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哈密顿力学

勒让德变换

一元 case

f(x)x 的函数,且 u(x)=dfdx.

构造

g(u)=xuf(x)

gu 的函数

取全微分,得

dg=xdu+udxdf=xdu+udxudx=xdu.

dgdu=x, 即 g(u)u 的函数。

g(u)f(x)勒让德变换 (Legendre transformation).

多元 case

函数 f(x1,x2,,xn;α1,α2,,αm)xiαj 的函数,且

yi=fxi,(i=1,2,,n).

将变量 xi,αj 变换为 yi,αj,构造

g=i=1nxiyif

gyi 的函数

取全微分,得

dg=i=1nyidxi+i=1nxidyidf=i=1nyidxi+i=1nxidyii=1nyidxi=i=1nxidyi.

gyi=xi, 即 gyi 的函数。

重要应用

  • 在物理学中,用于推导各种热力学势

    • 热力学第一定律 dU=dQ+dW
    • 热力学第二定律 dQ=TdS
    dU=TdSPdV
    • U(S,V)SV 的函数,且 US=T,UV=P
  • 在数学中,用于求解 PDE

  • 在弹性力学中
    • 定义势能(应变能)
    • 余能是势能的勒让德变换
    • 势能和余能构成力学的数值分析方法(FEM)的基础
  • 在理论力学中
    • 推导哈密顿方程

哈密顿方程

保守系统

设质点系由 n 个质点组成,受到 s 个完整约束,系统自由度为 k=3ns. 理想约束情况,保守系统的拉格朗日函数为

ddt(Lq˙i)Lqi=0,i=1,2,,k.
  • 哈密顿(Hamilton)引入广义动量
pi=Lq˙i,i=1,2,,k.
  • 以广义动量和广义坐标作为描述系统的状态变量
H=H(p1,p2,,pk;q1,q2,,qk;t)=i=1kpiq˙iL,i=1,2,,k.

拉格朗日函数的勒让德变换为哈密顿函数 H.

  • 勒让德变换存在性:
det[2Lq˙iq˙j]

广义速度表示的动能

T=12i=1kj=1kaijq˙iq˙j+i=1kbiq˙i+c=T2+T1+T0.

其中 T2,T1,T0 分别表示二阶、一阶和常数项动能。

  • H 求全微分
dH=i=1kpidq˙i+i=1kq˙idpii=1kLqidq˙ii=1kLq˙idqi(利用广义动量定义消去两项)=i=1kq˙idpii=1kLq˙idqi.

故得

Hpi=q˙i,Hqi=Lqi.

利用拉格朗日方程和广义动量定义,代换掉 Lqi:

Lqi=ddt(Lq˙i)=dpidt=p˙i.

最终得到

{q˙i=Hpip˙i=Hqi

其中 i=1,2,,k. 此即为哈密顿方程

Remarks

  1. 哈密顿方程是 2k 个一阶常微分方程,拉格朗日方程是 k 个二阶常微分方程。

非保守系统

对于非保守系统,主动力可分为有势力和非有势力两类,系统的拉格朗日方程为

ddt(Lq˙i)Lqi=Q~i,i=1,2,,k.

广义动量关于时间的全导数

p˙i=ddt(Lq˙i)=Lqi+Q~i=Hqi+Q~i.

哈密顿方程

$$ \begin{aligned} H &= \left(\sum_{i=1}^k p_i \dot{q}i - L \right)}_i \to p_i

例题

某二自由度动力学系统的广义坐标为 q1,q2, 拉格朗日量为

L=32q˙12+12q˙22q1212q22q1q2.

求哈密顿函数 H.

系统的广义动量

p1=Lq˙1=3q˙1,p2=Lq˙2=q˙2.

解得广义速度

q˙1=13p1,q˙2=p2.

代入哈密顿函数

H=p1q˙1+p2q˙2L=13p12+p2232q˙1212q˙22+q12+12q22+q1q2=23p1212p22+q12+12q22+q1q2.