題:
微積分-獨立改變位置和速度有何意義?
grizzly adam
2010-11-16 11:50:57 UTC
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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?

你能澄清一下嗎?微積分本身就是一個數學主題,那麼您在考慮什麼特定的物理應用?您是否說出了類似的意思?將Euler-Lagrange方程應用於使動作最小化的問題是否有意義,因為這樣做需要將位置和速度視為獨立變量,而從物理上講,如果您將位置視為速度時間的函數,速度是完全指定的嗎?”
關於我們計算的一切的最根本問題,真是個問題。此外-激發出很好的答案。非常歡迎您與我們分享您的疑問@grizzly adam :)問候
相關:https://physics.stackexchange.com/q/60706/,https://physics.stackexchange.com/q/119992/
我已經為此擔心了很多年,在嘗試學習應用數學時,這使我喪命,並且遇到了同樣遇到麻煩的真正優秀的純數學家。 一本對我有意義的解釋是在廉價的《古典力學-理論上的最低要求》一書中,我想到了一種類似於學校的無窮小方法,回答了作者實際上並未提出的問題。 感謝您發布此問題。
有關Math.SE的相關問題:https://math.stackexchange.com/q/1798396/11127
七 答案:
Greg Graviton
2010-11-16 15:01:59 UTC
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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。

更準確地說:這不僅涉及必須選擇獨立的初始條件。速度和位置作為坐標始終是獨立的,除非我們在運動方程的解中。也就是說,僅在求解歐拉-拉格朗日方程的軌跡上,$ v ^ j = \ dot {q} ^ j $。在這些之上,前者的變化意味著後者的變化。在其他地方,它們是無關的。
請解釋前幾行。位置和速度是獨立的。它們明確地僅取決於時間。當然,它們彼此隱含地相互依賴,而根本不顯著。您不能僅通過強制更改x來更改v。當您改變x時,可以理解t會改變。由於t的變化,v發生了變化。本質上v與x的偏導數為0,但v與x的導數不為0。這就是為什麼,我認為我們在這裡不應用任何“鍊式規則”!
@Shashaank v相對於x **的導數為0。
@jak偏導數不是總導數不是
@Shashaank是的。您在評論中提到了偏導數,所以我認為這很清楚。
@jak是,很清楚,不是,這些答案很高,只是沒有提到這一行答案
@Shashaank是的,我不知道。
@Greg Graviton因此,根據您的回答,如果我可以獨立選擇加速度,那麼它也將被視為獨立變量嗎?
@Theoretical原則上,拉格朗日可能還取決於加速度,例如用函數$ L(q,v,a)$表示,其中$ q,v,a $是自變量。但是,僅在曲線$ q(t)$上求值,其中$ q \ equiv q(t)$,$ v \ equiv \ partial_t q(t)$和$ a \ equiv \ partial ^ 2_t q(t)$。
Kostya
2011-01-14 23:03:40 UTC
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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:

William Burke

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:

  • 您從系統的配置空間$ M $開始。 $ M $是一個(可微分的)流形,而$ q $是該流形上的坐標。
  • 然後有一個特定的過程,該過程使您可以在$ M $的每個給定點添加所有可能的“速度”。然後您到達切線束 $ TM $,它也是一個流形,並且($ q $,$ \ dot {q} $)是不同的坐標。
  • 拉格朗日函數是$ TM $上的函數。
我有這本書,並試圖閱讀。但是它缺乏明確的定義,我發現它比啟發性更令人沮喪。另外,我認為不必了解微分幾何來理解變化的演算。這就像在說,除非您了解集合論,否則您將無法理解算術。
首先,正如我所說,您正在混淆兩個不同的觀點:關於變量計算以及關於速度和坐標的獨立性。第二-我並不是說您只需要讀一本書就可以了解DG。
我認為要真正欣賞拉格朗日和哈密頓力學,您確實需要了解一些微分幾何。阿諾德(Arnold)在他的《經典力學的數學方法》一書中說:“沒有微分形式就無法理解哈密頓力學。”順便說一下,這本書將教您入門所需的微分幾何,並假設只是進行了一些演算。
grizzly adam
2010-11-17 12:19:39 UTC
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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。

好吧,除了說“ $ q $和$ \ dot q $是獨立變化的”之外,您還可以說“ $ q $和$ \ dot q $是變化的(也許是獨立的,也許不是)”,後來請注意,該變化$ \ delta \ dot q $由$ \ delta \ dot q = \ frac d {dt} \ delta q $給出。
參數$ L $的表示法有些令人困惑,在這種情況下,考慮以下示例是有益的:取$ F(x,2x-y)$並改變$ F(x + \ delta x,2(x + \ delta) x)-y)= \ frac {\ partial F} {\ partial x} \ delta x + \ frac {\ partial F} {\ partial(2x-y)} 2 \ delta x $。您可能會說$ F $的參數是獨立變化的,但這聽起來很奇怪。如果有的話,只是$ F $的偏導數的表示法是錯誤的;最好寫$ F(u,v)$和$(u,v)=(x,2x-y)$以獲得$ \ delta F = \ frac {\ partial F} {\ partial u} \ delta u + \ frac {\ partial F} {\ partial v} \ delta v $
...然後用$ \ delta x $表示變量$ \ delta u $和$ \ delta v $。
是的,這種表示法令人困惑。那是另一個問題。
朗道(Landau)是一位偉大的數學物理學家,但他並不以簡單的作家而著稱:-)
“沒有蘭道的話,沒有李夫希茨的想法。”
最後,@grizzlyadam並不是獨立的,但是可以被處理得很多,因為數學證明了這一點,對吧?
Qmechanic
2011-03-30 21:38:39 UTC
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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。

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} $

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$$ q(t_i )〜=〜q_i \ qquad \ text {and} \ qquad \ dot {q}(t_i)〜=〜v_i。\ tag {6} $$

我認為在拉格朗日上下文中不會出現將位置和速度視為自變量的問題,但是建立拉格朗日力學是因為2是獨立的。
位置和速度是獨立的。它們明確地僅取決於時間。當然,它們彼此隱含地相互依賴,而根本不顯著。您不能僅通過強制更改x來更改v。當您改變x時,可以理解t會改變。由於t的變化,v發生了變化。本質上v與x的偏導數為0,但v與x的導數不為0。這就是為什麼,我認為我們在這裡不應用任何“鍊式規則”!因為無論如何,我們得到的答案與v與x的偏導數的答案是0 .......
如果您認為當前的答案有待解決,請考慮在一個單獨的答案中以獨立的方式解釋該問題。
Ben
2011-01-14 21:47:58 UTC
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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。

auxsvr
2014-04-03 12:29:02 UTC
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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。

jak
2019-12-29 15:53:16 UTC
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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:

  • 這是Euler-Lagrange方程(=極值)的解決方案
  • 每個時刻的位置和速度與 $ v \ equiv \ frac {dq} {dt} $ span>相關。(如果需要, $ v \ equiv \ frac {dq} {dt} $ span>是我們在拉格朗日形式主義中需要的第二個方程,類似於如何有兩個漢密爾頓哈密頓方程中的第二方程將典型動量定義為拉格朗日方程的導數,對於相空間中的一般路徑,位置和動量的任何配對都是可能的;僅對於物理經典路徑,我們發現正則動量值為作為拉格朗日的適當導數給出。)


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 2.0許可。
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