Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

IvanovMaksyuta

.pdf
Скачиваний:
38
Добавлен:
14.02.2016
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

оскільки функція дії S (q,t) входить у рівняння Гамільтона–

Якобі тільки через свої частинні похідні, одна із довільних сталих входить у повний інтеграл адитивним чином, тобто повний інтеграл рівняння Гамільтона–Якобі має вигляд

S = f (q1,..., qs ;α1,..., αs ;t) + A , де α1,..., αs і A – довільні сталі. З'ясуємо тепер зв'язок між повним інтегралом рівняння Гамі- льтона–Якобі та розв'язком рівнянь руху. Для цього виконаємо канонічне перетворення від змінних q, p до нових змінних: но-

вих імпульсів α1,..., αs

і нових координат β1,...,βs . Оскільки за

твірну функцію вибирається функція

f (q, α,t) , необхідно кори-

стуватись такими формулами:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pi =

∂f

,

βi =

∂f

,

 

H ′ = H + ∂∂ft ,

 

 

 

 

 

 

 

∂q

∂α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

причому внаслідок того, що функція

f (q, α,t)

задовольняє рів-

няння Гамільтона–Якобі, нова функція Гамільтона H ′

буде то-

тожно дорівнювати нулю

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

 

∂S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H

= H + ∂t

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тому

канонічні рівняння

в

нових змінних

 

мають

вигляд

α

i

= 0,

β

i

= 0 , звідки випливають

α = const ,

β

i

= const . З ін-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

шого боку,

s рівнянь ∂S ∂αi =βi дають можливість виразити s

координат q через час і 2s сталих α,β . Тим самим ми знахо-

димо загальний розв'язок рівняння руху.

Таким чином, розв'язок задачі про рух механічної системи за методом Гамільтона–Якобі зводиться до таких операцій. За функцією Гамільтона складаємо рівняння Гамільтона–Якобі і знаходимо повний інтеграл цього рівняння. Диференціюючи його за довільними сталими α , а далі прирівнюючи до нових сталих β, одержуємо систему s алгебраїчних рівнянь

∂S =βi , ∂αi

181

розв'язуючи яку, знаходимо координати q як функції часу та 2s довільних сталих. Залежність імпульсів від часу далі можна знайти з рівнянь pi = ∂S∂qi .

Якщо функція H не залежить явно від часу, рівняння Гаміль- тона–Якобі набуває вигляду

∂S

 

∂S

 

 

+ H qi ,

 

= 0 .

∂t

 

 

∂qi

 

Повний інтеграл цього

рівняння

можна шукати у вигляді

S (qi , αi ,t) =W (qi ,αi ) −α1t . Підставляючи цей вираз у попереднє рівняння, одержуємо

 

∂W

 

= α1 ,

H qi ,

 

 

∂qi

 

 

що являє собою диференціальне рівняння, у яке вже не входить час. Отже, одна із констант, яка входить у S , дорівнює постійному значенню гамільтоніана H (тобто α1 = E ). Функція W

відома як характеристична функція Гамільтона.

За деяких умов змінні рівняння Гамільтона–Якобі можна відокремити, і тоді розв'язок задачі вдається звести до квадратур. У цьому випадку метод Гамільтона–Якобі стає корисним на практиці. Часткове відокремлення змінних уже застосовувалось у випадку, коли функція H не залежала явно від часу.

Вважатимемо, що деяка координата q1 і відповідна їй похідна ∂S∂q1 входять у рівняння Гамільтона–Якобі тільки у вигляді деякої комбінації ϕ(q1,∂S∂q1 ) , тобто рівняння має вигляд

 

∂S

 

∂S

 

 

∂S

 

 

 

 

 

 

 

Φ q j ,t,

 

,

 

,ϕ q1

,

 

 

= 0 ,

∂q j

∂t

 

 

 

 

 

∂q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

де через q j позначена сукупність усіх координат за винятком q1 . Шукаємо розв'язок у цьому випадку у вигляді суми

S = S′(q j ,t) + S1 (q1 ) .

