在變化的演算中,尤其是拉格朗日力學,人們經常說我們獨立地改變位置和速度。但是速度是位置的導數,那麼如何將它們視為自變量?
在變化的演算中,尤其是拉格朗日力學,人們經常說我們獨立地改變位置和速度。但是速度是位置的導數,那麼如何將它們視為自變量?
與您的問題所暗示的不同,不是是真的,速度的變化與位置無關。位置$ q \ mapsto q + \ delta q $的變化會引起速度$ \ partial_t q \ mapsto \ partial_t q + \ partial_t(\ delta q)$的變化。
唯一看起來可能很奇怪的是將$ q $和$ \ partial_t q $視為拉格朗日$ L(q,\ partial_t q)$的自變量。但這並不奇怪。畢竟,如果您問“粒子的動能是多少?”,那麼僅僅知道粒子的位置還不夠,您還必須知道粒子的速度才能回答該問題。
換句話說,您可以將位置和速度獨立地選擇為初始條件,這就是拉格朗日函數將它們視為獨立的原因。但是變化的演算不會獨立地改變它們,位置的變化會引起速度的合適變化。
已經給出了您主要問題的答案-您不會改變協調和速度。但是,看來您的主要問題是將坐標和速度用作自變量。
讓我參考這本很棒的書:“應用微分幾何”。威廉·伯克(William L. Burke)。這本書的第一行(作者通常會說這本書是獻給誰的)是:
問這個問題。但是,試圖“自上而下”地解釋它通常只會導致越來越多的問題。確實需要在主題中進行數學的“自下而上”順序。嗯,正如這本書的名稱所暗示的那樣-一門數學學科是微分幾何。
我無法重述所有詳細信息,但簡要地看起來像這樣:
考慮格雷格·格拉維頓(Greg Graviton)的寫法,我將寫出推導,看看是否可以理解。
$$ S = \ int_ {t_1} ^ {t_2} L(q, \ dot q,t)\,\ mathrm {d} t $$
其中S是作用,L是拉格朗日。我們改變路徑並找到操作的極值:
$$ \ delta S = \ int_ {t_1} ^ {t_2} \ left({\ partial L \ over \ partial q} \ delta q + {\ partial L \ over \ partial \ dot q} \ delta \ dot q \ right)\,\ mathrm {d} t = 0 \,。 $$
此處,q和$ \ dot q $獨立變化。但是接下來,我們將使用此標識,
$$ \ delta \ dot q = {\ mathrm {d} \ over \ mathrm {d} t} \ delta q。 $$
這是q和$ \ dot q $之間的關係輸入圖片的地方。我認為這裡發生的是,最初將q和$ \ dot q $視為獨立的,但是隨後通過標識除去了獨立性。
$$ \ delta S = \ int_ {t_1} ^ {t_2} \ left({\ partial L \ over \ partial q} \ delta q + {\ partial L \ over \ partial \ dot q} {d \ over \ mathrm {d} t} \ delta q \ right) \,\ mathrm {d} t = 0 $$
,然後進行其餘的推導。我們按部分積分第二項:
$$ \ delta S = \ left [{\ partial L \ over \ partial \ dot q} \ delta q \ right] _ {t_1} ^ {t_2} + \ int_ {t_1} ^ {t_2} \ left({\ partial L \ over \ partial q}-{d \ over dt} {\ partial L \ over \ partial \ dot q} \ right)\ delta q \, \ mathrm {d} t = 0 \,$$
,並且括號中的表達式為零,因為端點保持固定。然後我們可以得出Euler-Lagrange方程:
$$ {\ partial L \ over \ partial q}-{\ mathrm {d} \ over \ mathrm {d} t} {\ partial L \ over \ partial \ dot q} = 0 \,。 $$
現在對我來說更有意義。您首先將變量視為獨立變量,然後通過在推導過程中施加條件來消除獨立性。
我認為這是有道理的。我希望一般而言,其他問題也可以用相同的方式處理。
這是我的答案,基本上是格雷格·格雷維頓(Greg Graviton)答案的擴展版本。
在定義中出現了為什麼人們可以將位置和速度視為自變量的問題拉格朗日$ L $本身,之前使用運動方程,而之前考慮改變動作$ S:= \ int_ {t_i} ^ {t_f} \ mathrm {d} t \ L $,因此與無關與變異演算無關。
