Файл: Равновесие, устойчивость, движение вблизи устойчивого положения равновесия.pdf

интегральный инвариант Пуанкаре. Тогда по теореме 1 исследуемая си- стема гамильтонова с некоторым гамильтонианом ℋ. Итого, имеем два интегральных инварианта типа Пуанкаре-Картана с функциями Φ и ℋ.
Они совпадают на изохронных контурах, а значит и на произвольных контурах:
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
=
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
− Φ???????? =
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
− ℋ????????
Отсюда
˛
????
(Φ − ℋ)???????? = 0
В силу произвольности контура, подынтегральное выражение — полный дифференциал от некоторой функции ????. Тогда
(Φ − ℋ)???????? =
????????
????????
???????? +
∑︁
(︂ ????????
????????
????
????????
????
+
????????
????????
????
????????
????
)︂
,
откуда следует, что частные производные функции ???? по переменным ????
????
и ????
????
равны нулю, то есть ???? = ????(????). Поэтому
Φ = ℋ + ˙
????(????)
Теорема доказана.
2.11
Теорема Ли Хуа-чжуна об интеграль- ных инвариантах первого порядка га- мильтоновых систем.
Теорема Ли Хуа-чжуна: интеграл
???? =
˛
????
∑︁
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????????
????
+ ????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????????
????
73

является универсальным интегральным инвариантом гамильтоновых систем тогда и только тогда, когда
∃???? = ???????????????????? ̸= 0 : ???? = ????????
П
Доказательство
Необходимость
Рассмотрим случай с одной степенью свободы:
???? =
˛
????
????(????, ????, ????)???????? + ????(????, ????, ????)????????
Пусть гамильтоновой системе с гамильтонианом ℋ соответствует общее решение
{︃
???? = ????(????
0
, ????
0
, ????)
???? = ????(????
0
, ????
0
, ????)
Сведем интегрирование по контуру ???? к интегрированию по начальному контуру
????
0
:
???? =
˛
????
0
????(???? (????
0
, ????
0
, ????), ????(????
0
, ????
0
, ????), ????) ????????(????
0
, ????
0
, ????) +
+????(???? (????
0
, ????
0
, ????), ????(????
0
, ????
0
, ????), ????) ????????(????
0
, ????
0
, ????)
Так как интеграл ???? — универсальный интегральный инвариант (то есть является инвариантом для любой гамильтоновой системы), то, задавая конкретные значения для гамильтониана, можно уточнить подынтеграль- ное выражение.
1. Пусть ℋ = 0. Тогда из уравнений Гамильтона ???? = ????
0
, ???? = ????
0
???? =
˛
????
0
????(????
0
, ????
0
, ????)????????
0
+ ????(????
0
, ????
0
, ????)????????
0
По условию теоремы ???? — интегральный инвариант, поэтому
74

˙
???? =
˛
????
0
????????
????????
????????
0
+
????????
????????
????????
0
= 0,
причем внесение оператора дифференцирования под знак интеграла объ- ясняется тем, что сам интеграл не зависит от времени, так как ???? — ин- вариант. В силу произвольности контура, подынтегральное выражение
— полный дифференциал от некоторой функции ???? , то есть
????????
????????
???????? +
????????
????????
???????? =
???????? (????, ????, ????)
????????
???????? +
???????? (????, ????, ????)
????????
????????,
откуда
????????
????????
=
???????? (????, ????, ????)
????????
,
????????
????????
=
???????? (????, ????, ????)
????????
Выражая функцию ???? через ее первообразную по ????
???? (????, ????, ????) =
???????? (????, ????, ????)
????????
,
получаем уравнения
????
????????
(︂
???? −
????????
????????
)︂
= 0,
????
????????
(︂
???? −
????????
????????
)︂
= 0,
то есть существуют такие функции ????(????, ????) и ????(????, ????), что справедливо пред- ставление
???? = ????(????, ????) +
????????
????????
,
???? = ????(????, ????) +
????????
????????
,
которое определяет вид
???????????? + ???????????? = ????(????, ????)???????? + ????(????, ????)???????? +
????????
????????
???????? +
????????
????????
???????? =
= ????(????, ????)???????? + ????(????, ????)???????? + ????????
выражения под интегралом. Учитывая, что интеграл по контуру от пол- ного дифференциала равен нулю, для самого интеграла получим
75