182

Підставляючи цей вираз у попереднє співвідношення, маємо

 

 

 

 

 

∂S′

 

∂S′

 

 

 

 

∂S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Φ

 

q

j

,t,

 

,

 

,ϕ

 

q

,

1

 

= 0 .

 

 

 

 

 

 

∂q j

 

∂t

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Якщодопустити, щорозв'язок S = S′(q j ,t) + S1 (q1 ) ужезнайдений,

то після підстановки його в цю рівність вона має перетворитись на тотожність, яка буде справедливою за довільного значення q1 . Од-

нак при зміні q1 може змінюватися тільки функція ϕ(q1,∂S∂q1 ) . Тому ця тотожність вимагає, щоб і функція ϕ була постійною. Отже, останнєрівняннярозпадаєтьсянадватакихрівняння:

 

 

 

∂S

 

 

 

 

 

 

∂S′

 

∂S

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ

 

q ,

1

 

= α ,

Φ

 

q

j

,t,

 

,

 

 

,α

 

= 0

,

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

∂q j

 

∂t

 

1

 

 

 

 

 

∂q1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

де α1 – довільна стала. Перше з них є звичайним диференціальним рівнянням, із якого функція S1 (q1 ) може бути визначена

простим інтегруванням. Після цього залишається диференціальне рівняння у частинних похідних (інше рівняння), але з меншою кількістю незалежних змінних.

При повному відокремленні шуканий інтеграл рівняння Га- мільтона–Якобі має вигляд

S = ∑Sk (qk , α1,..., αs ) − Et ,

k

де кожна із функцій Sk залежить лише від однієї координати, а енергія E як функція довільних сталих α1,..., αs може бути

одержана підстановкою W = ∑Sk

у рівняння

 

 

k

 

 

 

 

 

,..., qs ;

∂W ,...,

∂W

 

= E .

H q1

 

 

 

∂q1

 

∂qs

 

 

Частинним випадком відокремлення є випадок циклічної змінної. Оскільки циклічна координата q1 зовсім не входить у

рівняння Гамільтона–Якобі, функція ϕ(q1,∂S∂q1 ) зводиться до ∂S∂q1 і отже, маємо S1 = α1q1 , тому

183

S = S′(q j ,t) + α1q1 ,

де постійна α1 у цьому випадку є не що інше, як постійне значення імпульсу p1 = ∂S∂q1 . Зазначимо, що відокремлення часу

у вигляді члена −Et для консервативної системи також відповідає методу відокремлення змінних для "циклічної змінної" t .

Таким чином, усі випадки спрощення інтегрування рівнянь руху, що розглядалися раніше і ґрунтувалися на використанні циклічних змінних, охоплюються методом відокремлення змінних у рівнянні Гамільтона–Якобі. Окрім того, до них приєднується ще ряд випадків, коли відокремлення змінних можливе, але координати нециклічні. Це призводить до того, що метод Гамільтона–Якобі є найбільш потужним методом аналізу механічних систем.

§ 3. Інтегральні інваріанти Пуанкаре. Теорема Ліувілля

Розглянемо фазовий простір, під яким розумітимемо 2s - вимірний декартовий простір з координатами q1,..., qs , p1,..., ps .

Тоді кожному стану даної механічної системи буде відповідати цілком визначена точка цього простору. У процесі руху системи її фазова зображувальна точка описує у фазовому просторі відповідну лінію, яку називають фазовою траєкторією. Добуток диференціалів d Γ = dq1 ... dqsdp1 ... dps можна розглядати як

"елемент об'єму" фазового простору.

Поняття фазового простору дозволяє сформулювати цікаві загальні властивості механічного руху в термінах геометричних перетворень цього простору. Зупинимось спочатку на фазовому просторі, який відповідає системі з одним ступенем вільності,

тобто фазову площину ( p, q) . Розглянемо деяку область цього простору, і покажемо, що інтеграл ∫dpdq , узятий по цій облас-

ті, дорівнює її площі. Покажемо також, що ця площа не змінюється за довільного канонічного перетворення, що є частинним (за s =1 ) випадком теореми Ліувілля (далі розглянемо загальний випадок для довільного s ).

