Nazariy fizika kursi
.6 . Kanonik almashtirishlar
Download 132.13 Kb. Pdf ko'rish
|
7 .6 . Kanonik almashtirishlar 7.6.1. Ta’rif. Hosil qiluvchi funksiyalar A w a l aytgan edikki, Lagranj form alizm idagi u m u m la s h g a n k o o rd i natala r q. ni ixtiyoriy ravishda tanlab olish m u m k in , h a ra k a t tengla- m alarining u m u m iy k o ‘rinishi bu n g a bog'liq em as. U l a r ustid a h atto vaqtga bog'liq b o 'lg a n alm ashtirishlarni h a m bajarish m u m k in : b u n d a q — eski k o ordinatalar, Q — yangi k o o rd in a ta la r ((1.2)-m isolga qarang). K a n o n ik form alizm i 2s o 'lc h a m li (qrp ) , i = l, .. . , s fazo tilida ifoda- lanadi. B u n d ay m a te m a tik fazo fazaviy fazo deyiladi. B u fazoni tashkil qiluvchi q va p ko o rd in atlar teng huquqlidir. U ia rn in g teng huquqliligi yangi im k o n iy a tla rg a olib keladi. Quyidagi m a te m a t i k alm ashtirish y o rd a m id a bu fa zoda yangi koordinatalarga o ‘tish m u m k in . Yangi koord in ata la rg a o 't i s h d a n asosiy m aqsad ularni s h u n d ay tan lab olishki, u iarning ichida m u m k in q a d a r k o ‘p ro q siklik Q. l a r b o ‘lsin. M asa la n , Q t siklik k o o rd i nata b o ‘lib chiqdi deylik. U n g a mos keluvchi impuls bu h o ld a o'z garm as harak at integrali bo'ladi: Pt = const. Asosiy m aqsad, y u q o rid a aytilga- nidek, yangi k o o rd in a ta la rn i s h u n d ay tanlab olishki, u ia rn in g h am m asi siklik b o 'lib chiqsin. Bu h o ld a 5 ta harakat integralini t o p g a n b o 'la m iz , h a ra k a t tenglam alari darhol integrallanadi. K o o rd in a ta va im pulslarni (7.154) fo rm u la b o 'y i c h a o'zgartiril- g a n d a u m u m iy h o ld a G a m ilto n funksiyasi h a m o'z garishi tu rg a n gap: Я - > Я 7, a m m o b u a lm a s h tiris h la rg a q o 'y i la d i g a n asosiy t a la b — u iarn in g natijasida harakat tenglam alari o 'z k o 'rin ish in i saqlab qolishi kerak: Qi =6,(^0. (7.153) Qi = Q i ( q , p , t ) , p ^ p ^ p , t) (7.154) (7.155) 213 B u nday xossaga ega b o 'ig a n a lm ashtirishlar kanonik almashtirishlar deyiladi. A lm ashtirishla rning k an o n ik lik shartini keltirib chiqaraylik. (7.139) —(7.141) fo rm u la la r b o 'y i c h a k a n o n ik te n g l a m a la m i quyidagi variatsion p rin sip d a n keltirib c hiqarilga n edi: G a m i l t o n t e n g l a m a l a r i n in g k o 'r in i s h i o 'z g a r m a s i n d e y ilsa y an g i o'z garuvchilarga h a m liuddi sh u prin sip n i q o 'llas h kerak: Bu ikkala variatsiya b itta haq iq iy h a ra k a t trayektoriyasiga olib kelishi kerak, faqatgina, bu trayektoriya h a r xil o 'z g a ru v c h ila r tilida yozilgan. Ikkala variatsiya nolga te n g b o 'lish i u c h u n integral osti ifodalar b ir- biridan k o o rd in a ta va im pu lslarn in g funksiyasi b o 'ig a n fu n k siyaning to 'liq differensialigagitia farq qilishi m u m k in . Bu h o ld a b ir integral ikkinchisidan shu funksiyaning chegara nuqtalardagi o 'z g a rm a s qiym at- larigagina farq qiladi. O 'z g a rm a s s o n n in g variatsiyasi n olga tengdir. D e m a