???? =
˛
????
????(????, ????)???????? + ????(????, ????)????????
2. Пусть ℋ = −????. Тогда из уравнений Гамильтона ???? = ????
0
+ ????, ???? = ????
0
Используя выражение для исходного интеграла, полученного в первом пункте, получим
???? =
˛
????
0
????(????
0
+ ????, ????
0
)????????
0
+ ????(????
0
+ ????, ????
0
)????????
0
Факт инвариантности интеграла приводит к результату
˙
????
⃒
⃒
⃒
????=0
=
˛
????
0
????????(????
0
+ ????, ????
0
)
????????
0
????????
0
+
????????(????
0
+ ????, ????
0
)
????????
0
????????
0
= 0
Рассуждая аналогично первому пункту, получим
????(????, ????) = ¯
????(????) +
????????
????????
,
????(????, ????) = ¯
????(????) +
????????
????????
,
???????????? + ???????????? = ¯
????(????)???????? + ¯
????(????)???????? + ????????(????, ????),
???? =
˛
????
¯
????(????)???????? + ¯
????(????)????????
3. Пусть ℋ = −????. Тогда из уравнений Гамильтона ???? = ????
0
, ???? = ????
0
+ ????.
Используя выражение для исходного интеграла, полученного во втором пункте, получим
???? =
˛
????
0
¯
????(????
0
+ ????)????????
0
+ ¯
????(????
0
+ ????)????????
0
Факт инвариантности интеграла приводит к результату
76

˙
????
⃒
⃒
⃒
????=0
=
˛
????
0
????¯
????(????)
????????
???????? +
????¯
????(????)
????????
???????? = 0
В силу произвольности контура, подынтегральное выражение — полный дифференциал от некоторой функции ????, то есть
????????(????, ????)
????????
=
????¯
????(????)
????????
,
????????(????, ????)
????????
=
????¯
????(????)
????????
,
то есть для функции ¯
???? = (????, ????) = ????(????, ????) − ¯
????(????) должно выполняться
????¯
????
????????
=
????¯
????(????)
????????
,
????¯
????
????????
= 0
Из второго уравнения следует, что левая часть первого уравнения не зависит от ????. Правая часть первого уравнения, очевидно, не зависит от
????, поэтому обе части равны постоянной ????, откуда
¯
????(????) = ???????? + ????
1
,
¯
???? = ???????? + ????
2
Подстановка ¯
????(????) в подынтегральное выражение ???? дает
¯
????(????)???????? + ¯
????(????)???????? = ???????????????? + ????(????
1
???? +
ˆ
¯
????(????)????????)
Из всех трех пунктов имеем:
¯
????(????)???????? + ¯
????(????)???????? = ???????????????? + ????(????
1
???? +
ˆ
¯
????(????)????????),
???????????? + ???????????? = ¯
????(????)???????? + ¯
????(????)???????? + ????????(????, ????),
???????????? + ???????????? = ????(????, ????)???????? + ????(????, ????)???????? + ????????
Подставляя последовательно первое во второе и второе в третье и учи- тывая, что интеграл по контуру от полного дифференциала равен нулю,
получим
77

???? = ????
˛
????
????????????
Доказательство для системы с произвольным числом степеней свободы аналогичное, просто нужно рассматривать больше «пробных» гамильто- нианов.
Достаточность очевидна и проверяется прямой подстановкой ???? = ????????
П
в исходный интеграл.
Теорема доказана.
78

Глава 3
Канонические преобразования.
Уравнение Гамильтона-Якоби.
3.1
Канонические преобразования. Критерий каноничности преобразования.
Неособенное преобразование
{︃
̃︁
−
→
???? = ̃︁
−
→
???? (−
→
???? , −
→
???? , ????)
̃︁
−
→
???? = ̃︁
−
→
???? (−
→
???? , −
→
???? , ????),
называется каноническим, если оно переводит любую гамильтонову систему в гамильтонову. Неособенное означает обратимое. Если преоб- разование обратимое, то det
????(̃︁
−
→

???? , ̃︁
−
→
???? )
????(−
→
???? , −
→
???? )
̸= 0
Критерий каноничности преобразования: преобразование (−
→
???? , −
→
???? ) →
(̃︁
−
→
???? , ̃︁
−
→
???? ) каноническое тогда и только тогда, когда
∃???? = ????????????????????, ???? ̸= 0, ∃???? = ???? (−
→
???? , −
→
???? , ????) :
79

∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
− ̃︀
???????????? = ????
(︁∑︁
????
????
????????
????
− ????????????
)︁
− ???????? (−
→
???? , −
→
???? , ????),
где ???? — валентность канонического преобразования, а ???? — произво- дящая функция.
Доказательство
Необходимость
Рассмотрим трубки прямых путей в старых и новых переменных, соот- ветствующие гамильтонианам ℋ и ̃︀
ℋ соответственно. Выберем произ- вольные контуры ???? и ̃︀
???? соответственно в старых и новых переменных и потребуем, чтобы они были согласованными между собой. Введем два согласованных изохронных контура ???? и ̃︀
???? в один и тот же момент време- ни ???? в старых и новых переменных соответственно. В силу интегрального инварианта Пуанкаре-Картана и учитывая, что интеграл по контуру от полного дифференциала равен нулю, имеем
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
− ???????????? =
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
,
(3.1)
˛
̃︀
????
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
− ̃︀
???????????? =
˛
̃︀
????
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
,
(3.2)
Перейдем в последнем интеграле к старым переменным:
˛
̃︀
????
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
=
˛
????
∑︁
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????) =
=
˛
????
∑︁
????
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
????????
????
????????
????
+
∑︁
????
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
????????
????
????????
????
Так как полученное выражение — интегральный инвариант, то по тео- реме Ли Хуа-чжуна ∃???? = ???????????????????? ̸= 0 :
˛
????
∑︁
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????) = ????
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
80

Выражая правую часть полученного выражения через (3.1) и подстав- ляя результат в (3.2), где левая часть выражена в старых переменных,
получим
˛
????
∑︁
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????) − ̃︀
ℋ???????? = ????
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
− ????????????,
откуда
˛
????
∑︁
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????) − ̃︀
ℋ???????? − ????(
∑︁
????
????
????????
????
− ????????????) = 0
В силу произвольности контура, подынтегральное выражение есть пол- ный дифференциал некоторой функции. Обозначив этот дифференциал за −???????? , получаем
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
− ̃︀
???????????? = ????
(︁∑︁
????
????
????????
????
− ????????????
)︁
− ???????? (−
→
???? , −
→
???? , ????)
Достаточность
Возьмем контуры так же, как и при доказательстве необходимости и проинтегрируем уравнение в условии теоремы по контуру ????, выразив новые переменные через старые:
????
˛
????
∑︁
????
????
????????
????
− ???????????? =
˛
????
∑︁
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????)????
̃︀
????
????
(−
→
???? , −
→
???? , ????) − ̃︀
????(−
→
???? , −
→
???? , ????)???????? =
=
˛
̃︀
????
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
− ̃︀
????????????,
где последнее равенство есть результат перехода обратно к новым пере- менным. Первый интеграл в цепочке равенств — инваариант, поэтому по второй обратной теореме теории интегральных инвариантов система в новых переменных — гамильтонова.
Теорема доказана.
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
=
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
=
∑︁
(︂
????
????
????????
????
????????
????
????????
????
+
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
????????
????
????????
????
)︂
+
∑︁
????
????
????
̃︀
????
????
????????
????????
81