184

Нехай P = P ( p, q,t) , Q = Q ( p, q,t) є канонічним перетворенням, що переводить область S на площині ( p, q) у відповідну їй область S′ на площині ( P,Q) . Правило перетворення інтег-

ралів при заміні змінних таке:

D(P,Q) ∫∫S′dPdQ = ∫∫S dpdq D( p, q) ,

де D (P,Q)D ( p, q) – якобіан переходу. Легко переконатися, що в явному вигляді якобіан переходу дорівнює дужці Пуассона {P,Q}p,q , яка, у свою чергу, дорівнює одиниці для довільного

канонічного перетворення, що і доводить зроблене припущення

∫∫S′dPdQ = ∫∫S dpdq .

Перейдемо тепер до дослідження більш загальних систем із s >1. У цьому випадку справедливий цілий ряд тверджень щодо інваріантності інтегралів у двовимірних, чотиривимірних і т. д. підпросторах повного фазового простору. Почнемо з доведення теореми Пуанкаре, яка стверджує, що подвійний інтеграл

J1 = ∫∫S ∑i dpidqi

буде інваріантним щодо довільного канонічного перетворення. Символ S у цьому випадку означає довільну двовимірну поверхню у фазовому просторі.

Положення точки на двовимірній поверхні можна задавати двома будь-якими параметрами u і v . Тоді матимемо

 

qi = qi (u,v), pi = pi (u,v) .

Зв'язок між елементом площі dqi dpi

та елементом площі dudv

має вигляд

 

 

 

∂qi

∂pi

 

 

 

∂(qi , pi )

 

 

dq dp =

dudv =

∂u

∂u

dudv .

 

i i

 

∂(u,v)

∂qi

∂pi

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

∂v

 

185

Тому рівність ∫∫S ∑i dqidpi = ∫∫S ∑k dQk dPk , яка виражає інваріант-

ність інтеграла J1 щодо канонічних перетворень, можна записати у вигляді

∫∫S

∑

∂ (qi , pi )

dudv = ∫∫S

∑

∂ (Qk , Pk )

dudv .

∂ (u,v)

∂ (u,v)

 

i

 

 

k

 

 

Оскільки область інтегрування довільна, ці інтеграли можуть бути рівними лише за умови виконання рівності

∑

∂ (qi , pi )

= ∑

∂ (Qk , Pk )

.

∂ (u, v)

 

i

k

∂ (u, v)

 

 

 

Таким чином, доведення

інваріантності інтеграла J1 зво-

диться до доведення інваріантності суми якобіанів. Розглянемо канонічне перетворення, яке можна одержати за

допомогою твірної функції типу F2 (q, P,t ) (ця вимога не обо-

в'язкова, оскільки доведення можна провести і для іншої твірної функції). У цьому випадку матимемо

∂pi

=

∂

 

∂F2

 

=

∂2 F2

=

∂2 F2

= ∑

∂2 F2 ∂qk

+ ∑

∂2 F2 ∂Pk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

∂u

∂u

∂q

∂u∂q

∂q ∂u

∂q ∂q

∂u

∂q ∂P

∂u

 

 

 

 

i

 

 

i

 

i

k

i k

k

i k

Аналогічний вираз можна отримати для частинної похідної ∂pi ∂v . Підставляючи тепер їх у суму детермінантів, які містяться в лівій частині останнього співвідношення, знаходимо

 

 

 

 

 

 

 

 

∂q

 

∑

 

 

∂2 F

 

 

∂q

+ ∑

 

∂2 F

 

 

∂P

 

 

 

∂ (q , p )

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

2

 

 

k

 

 

 

2

 

 

k

 

 

∑

= ∑

∂u

∂qi∂qk

 

∂u

∂qi

∂Pk

 

∂u

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

=

i

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

∂ (u,v)

 

 

i

∂qi

 

∑

 

 

∂

2

F2

 

 

∂qk

+ ∑

 

∂

2

F2

 

 

∂Pk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

∂q

∂q

 

 

∂v

∂q

∂P

 

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

i

k

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

i

k

 

 

 

 

 

 

 

 

∂2 F2

 

∂qi

 

∂qk

 

 

 

 

 

 

∂2 F2

 

 

 

∂qi

 

∂Pk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

∂u

 

∂u

 

 

+ ∑

 

 

 

 

∂u

 

∂u

 

 

.

