Kanoniset muunnokset

Samankaltaiset tiedostot
Hamiltonin mekaniikka

Jäykän kappaleen liike

d L q i = V = mc 2 q i 1 γ = = p i. = V = γm q i + QA i. ṗ i + Q A i + Q da i t + j + V + Q φ

1. Luvut 1, 10 on laitettu ympyrän kehälle. Osoita, että löytyy kolme vierekkäistä

HASSEN-WEILIN LAUSE. Kertausta

Jaksolliset ja toistuvat suoritukset

Markov-prosessit (Jatkuva-aikaiset Markov-ketjut)

Monte Carlo -menetelmä

6. Stokastiset prosessit (2)

3.5 Generoivat funktiot ja momentit

13. Lineaariset ensimmäisen kertaluvun differentiaalisysteemit

3 Tilayhtälöiden numeerinen integrointi

Tavoitteet skaalaavan funktion lähestymistapa eli referenssipiste menetelmä

1 0 2 x 1 a. x 1 2x c b 2a c a. Alimmalta riviltä nähdään että yhtälöyhmällä on ratkaisu jos ja vain jos b 3a + c = 0.

Painotetun metriikan ja NBI menetelmä

ABTEKNILLINEN KORKEAKOULU

Mat /Mat Matematiikan peruskurssi C3/KP3-I Harjoitus 2, esimerkkiratkaisut

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 7: Lagrangen kertojat. Pienimmän neliösumman menetelmä.

7. Modulit Modulit ja lineaarikuvaukset.

Hamiltonin formalismia

Lagrangen mekaniikka. Luku Systeemin vapausasteet ja sidokset

COULOMBIN VOIMA JA SÄHKÖKENTTÄ, PISTEVARAUKSET, JATKUVAT VARAUSJAKAUMAT

Mat Lineaarinen ohjelmointi

Tchebycheff-menetelmä ja STEM

Pyörimisliike. Haarto & Karhunen.

PUTKIKELLON SUUNNITTELU 1 JOHDANTO 2 VÄRÄHTELEVÄN PALKIN TEORIAA. dm Q dx = (1) Matti A Ranta

FYSA220/2 (FYS222/2) VALON POLARISAATIO

9. Muuttuva hiukkasluku

Galerkin in menetelmä

= E(Y 2 ) 1 n. = var(y 2 ) = E(Y 4 ) (E(Y 2 )) 2. Materiaalin esimerkin b) nojalla log-uskottavuusfunktio on l(θ; y) = n(y θ)2

r i m i v i = L i = vakio, (2)

Kertausta: Vapausasteet

Sähköstaattinen energia

. g = 0,42g. Moolimassat ovat vastaavasti N 2 :lle 28, 02g/ mol ja typpiatomille puolet tästä 14, 01g/ mol.

1, x < 0 tai x > 2a.

Hamiltonin-Jacobin teoriaa

Kvanttimekaanisten joukkojen yhteys termodynamiikkaan

Johdatus tekoälyn taustalla olevaan matematiikkaan

4. Datan käsittely lyhyt katsaus. Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, luento Thomas Hackman

4. A priori menetelmät

A = B = T = Merkkijonon A osamerkkijono A[i..j]: n merkkiä pitkä merkkijono A:

Statistinen mekaniikka 1

Tilastollisen fysiikan luennot

Luento 6 Luotettavuus Koherentit järjestelmät

Kuntoilijan juoksumalli

5. Datan käsittely lyhyt katsaus. Havaitsevan tähtitieteen peruskurssi I, luento Thomas Hackman

1. (Monisteen teht. 5.16) Eräiden kuulalaakereiden kestoa (miljoonaa kierrosta) on totuttu kuvaamaan Weibull-jakaumalla, jonka tiheysfunktio on

