q) then ˙

Q = f (P, Q). This holds because ˙q = f (p, q) can be

obtained by inverting the system p =

˙



q

L(q, ˙q). Because of the admissibility

of the tramsformation, this sytem is formally identical to P =

˙



Q

L(Q, ˙


Q). In

conclusion ˆ

H(P, Q) = H(P, Q).

D

efinition 10.23 A one-parameter family s ∈ R of completely canonical trans-



formations x = ˜

x(X, s) of R

2l

is called a one-parameter group (of completely



canonical transformations) if it possesses the following properties:

(1) ˜


x(X, 0) = X for all X

∈ R


2l

;

(2) ˜



x(˜

x(X, s


1

), s


2

) = ˜


x(X, s

1

+ s



2

) for every s

1

, s


2

∈ R and for every X ∈ R

2l

.

If for every s



∈ R the transformation ˜x(X, s) is a symmetry of H, the group

is a one-parameter group of symmetries of H.

Remark 10.33

For the groups of point transformations see Problem 9 of Section 10.14.

We now examine how it is possible to interpret any one-parameter group of

completely canonical transformations as a Hamiltonian flow.

D

efinition 10.24 Let ˜x(X, s) be a one-parameter group of completely canonical



transformations of R

2l

. The vector field



v(x) =

∂ ˜


x

∂s

(x, 0)



(10.186)

is called an infinitesimal generator of the group of transformations.

The following theorem clarifies the role of the infinitesimal generator.

T

heorem 10.26 The infinitesimal generator v(x) of a one-parameter group



˜

x(X, s) of completely canonical transformations is a Hamiltonian field. In addition

the group of transformations coincides with the corresponding Hamiltonian flow,

and hence it is a solution of the system

˙x(t) = v(x(t)),

x(0) = X.

(10.187)


10.10

Analytical mechanics: canonical formalism

395

Proof


We first check that ˜

x(X, t) is a solution of equations (10.187). Because of the

group properties we have, setting x(t) = ˜

x(X, t), that

˙x(t) = lim

∆ t→0


˜

x(X, t +


t)

− ˜x(X, t)



t

= lim



∆ t→0

˜

x(x(t),



t)

− ˜x(x(t), 0)



t

= v(x(t)).



Since by the hypothesis, the Jacobian matrix J =

X



˜

x(X, t) is symplectic

for every t, we deduce by Lemma 10.1 that the matrix B = (∂J /∂t)J

−1

is



Hamiltonian. Now note that we can write

∂J

∂t



=

∂t



X

˜



x(X, t) =

X



v(˜

x(X, t)) = (

x

v)J.



Using the fact that ˜

x(X, t) solves equations (10.187), it follows that

x

v(x) =



= (∂J /∂t)J

−1

and hence the field v(x) is Hamiltonian (Theorem 10.5).



We can now prove the following extension of Noether’s theorem. Recall how

in the Lagrangian formulation (Theorem 4.4) the validity of this theorem was

limited to symmetry groups associated to point transformations.

T

heorem 10.27 (Noether, Hamiltonian formulation) If a system with Hamilto-



nian H(x) has a one-parameter group of symmetries ˜

x(X, t), the Hamiltonian

K(x) of which the group is the flow is a first integral for the flow associated

with H.


Proof

The invariance of H can be interpreted as its being constant along the flow

generated by K. Therefore L

v

H =



{H, K} = 0.

Conversely this implies that K is a first integral for the flow generated by H.

In summary, if f (x), g(x) are in involution, recalling Remark 10.30 we

see that:

(i) the Hamiltonian flow generated by f (x) has g(x) as first integral and vice

versa ;


(ii) the two flows associated with f and g commute;

(iii) the flow generated by f (x) represents a symmetry for the Hamiltonian g(x)

and vice versa.

10.10


Integral invariants

In this section, which can be omitted at a first reading, we want to character-

ise the canonical transformations using the language of differential forms (see

Appendix 4). For simplicity, we limit the exposition to the case of differential

forms in R

2l

, while in the next section we introduce the notion of a symplectic



manifold which allows us to extend the Hamiltonian formalism to a wider context.

396

Analytical mechanics: canonical formalism

10.10

T

heorem 10.28 A transformation (p, q) = (p(P, Q), q(P, Q)) is completely



canonical if and only if

l

i



=1

dp

i



∧ dq

i

=



l

i

=1



dP

i

∧ dQ



i

.

(10.188)



Remark 10.34

A transformation satisfying (10.188) is also called a symplectic diffeomorphism

as it preserves the symplectic 2-form

1

ω =



l

i

=1



dp

i

∧ dq



i

.

(10.189)



Proof of Theorem 10.28

The proof follows from an immediate application of the Lie condition (10.190).

From

l

i



=1

p

i



dq

i



l

i

=1



P

i

dQ



i

= df


(10.190)

(note that, since the transformation is independent of time, ˜

d = d), if we perform

an external differentiation of both sides and take into account d

2

f = 0 we find



(10.188). Conversely, since (10.188) is equivalent to

d

l



i

=1

p



i

dq

i



l

i



=1

P

i



dQ

i

= 0,



(10.191)

we immediately deduce (10.190) because of Poincar´

e’s lemma (Theorem 2.2,

Appendix 4): every closed form in R

2l

is exact.