 

 

 

∂q

∂q

 

 

∂q

 

∂q

 

 

∂q ∂P

 

 

 

∂q

 

∂P

 

 

 

i,k

 

 

i

k

 

i

 

k

 

 

 

 

i,k

 

 

i

k

 

 

 

 

i

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

∂v

 

 

 

 

 

186

Перша сума у цьому виразі дорівнює нулю, оскільки при перестановці місцями індексів i, k одержуємо

 

∂2 F2

 

∂qi

∂qk

 

∂2 F2

 

 

∂qk

∂qi

 

∂2 F2

 

∂qi

∂qk

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

∂u ∂u

= ∑

 

 

∂u ∂u

= −∑

 

∂u ∂u

,

∂q ∂q

 

 

∂q

∂q

∂q ∂q

 

 

∂q

∂q

∂q ∂q

 

 

∂q

∂q

i,k

i k

 

 

i

k

i,k

k i

 

 

k

i

i,k

i k

 

 

i

k

 

 

 

 

 

∂v

∂v

 

 

 

 

∂v

∂v

 

 

 

 

∂v

∂v

 

у той час як сума не повинна залежати від порядку написання індексів i, k . Замість цієї нульової суми можна поставити будь-

яку іншу, яка має таку саму структуру, і тому також дорівнює нулю. Наприклад, можна написати

 

 

 

∂ (qi , pi )

 

 

 

∂2 F2

 

∂Pi

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

= ∑

 

∂u

∂

(u, v)

 

∂P∂P

 

 

∂P

 

i

 

 

 

i,k

i

k

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

∑

∂2 F

 

∂P

+ ∑

∂2 F

 

 

 

 

 

 

2

 

i

 

 

2

 

= ∑

∂P∂P

∂u

∂q ∂P

 

i

i

k

 

 

 

i

i

 

k

k

 

∑

∂2 F

 

∂P

+ ∑

∂2 F

 

 

 

2

 

i

 

 

2

 

 

 

∂P

∂P

 

∂v

∂q

∂P

 

 

 

 

i

i

k

 

 

 

i

i

 

k

∂Pk

∂u ∂Pk

∂v ∂qi

∂u ∂qi

∂v

 

 

 

 

∂2 F2

 

∂qi

 

∂Pk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ∑

 

∂u

 

 

 

∂u

 

 

=

 

 

 

∂q

∂P

 

 

 

 

∂q

 

∂P

 

 

 

 

 

i,k

i

 

 

k

 

 

 

i

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

 

∂v

 

 

 

 

 

∂Pk

 

 

 

 

 

∂

 

 

∂F2

 

∂Pk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

 

 

 

 

 

∂u

 

∂P

 

∂u

 

 

 

 

 

= ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

=

∂Pk

 

 

∂

 

∂F2

 

∂Pk

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂v

 

 

 

 

 

∂v

 

∂P

 

∂v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

∂Qk

∂Pk

 

∂ (Qk , Pk )

 

 

 

 

= ∑

∂u ∂u

= ∑

,

∂Q

∂P

∂ (u,v)

k

k

k

k

 

 

 

∂v

∂v

 

 

 

що й доводить теорему Пуанкаре.

Аналогічним чином можна довести, що й інтеграл

J2 = ∫∫∫∫S ∑dqidpidqk dpk

i,k

також є інваріантом щодо канонічних перетворень ( S – довільна чотиривимірна поверхня фазового простору). Продовжуючи так і далі, отримуємо ряд інтегральних інваріантів Пуанкаре, останній з яких має вигляд

187

Js = ∫...∫dq1...dqsdp1...dps .

У цьому інваріанті інтегрування здійснюється за довільною областю фазового простору, і тому інваріантність інтеграла Js

еквівалентна твердженню, що об'єм будь-якої частини фазового простору не змінюється при канонічних перетвореннях.

Оскільки сам рух механічної системи є канонічним перетворенням, то фазовий об'єм, який відповідає їй у фазовому просторі, залишається із часом незмінним, тобто

∫ d Γ = Γ = const .