k 1: p,dq, - PjdQt + ( H ' - H ) d t = dF. (7.158) P aydo b o 'ig a n funksiya F k a n o n ik alm ash tirish larn in g hosil qiluvchi funksiyasi deyiladi. K o 'r i n ib tu ribdiki F = F{q,Q,i) va dF _ dF dF <7Л591 Bu b ird an bir m u m k i n h o lm i? Y o 'q , hosil qiluvchi funksiyaning argu- m en tlarin i b o s h q a c h a qilib h a m t a n la b olish m u m k in . B u n in g u c h u n (7.158) ch a p t o m o n id a g i —P d Q } h a d n i o 'n g to m o n g a o 'tk a z ila d i va shu to m o n n i dF + P,dQ, = d(F + Щ . ) - Q,dP, (7.160) k o 'rin ish g a keltirib o linadi (b u n d a y a lm ashtirish L eja n d r alm ash tirish i deyilishini yan a bir eslatib o'tay lik ). O 'n g to m o n d a g i Q^IP, h a d n i c h a p t o m o n g a o 'tk a z a m iz . Yangi hosil b o 'i g a n funksiyani F2 d eb belgilab: 1 Yana bir eslatib ketaylik, ikki marta uchragan indeks bo'yicha yig'indi ko'zda 2!4 F2 ( q , P j ) = F ( q , O j ) + P,Qn ( 7 - 1 6 1 ) u n in g differensiali u c h u n dF2 (q, P j ) = p , d q , + QjdPj + (H' ~ H ) d t (7.162) ifodani topam iz. Shu m un o sab at bilan birinchi pay d o b o ‘lgan hosil qiluvchi funksiyani F{ = F [( q , O j ) deb belgilab olaylik. Yangi hosil qiluvchi funksiya u c h u n _ 3F, „ 3F-, ~ Щ ’ Н ~ Н + ~ Л - <7 Л И > L eja n d r alm ashtirishlari y o ‘li bilan yan a ikki xil hosil qiluvchi funksiyalarni topish m u m k in . B uning u c h u n (7.162) o ‘ng to m o n id a g i pdq. hadni ch a p to m o n g a o 'tk a z ib c h a p to m o n n i dF2 - Pjdqj =-■■ d ( F 2 - p tq t ) + q , dp , (7.164) k o 'rinishga keltiramiz. F2 - p , q f = F~(p,P,t) belgilash kiritib dF3 - ~ q ld p , + 0 , d P l + { H ' - H ) d t (7.165) ekanligini ko'rish m um kin. T o ‘rtinchi va oxirgi k o ‘rinish quyidagichadir: dFA( p , Q , t ) = - q ldP l - P ld Q i + { H ' - H ) d t . (7.166) T o p ilg an hosil qiluvchi funksiyalarni keltirayiik: Fx{ q , Q , t ) , F2 ( q , P , t ) , F3( p , P , t ) , FA( p , Q , t ) . (7.167) B oshqa v ariantlar y o ‘q. A g a r hosil q ilu v ch i funksiya v aq tg a o s h k o r a b o g 'l iq b o 'l m a s a ( h a m m a v aria ntla rda h a m ) yangi va eski G a m i l to n funksiyalari teng b o 'lad i: H' = H. (7.168) K a n o n ik alm ashtirishlarga m isollar keltirayiik. 7.6.1-misol. Bir o'lchamli garmonik ossillator uchun F i ( q , Q , t ) = ^ m ( o q 2c t g Q ( 7 . 1 6 9 ) kanonik almashtirish yordamida yangi o'zgaruvchilarga o'ting. Garmonik ossillatorning Gamilton funksiyasi bizga m a’lum: H = ] ^ + k j L = l 2m 2 2 { 2 V~ ^ 9 ----- \-mCO~q~ m V (7.170) Hosil qiluvchi funksiya vaqtga oshkora bog‘liq bo4lmagani uchun 215 Н ' = Н. (7.171) Yangi va eski o ‘zgaruvchiiarni bog'laydigan munosabatlarni yozaylik: dF, _ dF, 1 2 1 P = = m(0qctgQ} /> = _ = m(0q _ (7.172) Щ dQ 2 sin “6 ’ Bu munosabatlarni yechib quyidagi ifodalar osongina topiladi: -t I P n -> q1 = -----sin 2 Q, p 2 = 2Pmcocos2 Q. (7 173) mco Demak, H = Pco. (7.174) K o ‘rinib turibdiki, Q siklik koordinata, demak, unga mos keluvchi k an o nik impuls P saqlanuvchi kattalik: P = const. (7.175) Buni kanonik tenglam alardan ham ko'rish mum kin: d ^ n a dH Birinchi tengiam adan darhol (7.175) kelib chiqadi, ikkinchi tengiam adan esa Q = Q(t) = cot + P (7.177) ckanligi kelib chiqadi. 