From Theorem 10.188 we easily deduce some interesting corollaries.

C

orollary 10.7 A canonical transformation preserves the differential 2k-forms:



ω

2k

=



1≤i

1

2

<...

k

≤l



dp

i

1



∧ . . . ∧ dp

i

k



∧ dq

i

1



∧ . . . ∧ dq

i

k



,

(10.192)


where k = 1, . . . , l.

Proof


If the transformation is canonical, it preserves the 2-form ω, and hence it also

preserves the external product of ω with itself k times (see (A4.20)):

k

= ω



∧ . . . ∧ ω =

i

1



,...,i

k

dp



i

1

∧ dq



i

1

∧ . . . ∧ dp



i

k

∧ dq



i

k

,



(10.193)

1

Be careful: in spite of the same notation, this is not to be confused with the Poincar´



e–

Cartan form.



10.11

Analytical mechanics: canonical formalism

397

which is proportional to ω



2k

:



k

= (


−1)

k

−1



k!ω

2k

.



(10.194)

Evidently Corollary 10.21 for k = l can be stated as follows.

C

orollary 10.8 A canonical transformation preserves the volume form



ω

2l

= dp



1

∧ . . . ∧ dp

l

∧ dq


1

∧ . . . ∧ dq

l

.

(10.195)



Remark 10.35

The forms ω

2k

have a significant geometrical interpretation. If k = 1, the integral



of the form ω on a submanifold S of R

2l

is equal to the sum of the areas



(the sign keeps track of the orientation) of the projections of S onto the planes

(p

i



, q

i

). Analogously, the integral of ω



2k

is equal to the sum of the measures (with

sign) of the projections of S onto all the hyperplanes (p

i

1



, . . . , p

i

k



, q

i

1



, . . . , q

i

k



),

with 1


≤ i

1

< . . . < i

k

≤ l. It follows that a completely canonical transformation



preserves the sum of the measures of the projections onto all coordinate planes

and hyperplanes (p

i

1

, . . . , p



i

k

, q



i

1

, . . . , q



i

k

).



10.11

Symplectic manifolds and Hamiltonian dynamical systems

D

efinition 10.25 A differentiable manifold M of dimension 2l is a symplectic



manifold if there exists a closed non-degenerate differential 2-form

2

ω, i.e. such



that dω = 0 and, for every non-zero vector v

∈ T


m

M tangent to M at a point m,

there exists a vector w

∈ T


m

M such that ω(v, w) =

/ 0.

Example 10.40



As seen in Section 10.1, every real vector space of even dimension can be endowed

with a symplectic structure which makes it into a symplectic manifold. An

example is R

2l

with the standard structure ω =



l

i

=1



dp

i

∧ dq



i

.

Example 10.41



The tori of even dimension T

2l

with the 2-form ω =



l

i

=1



i

∧ dφ



i

+l

are



symplectic manifolds. This is an interesting case. Indeed, because of the particular

topology (the tori are not simply connected) it is easy to construct examples of

vector fields which are locally Hamiltonian, but not globally a Hamiltonian. For

example, the infinitesimal generator of the one-parameter group of translations

φ

i

→ φ



i

+ α


i

t, where α

∈ R

2l

is fixed, is evidently v = α and it is a locally,



but not globally, a Hamiltonian vector field, since every function H : T

2l

→ R



necessarily has at least two points where the gradient, and hence the field

I∇

φ



H,

vanishes.

2

Be careful: not to be confused, in spite of the same notation, with the Poincar´



e–Cartan

form, which is a 1-form on

M × R.


398

Analytical mechanics: canonical formalism

10.11

Example 10.42



A natural Lagrangian system is a mechanical system subject to ideal constraints,

frictionless, fixed and holonomous, and subject to conservative forces. Its space of

configurations is a differentiable manifold S of dimension l (the number of degrees

of freedom of the system) and the Lagrangian L is a real function defined on the

tangent bundle of S, L : T S

→ R. The kinetic energy T (q, ˙q) =

1

2

l



i,j

=1

a



ij

˙

q



i

˙

q



j

defines a Riemannian metric on S:(ds)

2

=

l



i,j

=1

a



ij

q

i



dq

j

, and the Lagrangian



can be written then as L =

1

2



|ds/dt|

2

− V (q), where V is the potential energy



of the conservative forces. The Hamiltonian H is a real function defined on the

cotangent bundle M = T

S of the space of configurations H : M



→ R, through

a Legendre transformation applied to the Lagrangian L : H = p

· ˙q − L. If A

denotes the matrix a

ij

of the kinetic energy, H(p, q) =



1

2

p



· A

−1

p + V (q). The



Download 10.87 Mb.

Do'stlaringiz bilan baham:
1   ...   21   22   23   24   25   26   27   28   ...   55




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