1 三维各向同性谐振子
本题的哈密顿量表示的是一个 3-D 各向同性的谐振子,因此轨道是一个椭圆,该椭圆所在的平面经过原点。很容易发现,直角坐标中三个坐标的变化周期比是 ,柱坐标中是 ,球坐标中是 。所以,结果可以直接猜到:
接下来是更严格的求解。
1.1 直角坐标
已知基本关系:
于是 方程为
可以令 ,代入上式,有
于是分离变量有
作用变量
注意到取 ,可以得到运动范围 ,于是
上面这个积分实际上就是 这个相空间椭圆的面积 除以 ,即:。所以新的哈密顿量为
角频率
1.2 柱坐标
已知基本关系:
于是 方程为
可以令 ,代入上式,分离变量有
作用量
最后一个积分其实可以与 无关,详见[[#附录%]]。于是
1.3 球坐标
已知基本关系:
于是 方程为
可以令 ,代入上式,分离变量有
作用量
最后一个积分的计算方式和柱坐标的 类似。就得到
2 位力定理
直接计算:
根据位力定理,,所以
成立。
3 平面谐振子
3.1
所以
根据位力定理
所以
3.2
所以
3.3
如上,代入 即可。
3.4
这是一个李萨如图形。

4 变长单摆
作用量
得到
为绝热/浸渐不变量。
附录%
来处理这个丑陋的积分
令 ,:
设被积函数为 ,,上式中 是 的两个正实根,因此积分路径是复平面上包裹 连线 (即割线) 的闭合曲线。根据留数定理,包裹割线的回路积分等于包裹复平面上除割线以外所有奇点(原点 和无穷远点 )留数之和的负值:
在 附近,展开 :
为保证积分路径的相位正常,需要改写根号为
当积分路径为正常地沿实轴 积分时,相位 。注意这里不能选用根号的另一个分支 ,这会令积分得到的 ,不符合物理意义,因为 为相空间中闭合轨迹的面积,须大于 0。
采用留数和上述积分围道时,在 附近得到
此时 ,即 ,因此,
在 附近:
此时
于是
将两个留数代回 的公式:
这就是积分的最终结果。你也可以尝试用实积分求解,会得到相同的答案。