0 ‘zgarmas son ft bosh lan g 'ich shartlardan aniq- lanadi. (7.175) ga kirgan o'zg arm asn i topish qivin emas. G a r m o n ik os- sillator u c h u n en e rg iy a sa q la n u v c h i b o 'lg a n i u c h u n (7.174) d a n kelib chiqadiki E P = ~ - (7.178) CO Eski o ‘zgaruvchilarga qaytib kelaylik: I2P 2 E q(t) = . -----s i n g = ------ j sin (cot + ft), V mco V mco p(t) = \/2mPcocosQ = J2m E cos(a>/ + /3). (7.179) Biz kanonik tenglam alarni integrallash masalasini qulay b o ‘lgan hosil qiluvchi funksiyani topib k anonik alm ashtirishlar m etodi bilan osongina yechdik. Albatta, misolning o ‘zi qiyin emas edi, a m m o murakkab hollarda ham shu m eto d qulaylik tu g ‘dirishi mumkmligi turgan gap. Ikkinchi misolga o ‘tishdan oldin y an a u m u m iy m u lohaza la rga qaytib kelavlik. 216 Y u q o rid a g i m iso ld a g i k a n o n i k a lm a s h tiris h d a hosil b o ‘lg a n y an g i u m u m la s h g a n k o o r d i n a t a va i m p u ls la rg a q aralsa ((7 .1 7 3 ) ga q a r a n g ) u l a r o d a t d a g i k o o r d i n a t a va im p u ls t u s h u n c h a l a r i g a t o ‘g ‘ri k e l- m asligini k o 'r i s h m u m k i n , u la r n i n g o 'l c h a m l i k l a r i h a m k o o r d i n a t a va im p u ls n in g o i c h a m l i g i g a m o s k elm aydi. K a n o n i k a lm a s h t ir i s h l a r k o o r d i n a t a la r n i i m p u ls la r b ila n b o g i a g a n l i g i u c h u n y an g i u m u m las h g an k o o r d i n a t a l a r u m u m i y h o i d a o d d iy fazoviy k o o r d i n a t a m a ’- n o s in i y o 'q o ti s h i m u m k i n . M a s a la n , y u q o rid a g i m is o ld a Q u m u m a n o i c h a m l i k k a ega em as. Y a ’ni, k a n o n i k fo r m a li z m i d a u m u m l a s h g a n k o o r d i n a t a va u m u m l a s h g a n im p u ls l a r o ‘zin in g b o s h l a n g 'i c h m a ’- n o sin i y o ‘q o tish i m u m k in . S h u sa b a b d a n ( Q,P ) j u ftlik n i, o d a t d a , kanonik q o ‘shma o ‘zgaruvchilar deyiladi. U l a r n in g qaysi b i rin in g fizik m a ’nosi q a n d a y b o i i s h i k o n k re t m a s a la d a k o ‘rilgan k o n k r e t k a n o n i k a lm a s h tiris h la rg a b o g i i q b o i a d i . Bu holatga misol sifatida Q = p, P = - q alm ashtirishlarni keltirilishi m u m k in , b o r y o 'g 'i im p u ls va k o o r d i n a t a n in g o ' m i n i a lm a s h tirib qo'ydik, bu k a n o n ik alm ashtirish ekanligini tekshirib k o ‘rish m u m k in . 7.6.2-misol. Awalgi misolda ko‘rilgan almashtirishga kirgan chastotani vaqtga bog'liq deb olylik: Bunday almashtirish garmonik ossiilatorining chastotasi o'zgaruvchan bo'lgan holga mos keladi. Bu hoida yangi o'zgaruvchilar tilida kanonik tenglama- iarning ko'rinishi qanday boiadi va bu qanday qulayliklar beradi? Yechish. Bu hoi awalgi holdan farq qiladi. Yangi Gamilton funksiyasi H' eskisiga teng emas: Yangi va eski kanonik o'zgaruvchilar orasidagi bogianish o'zgar- maydi: Natijada yangi Gamilton funksiyasi uchun quyidagi formula olinadi: Fx{q ,Q j) = - nm (t)q2cigQ. (7.180) (0 \ H ’ = Pco 1 + sin ( 2 0 (7.183) v 2(0 / Kanonik tenglamalarga kelaylik: 217 P = P — cos(2Q), Q = co 1 + —^ - s i n ( 2 0 со 2 or / (7.184) / ^ Bu te n g la m a la r sistem asini ft)/ft)' « 1 boMgan h o ld a g 'a la y o n la n is h nazariyasi orqali yechish m um kin. Quyidagi misollar kanonik almashtirish y ordam ida nochiziqli tebranish- lar masalasini yechishga oiddir. 7.6.3-misol. Nochiziqli ossillatorni olaylik: M asala quyidagidan iborat: F2(x,P ) = xP + ax2P + bP3 hosil qiluvchi funksiyada a va b param etrlarni shunday tanlab olingki, yangi G a m ilto n funksivasiga o'tilganida sistemaning kichik tebranishlari garmonik ko‘rinishga ega bo'lsin. Yechish. Yangi va eski kanonik o'zgaruvchilarni bog'laylik: Keyin ko 'ram izk i, a va b p a ra m e trlar masaladagi kichik pararnetr a ga pro p o rsio n al bo'Iadi, shuning u c h u n ular b o 'y ic h a faqat birinchi tartibli hadlar qoldiriladi. M ana shu birinchi tartibda eski o'zgaruvchilar vangiiari orqali quyidagicha aniqlanadi: Hosil qiluvchi funksiya vaqtga oshkora bog'liq emas, shu sababdan yangi G a m ilto n funksiyasiga o'tish uchun eski G a m ilto n funksiyasida m ana shu almashtirishlarni bajarilsa vetarli (eslatib o'tam iz, a va b param etrlar bo'y icha chiziqli yaqinlashuvda qolish kerak, undan tas!tqari, c,b ~ a , shu sababdan a a, a b hadlar ham tashlab yuboriladi): (7.185) ^- = x + ax2 +3bP2 (7.186) p = P + 2aQP\ x = Q -a Q " — 3bP~. (7.187) я = - + — Qr + (2a - 3 b o f )QP~ + (a /3 - aor )QJ + ■ (7.188) Oxirgi ikkita nochiziqli hadlar bo'lmasligi uchun 2 a - 3bw2 = 0, a = Засо' (7.189) bo'lishi kerak. Bu degani. a , 2 a (7 .1 9 0 ) D em ak , 218 P = P + ~ Q P , x = Q~ — Q2 - ~ P 2- (7.191) 3 со 3tu- Зш Y an g i H = ^ P 2 + ~ Q 2 G a m i l t o n funksiyasi u c h u n y e c h i m l a r bizga m a ’lum: Q = Acoscot, P — —coA sin cot. (7.192) Bularni (/.1 9 1 ) formulalarga qo'vilsa nochiziqli tebranishlar masalasini birinchi tartibli yaqinlashuvda yechgan b o ia m iz : ? ? ex A ~ cc A ~ x — A cos cot -----—-H------ -c o s lm t. (7 193) 2 co- 6 со2 7.6.4-misol. Quyidagi ko‘rinishdagi angarmonik ossillatorni olaylik: H = — + ^ ^ — + — x 4. (7.194) 2 2 4 Agarda (5.1) da m = 1 desak, m ana shu G am ilton funksiyasi olinadi. Hosil qiluvchi funksiva sifatida F2 = xP + ax3 P + bxP 3 (7 . ! 95) ni ishlatib yuqoridagi angarmonik ossillator tebranishlarini toping. Yangi va eski o ‘zgaruvchilarni bogiaylik: dF~> ч т dF~, 1 p - — - = P + 3ax'P + b P ' ; Q = — - = x + ax' + 3 bxP~. (7 196) 1 dx дР У } Bu sistemaui iteratsiyalar yordamida yechish mumkin. Keyin k o ia m iz k i, a va b paramctrlar masaladagi kichik param etr /3 ga proporsiona! b o ia d i, shuning uchun ular b o ‘yicha yuqori tartibli hadlar tashlab yuboriladi. Ko'rish qiyin emaski, x = Я - ^ L . = (О - ax3 )(1 - 3bP2 - ■ • •) - Q - aQ3 - 3bQP2 +■■■. (7.197) 1+ 3 bP2 Buni hisobga olib quyidagiga kelamiz: p = P + bP3 + 3 a P (Q -a Q 3 - I b Q P 2 +•••) = P + bP3 + 3aPQ2 +■■■. (7.198) Hosil