Подставим полученное выражение в критерий каноничности и прирав- няем коэффициенты при ????????
????
, ????????
????
. Получившаяся система
⎧
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
∑︁
????
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
????????
????
= ????????
????
−
????????
????????
????
∑︁
????
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
????????
????
= −
????????
????????
????
служит для проверки каноничности преобразования. Из равенства ко- эффициентов при ???????? находим гамильтониан в новой системе переменных
̃︀
???? = ???????? +
????????
????????
−
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
????????
Преобразования, валентность которых равна единице (???? = 1), назы- ваются унивалентными.
3.2
Преобразования, допускающие (−
→
???? , ̃︁
−
→
???? )-описание
(свободные преобразования).
Рассмотрим неособенное преобразование
{︃
̃︁
−
→
???? = ̃︁
−
→
???? (−
→
???? , −
→
???? , ????)
̃︁
−
→
???? = ̃︁
−
→
???? (−
→
???? , −
→
???? , ????)
Если det
????̃︁
−
→
????
????−
→
????
̸= 0,
(3.3)
то обобщенный импульс можно выразить через остальные переменные
−
→
???? = −
→
???? (−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????)
и выбрать вместо переменных Гамильтона новые независимые перемен- ные {−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????}. Такие переменные называются свободными.
82

Исследуемые неособенные преобразования, для которых выполняется (3.3),
называются свободными преобразованиями.
Выразим обобщенный импульс в критерии каноничности через сво- бодные переменные:
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
− ̃︀
???????????? = ????
(︁∑︁
????
????
????????
????
− ????????????
)︁
− ????????(−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????) =
= ????
(︁∑︁
????
????
????????
????
− ????????????
)︁
−
????????
????????
???????? −
∑︁
????????
????????
????
????????
????
−
∑︁
????????
????
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
,
где
−
→
???? = −
→
???? (−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????),
а
????(−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????) = ???? (̃︁
−
→
???? , ̃︁
−
→
???? (−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????), ????)
Приравнивая коэффициенты при одинаковых дифференциалах, полу- чим связь между каноническим преобразованием и производящей функ- цией ????
⎧
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎩
̃︀
????
????
=−
????????
????
̃︀
????
????
????????
????
=
????????
????????
????
и выражение для функции Гамильтона в свободных переменных:
̃︀
ℋ = ????ℋ +
????????
????????
3.3
Полусвободные преобразования.
Рассмотрим то же неособенное преобразование, что и в предыдущем пункте.
Если
83

det
????̃︁
−
→
????
????−
→
????
̸= 0,
(3.4)
то, как и в предыдущем пункте, можно показать, что вместо переменных
Гамильтона можно выбрать новые независимые переменные {−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????},
называемые полусвободными.
Исследуемые неособенные преобразования, для которых выполняется (3.4),
называются полусвободными преобразованиями.
Перейдя к полусвободным переменным, преобразуем выражение
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
= ????
∑︁
̃︀
????
????
̃︀
????
????
−
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
Так как первое слагаемое в правой части равенства есть полный диффе- ренциал, то его можно «включить» в производящую функцию и обозна- чить новую функцию за ????. Тогда критерий каноничности примет вид
−
∑︁
̃︀
????
????
????
̃︀
????
????
− ̃︀
ℋ???????? = ????
(︁∑︁
????
????
????????
????
− ℋ????????
)︁
− ????????(−
→
???? , ̃︁
−
→
???? , ????)
Аналогично предыдущему пункту, из этого равенства можно получить связь между каноническими преобразованиями и производящей функ- цией ????
⎧
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎩
̃︀
????
????
=
????????
????
̃︀
????
????
????????
????
=
????????
????????
????
и выражение для гамильтониана в полусвободных переменных:
̃︀
ℋ = ????ℋ +
????????
????????
84