I)一方面,讓我們首先考慮拉格朗日函數的作用。在[t_i,t_f] $中給定任意但固定的時間$ t_0 \。 (瞬時)拉格朗日$ L(q(t_0),v(t_0),t_0)$是瞬時位置$ q(t_0)$和瞬時速度$ v(t_0)$在瞬時$ t_0處的函數$。這裡$ q(t_0)$和$ v(t_0)$是獨立變量。請注意,(瞬時)拉格朗日$ L(q(t_0),v(t_0),t_0)$不取決於過去的$ t<t_0 $,也不取決於將來的$ t>t_0 $。 (可能會反對說,速度輪廓$ \ dot {q} \ equiv \ frac {\ mathrm {d} q} {\ mathrm {d} t}:[t_i,t_f] \ to \ mathbb {R} $是位置輪廓$ q:[t_i,t_f] \ to \ mathbb {R} $的導數,那麼$ q(t_0)$和$ v(t_0)$如何才能成為真正的獨立變量呢?的運動是二階的,一個仍然有權對初始條件進行2個獨立選擇:1個初始位置和1個初始速度。)我們可以為任何其他瞬時$ t_0 \ in [ t_i,t_f] \,。$
II)另一方面,讓我們考慮變化的演算。動作函數$$ S [q]〜:=〜\ int_ {t_i} ^ {t_f } \ mathrm {d} t \ L(q(t),\ dot {q}(t),t)\ tag {1} $$取決於整個(也許是虛擬的)路徑$ q:[t_i,t_f] \ to \ mathbb {R} $。在這裡,時間導數$ \ dot {q} \ equiv \ frac {\ mathrm {d} q} {\ mathrm {d} t} $確實取決於函數$ q:[t_i,t_f ] \到\ mathbb {R} \,。$取消動作功能
\ begin {align} 0〜=〜\ delta S〜& =〜\ int_ {t_i} ^ {t_f} \ mathrm {d} t \ left [\ left。\ frac {\ partial L(q(t ),v(t),t)} {\ partial q(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)} \ delta q(t)+ \ left。\ frac { \ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial v(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)} \ delta \ dot {q }(t)\ right] \\ & =〜\ int_ {t_i} ^ {t_f} \ mathrm {d} t \ left [\ left。\ frac {\ partial L(q(t),v(t), t)} {\ partial q(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)} \ delta q(t)+ \ left。\ frac {\ partial L(q(t ),v(t),t)} {\ partial v(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)} \ frac {\ mathrm d} {\ mathrm {d} t} \ delta q(t)\ right] \\ & =〜\ int_ {t_i} ^ {t_f} \ mathrm {d} t \ left [\ left。\ frac {\ partial L(q(t),v (t),t)} {\部分q(t)} \右| _ {v(t)= \點{q}(t)}-\ frac {\ mathrm d} {\ mathrm {d} t} \ left(\ left。\ frac {\ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial v(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}( t)} \ right)\ right] \ delta q(t)\ end {align} $$ + \ int_ {t_i} ^ {t_f} \ mathrm {d} t \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t} \ left [\ left。\ frac {\ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial v(t)} \ right | _ {v(t)= \點{q}(t)} \ delta q(t)\ right] \ tag {2} $$
適當的邊界條件導致產生 Euler-Lagrange方程,它是運動方程。
$$ \ frac {\ mathrm d} {\ mathrm {d} t} \ left(\ left。\ frac {\ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial v(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)} \ right)〜=〜\ left。\ frac {\ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial q(t)} \ right | _ { v(t)= \ dot {q}(t)}〜。\ tag {3} $$
III)注意
