Уравнения Гамильтона

Уравне́ния Гамильто́на (также называемые каноническими уравнениями) в физике и математике — система дифференциальных уравнений:

где точкой над p и q обозначена производная по времени. Система состоит из 2N дифференциальных уравнений первого порядка (j = 1, 2, …, N) для динамической системы, описываемой N (обобщёнными) координатами, являющихся уравнениями движения (одной из форм таких уравнений, наравне с уравнениями Лагранжа, являющейся обобщением ньютоновских уравнений движения) системы, где — так называемая функция Гамильтона, также иногда именуемая гамильтонианом, — время^[1], — (обобщенные) координаты , и — обобщенные импульсы , определяющие состояние системы (точку фазового пространства).

Уравнения Гамильтона широко используются в гамильтоновой механике и других областях теоретической физики и математики.

Содержание

1 Ньютоновский физический смысл
2 Фундаментальная интерпретация
3 Вывод уравнений Гамильтона
- 3.1 Вывод из принципа стационарного действия
- 3.2 Вывод из лагранжевой механики
4 Обобщение посредством скобок Пуассона
5 См. также
6 Примечания
7 Литература

Ньютоновский физический смысл

Наиболее простая интерпретация этих уравнений заключается в следующем. Гамильтониан представляет в наиболее простых случаях энергию физической системы, которая есть сумма кинетической и потенциальной энергий, традиционно обозначаемых и соответственно:

В частном случае, если q = X — декартовы координаты каждой материальной точки системы, записанные подряд по три (физическое пространство будем подразумевать здесь обычным трёхмерным), то есть

то канонические уравнения Гамильтона совпадают, учитывая предыдущий абзац, с уравнениями движения Ньютона в виде:

где , причем каждое подпространство дает радиус-вектор соответствующей материальной точки:

а обобщенные импульсы — соответствующие компоненты трехмерных импульсов этой точки:

Фундаментальная интерпретация

Функция Гамильтона по сути представляет собой локальный закон дисперсии, выражающий квантовую частоту (частоту колебаний волновой функции) через волновой вектор для каждой точки пространства^[2]:

В классическом приближении (при больших^[3] частотах и модуле волнового вектора и сравнительно медленной зависимости от ) этот закон достаточно очевидно описывает движение волнового пакета через канонические уравнения Гамильтона, одни из которых () интерпретируются как формула групповой скорости, полученная из закона дисперсии, а другие () вполне естественно - как изменение, в частности поворот, волнового вектора при распространении волны в неоднородной среде определенного типа.

Вывод уравнений Гамильтона

Вывод из принципа стационарного действия

Из принципа наименьшего (стационарного) действия уравнения гамильтона непосредственно получаются варьированием действия

независимо по и по .

Вывод из лагранжевой механики

Мы можем вывести уравнения Гамильтона используя информацию об изменении лагранжиана при изменении времени, координат и импульсов частиц.

$\mathrm{d} L = \sum_i \left ( \frac{\partial L}{\partial q_i} \mathrm{d} q_i + \frac{\partial L}{\partial {\dot q_i}} \mathrm{d} {\dot q_i} \right ) + \frac{\partial L}{\partial t} \mathrm{d}t$

обобщённые импульсы определяются как , и уравнения Лагранжа гласят: $\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \frac{\partial L}{\partial {\dot q_i}} - \frac{\partial L}{\partial q_i} = F_i$

где — непотенциальная обобщённая сила. Последнее выражение преобразуется к виду $\frac{\partial L}{\partial q_i} = {\dot p}_i - F_i$ и результат подставляется в вариацию лагранжиана

$\mathrm{d}L = \sum_i \left[ \left( {\dot p}_i - F_i \right) \mathrm{d} q_i + p_i \mathrm{d} {\dot q_i} \right] + \frac{\partial L}{\partial t}\mathrm{d}t$

Можно записать:

$\mathrm{d} L = \sum_i \left [ \left ( {\dot p}_i - F_i \right ) \mathrm{d}q_i + \mathrm{d}\left ( p_i {\dot q_i} \right ) - {\dot q_i} \mathrm{d} p_i \right ] + \frac{\partial L}{\partial t}\mathrm{d}t$

и преобразуется к форме:

$\mathrm{d} \left ( \sum_i p_i {\dot q_i} - L \right ) = \sum_i \left [ \left ( F_i-{\dot p}_i \right ) \mathrm{d} q_i + {\dot q_i} \mathrm{d}p_i \right] - \frac{\partial L}{\partial t}\mathrm{d}t$

Множитель в левой части просто гамильтониан, который был определён раньше. Таким образом:

$\mathrm{d} H = \sum_i \left [ \left ( F_i-{\dot p}_i \right ) \mathrm{d} q_i + {\dot q_i} \mathrm{d} p_i \right] - \frac{\partial L}{\partial t}\mathrm{d}t = \sum_i \left [ \frac{\partial H}{\partial q_i} \mathrm{d} q_i + \frac{\partial H}{\partial p_i} \mathrm{d} p_i \right ] + \frac{\partial H}{\partial t}\mathrm{d}t$

где второе равенство выполняется в силу определения частной производной.

Обобщение посредством скобок Пуассона

Уравнения могут быть записаны в более общем виде, если использовать алгебру Пуассона над образующими и . В этом случае, более общая форма уравнений Гамильтона гласит

где , называемая классической наблюдаемой, — это некоторая функция переменных , и , и — гамильтониан системы. Со скобками Пуассона можно работать без обращения к дифференциальным уравнениям, поскольку скобки Пуассона полностью аналогичны скобкам Ли в алгебре Пуассона.

Этот алгебраический подход позволяет использовать распределение вероятностей для и , он также позволяет найти сохраняющиеся величины (интегралы движения).

Уравнения Гамильтона являются одними из основных уравнений классической механики. В квантовой механике аналогом приведенного уравнения Гамильтона является уравнение Гейзенберга.

См. также

Примечания

↑ От времени функция Гамильтона, вообще говоря, может зависеть явно, хотя во многих фундаментальных случаях такой зависимости как раз нет.
↑ Поскольку энергия и импульс и есть частота и волновой вектор, отличаясь от них лишь универсальным постоянным множителем, который может быть выбран и единичным в подходящей системе единиц.
↑ Поскольку в связь энергии и частоты, импульса и волнового вектора в обычных системах единиц входит конcтанта Планка, которая в этих обычных системах единиц очень мала, то обычным для классической механики энергиям и импульсам соответствуют очень большие (в соизмерении с обычными для классической механики пространственными и временными масштабами) частоты и волновые векторы.

Литература

Вилази Г. Гамильтонова динамика. перевод с англ. М.: ИКИ и РХД, 2006. 432с. ISBN 5-93972-444-2
Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М. Механика. — Издание 5-е, стереотипное. — М.: Физматлит, 2001. — 222 с. — («Теоретическая физика», том I). — ISBN 5-9221-0055-6
Лич Дж. У. Классическая механика. М.: Иностр. литература, 1961.
Д. тер Хаар. Основы гамильтоновой механики. М.: Наука, 1974.
Полак Л. С. (ред.) Вариационные принципы механики. Сборник статей классиков науки. М.: Физматгиз, 1959

Lt304888.ru

Туристические услуги

Рекомендуем