Проблема вывода уравнения Гамильтона-Якоби из вариационного принципа

Как я уже сказал, у меня есть проблема с пониманием рассуждений, из которых мы выводим уравнение Гамильтона–Якоби из вариационного принципа. Возьмем функционал Гамильтона:

С "=" т 0 т 1 [ п α д ˙ α ЧАС ( д α , п α , т ) ] г т

Первая вариация на фазовом пространстве этого функционала в самом общем виде:

( дельта С ) γ ¯ "=" [ п α дельта д α ЧАС дельта т ] т 0 т 1 + т 0 т 1 { [ д ˙ α ЧАС п α ] γ ¯ π α [ п ˙ α + ЧАС д α ] γ ¯ η α } г т

Где изменение функционала S оценивается по деформации кривой γ ¯ γ в фазовом пространстве:

γ ¯ : { д α "=" д ¯ α ( т ) п α "=" п ¯ α ( т ) А "=" { д ¯ α ( т 0 ) ; п ¯ α ( т 0 ) } Б "=" { д ¯ α ( т 1 ) ; п ¯ α ( т 1 ) } т е [ т 0 , т 1 ]
γ : { д α "=" д ¯ α ( т ) + λ η α ( т ) п α "=" п ¯ α ( т ) + λ π α ( т ) А "=" { д ¯ α ( т 0 + λ дельта т 0 ) + λ η α ( т 0 + λ дельта т 0 ) ; п ¯ α ( т 0 + λ дельта т 0 ) + λ π α ( т 0 + λ дельта т 0 ) } Б "=" { д ¯ α ( т 1 + λ дельта т 1 ) + λ η α ( т 1 + λ дельта т 1 ) ; п ¯ α ( т 1 + λ дельта т 1 ) + λ π α ( т 1 + λ дельта т 1 ) } т е [ т 0 + λ дельта т 0 , т 1 + λ дельта т 1 ]

Где η α и π α являются штатной функцией. Теперь в моих заметках мы выбираем γ ¯ е мы позволяем А "=" А , так что у нас есть начальная неподвижная точка. Тогда мы говорим, что на выбранной кривой выполняется уравнение Гамильтона, так что изменение S становится только:

( дельта С ) γ ¯ "=" [ п α дельта д α ЧАС дельта т ] т 0 т 1

[ Первый вопрос Это законно? Если уравнения Гамильтона выведены из того же вариационного принципа, можем ли мы сказать "априори", что они справедливы на конкретном пути в фазовом пространстве? ]

Тогда считаем точку B подвижной, так что она зависит от времени. Таким образом, S больше не является функционалом, а является функцией времени. Таким образом, вариацию можно интерпретировать как дифференциал:

г С "=" п α г д α ЧАС г т

[ Второй вопрос. Я хочу получить математическое доказательство, потому что для меня это не тривиально, как кажется.]

Тогда мы можем доказать, что S является функцией С ( д α ( т ) , т , д α ( т 0 ) , т 0 ) , так что:

г С "=" С д α г д α + С т г т

Приравнивая два результата, получаем:

С т + ЧАС ( д α , С д α , т ) "=" 0

Что представляет собой уравнение Гамильтона-Якоби.

Третий вопрос. Правильно ли это рассуждение формально? Мне это кажется не совсем правильным. А также, что более важно, знаете ли вы какую-нибудь книгу, в которой аргумент рассматривается таким или подобным образом, но более строго?

Ответы (1)

  1. С одной стороны, главная функция Гамильтона С ( д , α , т ) и уравнение Гамильтона-Якоби (HJ)

    (1) ЧАС ( д , п , т )   "="   С т , п Дж   "="   С д Дж ,
    обычно определяется через каноническое преобразование типа 2 . Здесь С "=" Ф 2 является производящей функцией. Новые импульсы п я "=" α я – константы интегрирования и константы движения. Камилтониан К 0 тождественно исчезает. Полная производная по времени
    (2) г С г т   "="   д ˙ Дж С д Дж + С т   "=" ( 1 )   д ˙ Дж п Дж ЧАС   "="   л
    равен лагранжиану л на оболочке. Как следствие, главная функция Гамильтона С ( д , α , т ) можно интерпретировать как действие на оболочке. См. также этот пост на Phys.SE.

  2. С другой стороны, действие (Дирихле) на оболочке С ( д ф , т ф ; д я , т я ) удовлетворяет

    (3) час ф   "="   С т ф , п ф   "="   С д ф .
    Для доказательства ур. (3), см., например, мой ответ Phys.SE здесь .

  3. уравнение (3) выглядит обманчиво как уравнение. (1). Однако дьявол кроется в деталях. Чтобы поднять экв. (3) к ур. (1), остается проблема идентификации нахождения новых импульсов п я "=" α я по конечным и исходным данным ( д ф , т ф ; д я , т я ) .

  4. Наконец, упомянем, что вариационный метод эквивалентных лагранжианов Каратеодори может быть использован для вывода уравнения ГД в совершенно другом подходе, см. 1. (С этим методом возникает аналогичная проблема с идентификацией.)

Использованная литература:

  1. HA Каструп, Канонические теории лагранжевых динамических систем в физике , Phys. 101 (1983) 1 ; Раздел 2.4.