Це твердження виражає зміст теореми Ліувілля, тобто з часом об'єм набуває тільки іншої форми (рис. 1).

p

q(t2 ), p(t2 )

 

q(t1 ), p(t1 )

q

Рис. 1. Рух елементу фазового об'єму у фазовому просторі

Слід зауважити, що теорема Ліувілля є основною теоремою статистичної механіки. За допомогою цієї теореми можна вивести рівняння для густини D = dNd Γ множини точок у фазово-

му просторі, яким відповідає ансамбль однакових механічних систем. Фазовий об'єм dΓ на основі теореми Ліувілля залишається з часом незмінним. Незмінним з часом залишається і кількість dN зображувальних точок усередині цього об'єму. Дійсно, якщо б яка-небудь із точок проникла через поверхню цього об'- єму, то вона зайняла б те положення, яке в цей момент має яканебудь зображувальна точка на поверхні. Оскільки рух кожної зображувальної точки однозначний щодо її положення у фазовому просторі та часі, то дві вказані точки вийшли б з об'єму разом. Отже, жодна із зображувальних точок усередині цього

188

об'єму не може його покинути. І навпаки, зовнішні зображувальні точки не можуть потрапити в цей об'єм.

Таким чином, густина D (q, p,t) також має бути незмінною в часі, що можна записати у вигляді рівності

dDdt = ∂∂Dt +{H , D} = 0 .

Це є рівнянням для густини множини зображувальних точок, які лежать в околі точки, що зображує дану механічну систему ансамблю.

Контрольні запитання та завдання

1.Вираз для твірної функції руху.

2.Рівняння Гамільтона–Якобі.

3.Відокремлення змінних у методі Гамільтона–Якобі.

4.Інтегральні інваріанти Пуанкаре.

5.Суть теореми Ліувілля.

Лекція 18. Гамільтонові інтегровані системи. Змінні "дія–кут"

§ 1. Адіабатичні інваріанти

Розглянемо систему, що здійснює одновимірний фінітний рух і характеризується деяким параметром λ , який визначає властивості самої системи або зовнішнього поля, у якому вона розташована. Припустимо, що параметр λ під дією зовнішніх чинників повільно (адіабатично) змінюється з часом. Під повільною зміною розумітимемо таку зміну, за якої λ мало змінюється за період руху системи T :

T ddtλ ελ,

де ε 1 – малий параметр. За постійного параметра λ система була б замкненою й здійснювала б строго періодичний рух з постійною енергією E і періодом T (E). За змінного параметра λ

система не буде замкненою, тобто її енергія не зберігатиметься.

189

Оскільки λ змінюється повільно, то швидкість E також мала (можна очікувати, що E ~ εE ). Якщо усереднимо E за періодом

T , то її швидкість буде пропорційною λ (згладжуються "швидкі" коливання). E є функцією λ . Залежність E від λ можна представляти у вигляді постійності деякої комбінації E і λ . Таку величину, що залишається постійною в процесі руху системи, у якій повільно змінюються параметри, називають

адіабатичним інваріантом.

Нехай H (q, p,λ) – функція Гамільтона системи, що залежить від параметра λ . Тоді швидкість зміни енергії системи

dEdt = ∂∂Ht = ∂∂Hλ ddtλ ≡ ∂∂Hλ λ .

Права частина цієї формули залежить не тільки від адіабатичного параметра λ , але й від змінних q і p , які швидко змінюються.

Для виділення систематичного ходу зміни енергії потрібно усереднити цю рівність за періодом руху. При цьому виносимо за знак

усереднення величину λ , оскільки λ змінюється повільно: dEdt = λ∂∂λH ,

а у функції ∂H∂λ припускаємо, що змінюються лише q і p , а не λ . Записуємо усереднення в явному вигляді

∂∂λH = T1 ∫0T ∂∂λH dt .

Згідно з рівнянням Гамільтона q = ∂H∂p маємо таке співвідношення:

dt =

dq

.

∂H ∂p

 

 

Задопомогоюцієїрівності замінюємо інтегрування зачасомнаінтегруваннязакоординатою. Теперперіод T запишемоувигляді

T = ∫0T dt = v∫ ∂Hdq∂p .

190

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]