Työn tavoitteita. 1 Johdanto. 2 Ideaalikaasukäsite ja siihen liittyvät yhtälöt

Mat Lineaarinen ohjelmointi

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

3. Datan käsittely lyhyt katsaus

TIES592 Monitavoiteoptimointi ja teollisten prosessien hallinta. Yliassistentti Jussi Hakanen syksy 2010

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Johdatus diskreettiin matematiikkaan (Syksy 2008) 4. harjoitus Ratkaisuja (Jussi Martin)

BL20A0600 Sähkönsiirtotekniikka

5. KVANTTIMEKANIIKKAA

Kvanttimekaanisten joukkojen yhteys termodynamiikkaan

Esitä koherentin QAM-ilmaisimen lohkokaavio, ja osoita matemaattisesti, että ilmaisimen lähdöstä saadaan kantataajuiset I- ja Q-signaalit ulos.

Jaetut resurssit. Tosiaikajärjestelmät Luento 5: Resurssien hallinta ja prioriteetit. Mitä voi mennä pieleen? Resurssikilpailu ja estyminen

Ei-inertiaaliset koordinaatistot

S , FYSIIKKA III (ES), Syksy 2002, LH 4, Loppuviikko 39. Partitiofunktiota käyttäen keskiarvo voidaan kirjoittaa muotoon

Puupintaisen sandwichkattoelementin. lujuuslaskelmat. Sisältö:

9. Jakojärjestelmät. Sisältö. Puhdas jakojärjestelmä. Yksinkertainen liikenneteoreettinen malli

Hallin ilmiö. Laatija - Pasi Vähämartti. Vuosikurssi - IST4SE. Tekopäivä Palautuspäivä

Raja-arvot. Osittaisderivaatat.

Pakotettu vaimennettu harmoninen värähtelijä Resonanssi

Yrityksen teoria. Lari Hämäläinen S ysteemianalyysin. Laboratorio. Teknillinen korkeakoulu

Lohkoasetelmat. Lohkoasetelmat. Lohkoasetelmat: Mitä opimme? Lohkoasetelmat. Lohkoasetelmat. Satunnaistettu täydellinen lohkoasetelma 1/4

Kokonaislukuoptimointi

9. Jakojärjestelmät. Sisältö. Puhdas jakojärjestelmä. Yksinkertainen liikenneteoreettinen malli

Yrityksen teoria ja sopimukset

T p = 0. λ n i T i B = Käytetään kohdan (i) identiteetin todistamiseen induktiotodistusta. : Oletetaan, että väite on totta, kun n = k.

Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit

Värähdysliikkeet. q + f (q, q, t) = 0. q + f (q, q) = F (t) missä nopeusriippuvuus kuvaa vaimenemista ja F (t) on ulkoinen pakkovoima.

Mat Lineaarinen ohjelmointi

Kynä-paperi -harjoitukset. Taina Lehtinen Taina I Lehtinen Helsingin yliopisto

Moraalinen uhkapeli: N:n agentin tapaus eli moraalinen uhkapeli tiimeissä

Pro gradu -tutkielma. Whitneyn upotuslause. Teemu Saksala

in 2/ InHelp palvelee aina kun apu on tarpeen INMICSIN ASIAKASLEHTI

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Mat Sovellettu todennäköisyyslasku A

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Tilastollinen päättely II, kevät 2018 Harjoitus 7B Ratkaisuehdotuksia.

Työssä tutustutaan harmonisen mekaanisen värähdysliikkeen ominaisuuksiin seuraavissa

Frégier'n lause. Simo K. Kivelä, P B Q A

1. välikoe

Taustaa. Sekventiaalinen vaikutuskaavio. Päätöspuista ja vaikutuskaavioista. Esimerkki: Reaktoriongelma. Johdantoa sekventiaalikaavioon

Usean muuttujan funktioiden integraalilaskentaa

Jäykän kappaleen liike

Reaaliarvoinen funktio f : on differentioituva pisteessä x, jos f:lle on siinä voimassa kehitelmä. h h. eli. Silloin

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

11. Vektorifunktion derivaatta. Ketjusääntö

Käytetään säteille kompleksiesitystä. Tuleva säde on Ee 0 iw t ja peräkkäisiä heijastuneita säteitä kuvaaviksi esityksiksi saadaan kuvasta: 3 ( 2 )

Eräs Vaikutuskaavioiden ratkaisumenetelmä

Kertausta: Hamiltonin periaate

Klassisen mekaniikan historiasta

Mittausvirhe. Mittaustekniikan perusteet / luento 6. Mittausvirhe. Mittausepävarmuus ja siihen liittyvää terminologiaa

Kitkavoimat. Ol. N massapisteen systeemi ja suoraan nopeuteen verrannollinen kitkavoima: k x v 2. i,x + ky v 2. i,y + kz v 2. vi F = i. r i.

Esimerkki 1 Ratkaise differentiaaliyhtälö

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu Matematiikan ja systeemianalyysin laitos

Harjoitus 7: vastausvihjeet

Transkriptio:

Kanonset muunnokset Koordnaatstomuunnokset Lagrangen formalsmssa pstemuunnoksa: Q = Q (q, t) nopeudet saadaan nästä dervomalla Kanonnen formalsm: p:t ja q:t samanarvosa 2n-ulottesen faasavaruuden muuttuja ylesemp muunnosteora tarpeen. Ol. Hamltonn funkto tunnetaan muuttujlle q, p (2n kpl). Määrtellään { Q = Q (q, p, t) (M) kääntesmuunnokset P = P (q, p, t) { q = q (Q, P, t) p = p (Q, P, t) Jos K = K(Q, P, t) s.e. muunnos (M) on kanonnen muunnos. Q = K P, Ṗ = K Q (K) Huom! kanonnen muunnos (M) e saa rppua ongelmasta el H:sta: Muunnos kanonnen muotoa (K) olevat yhtälöt H Tonen näppärä tapa nähdä kanonsuus. Muunnoksessa x y (x), täytyy muunnoksen Jacobaann J (J j = y / x j ) oltava symplektnen, el ( ) J JJ T 0 I = J = n n I n n 0 Tällön ptää myös pakkaansa, että Possonn sulut ovat nvarantteja! orsta 9.10.2014 1/18

Torsta 9.10.2014 2/18 Generovat funktot Modfotu Hamltonn peraate: δ t 2 t ( P 1 Q K) dt = 0 }{{} L Musta, L ja L kuvaavat samaa systeemä, jos 1. L = L + α, α R 2. L = αl, α R 3. L = L dg dt q p H = G on (kanonsen muunnoksen) generova funkto. Se on muotoa G(v, U, t), mssä Q P K + dg dt (v, U) = (q, Q), (q, P), (p, Q), (p, P) v nn kun vanha, U nn kun uus muuttuja!

Torsta 9.10.2014 3/18 Tyypn G1 generaattor Merktään G = G 1 (q, Q, t), tällön dg 1 dt = ( G1 q + G ) 1 Q + G 1 q Q t Nyt p q H = P Q K + ( p G ) 1 q q ( G1 q + G ) 1 Q + G 1 q Q t ( P + G ) ( 1 Q H K + G ) 1 = 0 Q t toteutuu denttsest, kun p = G 1 (1) q P = G 1 (2) Q K = H + G 1 (3) t G 1 on annettu funkto, joten (2) q = q (Q, P, t); sj. tämä (1):seen p = p (Q, P, t); sj. molemmat (3):seen K = K(Q, P, t). El G 1 on generonut kanonsen muunnoksen!

Torsta 9.10.2014 4/18 Muut generovat funktot Lähtökohtana ol q p H = Q P K + dg dt. Jos tunnetaan G = G 1 (q, Q, t), nn mulle parelle saadaan generaattort Legendren muunnokslla: (q, Q) (q, P) : G 2 (q, P, t) = G 1 + Q P (q, Q) (p, Q) : G 3 (p, Q, t) = G 1 q p (q, Q) (p, P) : G 4 (p, P, t) = G 1 + Q P q p = G 2 q p Huom! G 1, G 2, G 3, G 4 ovat generaattoreden tyypt; tse muunnoksa on ääretön määrä.

Torsta 9.10.2014 5/18 Muunnosyhtälöt er generaattortyypelle Jos G 1 (q, Q, t) saadaan p = G 1, P q = G 1 Q G 2 (q, P, t) = G 1 (q, Q, t) + Q P G 2 q = G 1 q = p ; G 2 = Q ; K = H + G 2 P t G 3 (p, Q, t) = G 1 (q, Q, t) q p G 3 p = q ; G 3 = G 1 = P ; K = H + G 3 Q Q t G 4 (p, P, t) = G 2 (q, P, t) q p G 4 p = q ; G 4 = G 2 = Q ; K = H + G 4 P P t Nämä vos tetyst johtaa myös suoraan yhtälöstä (HT): q p H = Q P K + dg dt

Torsta 9.10.2014 6/18 Esmerkk pstemuunnoksesta x = r cos ϕ Q 1 := x ; Q 2 := y y = r sn ϕ q 1 := r ; q 2 := ϕ G 2 (q, P, t) = P Q = P 1 q 1 cos q 2 + P 2 q 1 sn q 2 p 1 = G 2 q 1 = P 1 cos q 2 + P 2 sn q 2 p 2 = G 2 q 2 = P 1 q 1 sn q 2 + P 2 q 1 cos q 2 ( ) ( ) ( ) q1 p 1 cos q2 sn q = q 2 P1 p 1 2 sn q 2 cos q 2 P 2 ( ) P1 = 1 ( ) ( ) cos q2 sn q 2 q1 p 1 P 2 q 1 sn q 2 cos q 2 p 2 P x = p r cos ϕ pϕ r sn ϕ P y = pϕ r cos ϕ + p r sn ϕ

Torsta 9.10.2014 7/18 Esmerkk kanonsuudesta Mllä parametren arvolla muunnos Q = αp q ; P = βq 2 on kanonnen? Lasketaan Possonn sulut! {Q, Q} =0 = {P, P} {Q, P} = Q P q p Q P p q = αp q 2 0 2βq α q = 2αβ Ss ehto kanonsuudelle on 2αβ = 1.

Torsta 9.10.2014 8/18 Esmerkk: ets ed. muunnokselle generaattor Q = αp q ; P = βq 2 Käytetään tosta yhtälöä: G = G 1 (q, Q, t) p = G 1 q P = G 1 Q βq 2 = G 1(q, Q) Q G 1 = βq 2 Q + g(q) p = G 1 q = 2βqQ + g (q) = qq α 2β = 1 α, g = 0 2βα = 1, G 1 = βq 2 Q

Infntesmaalt kanonset muunnokset Lopuks lyhyt sananen generovsta muunnokssta toselta kantlta. Tarkastellaan seuraava muunnoksa: q Q = q + ɛf (q, p) p P = p + ɛe (q, p) mssä ɛ 1 pdetään penenä. Kysymys: mtkä funktot F (q, p) ja E (q, p) ovat sallttuja, jotta tämä ols kanonnen muunnos? Jacobaan on: (J j ) = δ j + ɛ F q j ɛ F p j ɛ E q j δ j + ɛ E p j el vaatmus symplektsyydestä J JJ T = J antaa (HT) F q j F = G p, E = G q = E p j, joka pätee, kun jollekn faasavaruuden funktolle G(q, p). Tällön ss G on generonut muunnoksen. Esm. tarkastellaan funktota G = p k. Sllon vastaava nfntesmaalnen kanonnen muunnos on q q + ɛδ k ja p p ; tämä on slkka translaato. El q k :n translaatot on generonut kanonnen mpulss G = p k. Torsta 9.10.2014 9/18

Torsta 9.10.2014 10/18 Noethern teoreema Hamltonn formalsmssa Kästtelmme Lagrangen formalsmssa Noethern teoreemaa, joka kerto yhteyden symmetroden sekä sälymslaken välllä. Katsotaan seuraavaks mten tämä näkyy Hamltonn formalsmssa. Tarkastellaan nfntesmaalsa kanonsa muunnoksa, jotka on generonut jokn G: δh = H δq + H δp q p = ɛ H q G p ɛ H p G q + O(ɛ 2 ) = ɛ{h, G} + O(ɛ 2 ) Generaattor G on Hamltonn funkton symmetra, jos δh = 0. Tämä on vomassa, jos ss {G, H} = 0 Tosaalta mustamme, että Ġ = {G, H}. Toteamme seuraavaa: Jos G on symmetra, nn sllon G on lkevako. Jos mellä on sälyvä suure G, nn sllon vomme käyttää tätä lkevakota generodaksemme kanonsen muunnoksen, joka vastaa symmetraa.

Torsta 9.10.2014 11/18 Kulma-vakutusmuuttujsta Olemme kakk yrttäneet ratkoa mona fyskan ongelma käyttäen huonost valttuja koordnaatteja. Esm. olemme käyttäneet karteessa koordnaatteja, kun ongelmaa ols kannattanut lähestyä napakoordnaatessa. Tetyst okean ratkasun saa mllä tahansa koordnaattvalnnalla, mutta se on vonut vaata suuren urakan. Hamltonn formalsmssa mellä on mahdollsuus käyttää suurempaa koordnaattmuunnosarsenaala, kun vomme sotkea q:ta ja p:tä keskenään. Onko tästä stten okeast mtään hyötyä? Vastaus on kyllä: valtsemalla kulma-vakutusmuuttujat!

orsta 9.10.2014 12/18 Esmerkk: HO uudelleen Palataan velä aempaan esmerkkn harmonsesta oskllaattorsta ennen kun srrytään velä ylesempään teoraan. Huomatkaa, että mtä abstraktmmaks teora käy, sen helpommaks esmerkken ratkasu tulee! Harmonsen oskllaattorn Hamltonn funkto on H = p2 2m + 1 2 mω2 0 q2 el Hamltonn LY: jolla on smppel ratkasu ṗ = mω 2 0 q, q = p m q = A cos(ω 0 (t t 0 )), p = mω 0 A sn(ω 0 (t t 0 )) mssä A ja t 0 ovat ntegromsvakota. Vrrat faasavaruudessa ovat ellpsejä.

Torsta 9.10.2014 13/18 Esmerkk: HO uudelleen Tehdään nyt sama muunnos mkä tehtn aemmn, el (q, p) (θ, P) mssä ajatellaan, että θ on medän uus pakkakoordnaatt ja P uus lkemääräkoordnaatt, 2P q = sn θ, p = 2Pmω 0 cos θ mω 0 Harjotuksen vuoks tarkstetaan velä, että tämä muunnos on tosaan kanonnen (tätä e tseasassa tarkstettu akasemmn) kahdella er tavalla. 1) Possonn sulkujen nvaranss: helpomp näyttää takapern, el että {q, p} = 1 (θ, P)-koordnaatessa, ts. {q, p} θ,p q p θ P q p? = 1 P θ Suora lasku { 2P {q, p} θ,p = sn θ, } 2Pmω 0 sn θ mω 0 el muunnos on tosaan kanonnen. θ,p = 2{ P sn θ, P cos θ} = 1

Torsta 9.10.2014 14/18 Esmerkk: HO uudelleen 2) Näytetään, että Jacobaan on symplektnen. Lasketaan suoraan: ( ) ( θ θ mω0 cos q p p 2 θ mω 0q J = P P = p 2 cos 2 θ p mω q p 0 q mω 0 ) Tätä käyttämällä vo suoraan näyttää (HT), että J JJ T = J kuten ptääkn. Katsotaan stten Hamltonn funktota uusssa muuttujssa: H = 1 2m (2mω 0P) sn 2 θ+ 1 2P 2 mω2 0 cos 2 θ = ω 0 P mω 0 el θ tosaankn on syklnen muuttuja; kuten aemmnkn. Hamltonn LY: θ = H P = ω 0, Ṗ = H θ = 0 El olemme onnstuneet kuvaamaan faasavaruuden ellpsn sylnterlle, joka on parametrsotu θ:lla ja P:llä. Koordnaatt (θ, P) ovat esmerkkejä kulma-vakutusmuuttujsta.

orsta 9.10.2014 15/18 Integrotuvat systeemt Ed. esmerkssä huomasmme, että pystymme suorstamaan faasavaruuden käyrät harmonselle oskllaattorlle, käyttäen muuttujanvahtoa, jollon lke faasavaruudessa tul trvaalks. Onkn knnostavaa kysyä vommeko tehdä tämän ylesemmnkn? Van systeemelle, jotka ovat ntegrotuva! Ajatellaan, että mellä on n vapausastetta ja tarkastelemme muunnosta: (q, p ) (θ, J ) jollon H = H(J 1,..., J n) mutta e rpu θ :stä. Tällön Hamltonn LY n lkevakota J, kun taas θ = H J = ω mssä ω e rpu θ :stä (mutta rppuu ylesest J :stä), jollon θ = ω t. Jos tällanen muunnos, nn sllon systeem on ntegrotuva. Rajotetulle lkkeelle θ on yleensä skaalattu vällle 0 θ < 2π ja koordnaatteja (θ, J ) kutsutaan kulma-vakutusmuuttujks.

orsta 9.10.2014 16/18 Integrotuvat systeemt Tosaalta pätee myös kääntenen argumentt. Jos mellä on n kpl Posson-kommutovaa lkevakota J 1,..., J n, nn sllon tästä seuraa, että kulma-vakutusmuuttujat ja systeem on ntegrotuva. Posson-kommutovuusvaatmuksen {J, J j } = 0 vodaan ajatella määrttelevän melle kanonset mpulsst J. Tämä on nmeltään Louvllen teoreema. Huom! Kakk systeemt evät ole ntegrotuva. Itseasassa usemmat evät ole (esm. kaoottset systeemt, ks. krjan luku 8). Onko oketa kulma-vakutusmuuttuja on globaal kysymys. Lokaalst votasn ana tehdä sopva muunnos, jollon faasavaruudessa saatasn suora vvoja; on tärkeää velä stoa vvat yhteen lman, että ne sotkeutuvat.

Torsta 9.10.2014 17/18 Kulma-vakutusmuuttujat yksulottesessa tapauksessa Tarkastellaan 1d ongelmaa: H = p2 2m + V (q) Koska H on tse lkevako, jolle H = E (E vako) on systeem ntegrotuva. Oletetaan, että lke on rajotettua, q 1 q q 2, kuten kuvassa. Sllon lke on perodsta: oskllonta päätepsteden välllä. Tavote ols ss löytää kanonnen muunnos muuttujn (θ, J) s.e. vrtaukset faasavaruudessa ovat suora vvoja.

Kulma-vakutusmuuttujat yksulottesessa tapauksessa Kuva : Osaammeko suorstaa vrtaukset faasavaruudessa? Koska J on lkevako, nn H = H(J) = E Mutta mkä on okea valnta, jotta sen kanonsella parlla θ [0, 2π[ on omnasuus θ = H J = E J ω mssä ω on vako ja vastaa faasavaruuden kerrostaajuutta? Väte: okea valnta on J = pdq joka on ss faasavaruudessa olevan käyrän ssälläänptämä pnta-ala ja on anoastaan energan funkto. Todstus: (HT) ta ks. Mathematcal Methods of Classcal Mechancs, V. I. Arnold orsta 9.10.2014 18/18