qiluvchi funksiya vaqtga oshkora b o g i i q emas, shu sababdan yangi G am ilton funksiyasiga o ‘tish uchun eski G am ilton funksiyasida (7.197) va (7.198) almashtirishlarni bajarish yetarli: 219 н ‘~ + ~ 2 ~ Q 2 + ь р А + 3 { a — bcol ) Q 2P 2 + P ■aw» \ Q \ ( 7 .1 9 9 ) Awalgi misoldan farqli o ‘laroq bu holda a va b parametrlarni h ech qanday tanlab olganimiz bilan F h a d d a n qutila olmaymiz. Shuning u c h u n bu gal b o sh q a c h a y o ‘l tu tam iz. (7.39) m isolni eslaylik. Agar P4 h a d d a n qutula olm as ekanmiz, G am ilton funksiyani (7.39) k o ‘rinishga keltirishga harakat qilaylik. Buning uchun 2 2 2 2 = — + q 2 + — P 4 + О4 + 2 2 4 4 2 ifodani (7.199) ga tenglashtirish kerak. Buning u c h u n Q'-P2 32 (On 8(on (7.200) (7.201) bo'lishi kerak. (7.39) k o ‘rinishdagi G a m ilto n funksiyasi uchun Q = Acoscot, P = -coQAsmcot, со2 = (1 + 2XE0)co0 (7.202) edi. Bizning holimizda ((7.40) ga qarang) E0 - ~ A -Q- Sj3 32 ml Q - 9/3 32cOn QP-. (7.203) Trigonometrik almashtirishlar bajarilganidan keyin quyidagi ifoda hosil bo'ladi: 3/3 A2 l6o^ PA~ cos cot+ — — - c o s 3 cot, CO — 32 1 + <°o. (7.204) 7.6.2. Kanonik almashtirishlar va Puasson qavslari Bizga q a n d a y d ir bir alm ash tirish berilgan bo'lsin: (gi,q2, P i , P 2 , - ; P s ) = * ( Q i , Q 2 > - - - > Q s >pi>P2>---’Ps)- (7.205) P u a sso n qavslarining bu alm ash tirish larg a nisbatan invariantligi: 220 { f , s } pq- { f , g } PQ (7.206) ularning kanonikligining zaruriy va yetarli sharti ekanligini isbot qilaylik (qaysi o ‘zgaruvchilarga nisbatan hosilalar hisoblanayotganini qavslaming o ‘ng tom o n id a g i indeksi sifatida belgilandi). Zaruriylik shartidan boshlaylik (ya’ni, (7.205) ni kanonik deb u n d a n (7.206) ni keltirib chiqaram iz). Isbotni ikki bosqichga bo'lam iz. Birinchi n a v b a td a (7.207) ekanligini k o ‘rsataylik. Э/ Щ ef <)Pt ) V f э/ э2/г1 3 / ^ fa 4 dPk dqk dqk Э pk I j L A Э pk dqkdQi Э qk dpkdQt 1 3 / Э Щ d f 3 3 / bpk b f dq, дрk Щ dqk dqk Щ дрк I LmA dpk dQ, dqk 3g, \ 4k _ э / эе , (7.208) Oxirgi tenglik belgisiga o ‘tishda m u rak k a b funksiyaning hosilasi u c h u n zanjir qoidasidan foydalanildi. H u d d i shu y o ‘l bilan (7.207) ga kirgan ikkinchi form ulani h am isbot qilish m u m k in . Bu form ulalarning natijasi sifatida = °- i p<’Q^ P4= (7-209> m uno sab atlarg a kelinadi. O lin g an n atijalar aso sid a asosiy b o 'i g a n (7.206) fo r m u la isbot qilamiz. Ishni soddalashtirish u c h u n bir o i c h a m l i holni ko'raylik, k o ‘p o i c h a m l i holga o ‘tishni o :quvchiga h avola qilamiz. Keyingi hisoblarda h a m m urakkab funksiyaning hosilasi u c h u n zanjir qoidasi asosiy b o ‘ladi: If o d a n in g o ‘ng t( o n i n i o c h i b chiqilsa s a k k iz ta h a d d a n t o ‘rttasi qisqaradi. Q o lg a n idlar yig‘ib chiqilsa va (7.209) ning u c h in c h isin i q o ‘llanilsa izlagan л тп и 1 а hosil b o ‘ladi: ' dP dQ _ ? 7> Download 132.13 Kb. Do'stlaringiz bilan baham: |
Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2024
ma'muriyatiga murojaat qiling
ma'muriyatiga murojaat qiling