-
哈密頓-雅可比方程
鎖定
- 中文名
- 哈密頓—雅可比方程
- 外文名
- Hamilton-Jacobiequation
- 領 域
- 物理學;經典力學
- 簡 稱
- HJE
哈密頓-雅可比方程簡介
哈密頓—雅可比方程(HJE)是經典哈密頓量一個正則變換,經過該變換得到的結果是一個一階非線性偏微分方程,方程之解描述了系統的行為。與哈密頓運動方程的不同之處在於 HJE 是一個偏微分方程,每個變量對應於一個座標,而哈密頓方程是一個一階線性方程組,每兩個方程對應於一個座標。HJE 可以漂亮地解析一些重要問題,例如開普勒問題。
HJE 是唯一能夠將粒子運動表達為波動的一種力學表述。因此,HJE 滿足了一個長久以來理論物理的研究目標(早至 18 世紀,約翰·伯努利和他的學生皮埃爾·莫佩爾蒂的年代);那就是,尋找波傳播與粒子運動的相似之處。力學系統的波動方程與薛定諤方程很相似;但並不相同。稍後會有詳細説明。HJE 被認為是從經典力學進入量子力學最近的門階。
哈密頓-雅可比方程數學表述
哈密頓-雅可比方程是一個一階非線性偏微分方程。用數學表達
哈密頓-雅可比方程各種力學表述的比較
與拉格朗日力學的拉格朗日方程比較,哈密頓力學裏使用共軛動量而非廣義速度。並且,哈密頓方程乃是一組
個一階微分方程,用來表示
個廣義座標和
個廣義動量隨時間的演變,而拉格朗日方程則是一組
個二階微分方程,用來表示
個廣義座標隨時間的演變。
因為 HJE 等價於一個最小積分問題(像哈密頓原理), HJE 可以用於許多關於變分法的問題。更推廣地,在數學與物理的其它分支,像動力系統、辛幾何、量子混沌理論,都可以用 HJE 來解析問題。例如,HJE 可以用來找尋黎曼流形的測地線,這是黎曼幾何一個很重要的變分法問題。
哈密頓-雅可比方程詳解
新的哈密頓方程為
假若,使用第二型生成函數
來生成新正則座標,則新舊正則座標的關係為
哈密頓-雅可比方程1.哈密頓主函數
假若,可以找到一個第二型生成函數
。這生成函數使新哈密頓量
恆等於 0 。稱這個生成函數
為哈密頓主函數。那麼,新哈密頓量
所有的偏導數都等於 0 。哈密頓方程也變得非常的簡單:
這樣,新正則座標都成為運動常數
、
:
由於
,代入舊哈密頓量,則可得到哈密頓-雅可比方程:
解析問題的重要關鍵是必須找到哈密頓主函數
的方程。一旦找到這方程,因為
給予q與p在時間
的初始值,
與
,可以求出運動常數a,b。知道這兩組運動常數,立刻可以得到舊正則座標q與p隨時間的演變。
哈密頓-雅可比方程2.哈密頓特徵函數
假設,哈密頓量不顯含時:
。那麼,
哈密頓量是一個運動常數,標記為
:
哈密頓主函數可以分離成兩部分:
思考一個新的正則變換。設定哈密頓特徵函數
為一個第二型生成函數
:
由於哈密頓特徵函數不顯含時,新舊哈密頓量的關係為
假若,能找到哈密頓特徵函數
,給予舊廣義座標
與舊廣義動量
在時間
的初始值,
與
,依照前面所述方法,就可以求出舊正則座標隨時間的演變。
哈密頓-雅可比方程分離變數法
哈密頓-雅可比方程最有用的時候,是當它可以使用分離變數法,來直接地辨明運動常數。假設,HJE 可以分為兩部分。一部分只跟廣義座標
、哈密頓主函數的偏導數 有關,標記這部分為
。另一部分跟
、
無關。對於這狀況,哈密頓主函數 S可以分離為兩個函數。一個函數
除了廣義座標
以外,跟任何其它廣義座標無關。另外一個函數
跟
無關。
由於每一個廣義動量都是運動常數,
,函數
只跟廣義座標
有關:
在某些問題裏,很幸運地,函數S可以完全的分離為N個函數
:
- 詞條統計
-
- 瀏覽次數:次
- 編輯次數:11次歷史版本
- 最近更新: 与是非1