$$ \ frac {\ mathrm {d }} {\ mathrm {d} t}〜=〜\ dot {v}(t)\ frac {\ partial} {\ partial v(t)} + \ dot {q}(t)\ frac {\ partial} {\ partial q(t)} + \ frac {\ partial} {\ partial t} \ tag {4} $
是 total 時間導數,而不是 explicit 時間導數$ \ frac {\ partial} {\ partial t} $,因此Euler-Lagrange方程(3)實際上是二階常微分方程(ODE),
$$ \ left(\ ddot {q}(t)\ frac {\ partial} {\ partial v(t)} + \ dot {q}(t)\ frac {\ partial} {\ partial q { t)} + \ frac {\ partial} {\ partial t} \ right)\ left。 \ frac {\ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial v(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)}〜=〜 \ left。\ frac {\ partial L(q(t),v(t),t)} {\ partial q(t)} \ right | _ {v(t)= \ dot {q}(t)}〜。 \ tag {5} $$
要解決$ q:[t_i,t_f] \到\ mathbb {R} $的路徑,應指定兩個初始條件,例如$$ q(t_i )〜=〜q_i \ qquad \ text {and} \ qquad \ dot {q}(t_i)〜=〜v_i。\ tag {6} $$
函數$ \ dot {q}(t)$確實是函數$ q(t)$ w.r.t的派生詞。時間,在給定的時間點,值$ \ dot {q} $與值$ q $根本不相關,因為值只是一個數字,而不是一個函數。該動作是$ q(t)$的功能,因此,在兩次更改動作後都沒有任何意義。 $ q $和$ \ dot {q} $。但是拉格朗日$ L(q,\ dot {q})$是值$ q $和$ \ dot {q} $的函數,而不是函數$ q(t)$和$ \ dot {q的函數}(t)$。如果插入$ q(t)$和$ \ dot {q}(t)$而不是$ q $和$ \ dot {q} $,則可以將$ L $提升為時間的函數。 (請記住,函數將函數轉換為數字,例如$ S [q] $,而函數將值轉換為數字,例如$ L(q,\ dot {q})$。
要求解$ q(t)$,我們要求$ S $在每個點都是極值,從而將動作$ S $逼近,這等效於在$ t $每個點求解Euler-Lagrange方程。由於在任何時候$ t $的值$ q $和$ \ dot {q} $是獨立的,因此它們可以獨立變化。
函數$ f(t)$的導數通常是函數$ \ dot {f}(t)$與$ f $不同,並且在通常情況下,兩者甚至不是線性相關的,即簡單看看您是否採用泰勒展開式。只有在用它們定義了微分方程之後,它們才被代數鏈接起來,這就是變異微積分的作用。
如果我們有函數 $ f(x,v)$ span>,則偏導數由 $$ \定義frac {\ partial f(x,v)} {\ partial x} \ equiv \ lim_ {h \ to 0} \ frac {f(x + h,v)-f(x,v)} {h} $$ span>和 $$ \ frac {\ partial f(x,v)} {\ partial v} \ equiv \ lim_ {h \ to 0} \ frac {f(x ,v + h)-f(x,v)} {h} $$ span>例如,對於 $ f = v ^ 2 $ span>那個 $$ \ frac {\ partial v ^ 2} {\ partial x} \ equiv \ lim_ {h \ to 0} \ frac {v ^ 2-v ^ 2} {h } = 0。$$ span>此外,對於 $ v = \ frac {dx} {dt} $ span>,我們發現 $ x \ to x + h $ span>表示 $ v = \ frac {dx} {dt} \ to v'= \ frac {d(x + h) } {dt} = \ frac {dx} {dt} = v $ span>。因此 $$ \ frac {\ partial \ frac {dx} {dt} ^ 2} {\ partial x} \ equiv \ lim_ {h \ to 0} \ frac {\ frac { dx} {dt} ^ 2- \ frac {dx} {dt} ^ 2} {h} = 0。$$ span> 因此,考慮到 $ x $ span>和 $ v $ span>的拉格朗日偏導數是有意義的分開,從這個意義上說,他們應該獨立對待。
從物理上講,回想一下,我們在拉格朗日形式主義中的目標是找出兩個固定位置之間的配置空間的正確路徑。路徑的特徵在於每個時間點的位置和速度。我們盡可能地籠統,並考慮所有可能的路徑。這意味著我們考慮了位置和速度的所有可能的配對。物理經典路徑之所以特殊,有兩個原因: