Answer for HW_11

1 正则变换

(1)

题为相空间的旋转变换

[QP]=[costsintsintcost][qp]

易证

[Q,P]=[qcost,pcost]+[psint,qsint]=[q,p]=1

所以为正则变换。

(2)

根据

p=Qsint+Pcost=(qcostpsint)sint+Pcost

得到

F2(q,P)q=p(q,P)=qtant+Pcost

同理

F2P=Q=qcostPtant

采用折线积分,

F2(q,P;t)=(qtant+Pcost)dq+f(P,t)=q22tant+Pqcost+f(P,t)F2P=qcost+f(P,t)P=qcostPtant

得到 f(P,t)=P22tant+φ(t),即 F2(q,P;t)=q2+P22tant+Pqcost+φ(t)。则哈密顿函数变为

H~(Q,P;t)=H+F2t=φ(t)

(3)

正则方程

P˙=H~Q=0,  Q˙=H~P=0

Q(t)Q0,P(t)P0,根据变换有:

q(t)=Q0cost+P0sint,  p(t)=Q0sint+P0cost

于是 q(0)=Q0,p(0)=P0,得到

q(t)=q(0)cost+p(0)sint,  p(t)=q(0)sint+p(0)cost

2 保辛条件

常规方法

采用第一类生成函数 F(q,Q,t),采用爱因斯坦求和约定,对于 n 维情形:

[Qα,Qβ]=[Pα,Pβ]=0

是易证的,这里略去,下面证明 [Qα,Pβ]=δαβ,已知

Pβ=FQβ

两边对 pγ 求导

Pβpγ=2FQβQσQσqγ

两边对 qγ 求导

Pβqγ=2FQβqγ2FQβQσQσqγ

于是

[Qα,Pβ]=QαqγPβpγQαpγPβqγ=Qαqγ2FQβQσQσqγ+Qαpγ(2FQβqγ+2FQβQσQσqγ)=(QαqγQσqγQαpγQσqγ)2FQβQσ+Qαpγ2FQβqγ=[Qα,Qσ]2FQβQσ+Qαpγ2FQβqγ=0+QαpγpγQβ=δαβ

成立。

微分形式

题目给出单位矩阵的辛形式保持不变:

Ω=dp1dq1+dp2dq2=dP1dQ1+dP2dQ2=Ω

那么

ΩΩ=(dp1dq1+dp2dq2)(dp1dq1+dp2dq2)=(dp1dq1)(dp1dq1)+(dp1dq1)(dp2dq2)+(dp2dq2)(dp1dq1)+(dp2dq2)(dp2dq2)=(dp1dq1)(dp2dq2)+(dp2dq2)(dp1dq1)=2(dp1dq1)(dp2dq2)=2dτ

即相空间体积元也保持不变,注意到

dQ1dQ2dP1dP2=|(Q1,Q2,P1,P2)(q1,q2,p1,p2)|dq1dq2dp1dp2

所以雅可比行列式为 1:

|(Q1,Q2,P1,P2)(q1,q2,p1,p2)|=1

3 嗯算题

大二时写过这题。用直角坐标算会比我的计算更简单,

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