Problema este de a găsi o anumită transformare canonică (un difeomorfism ) astfel încât ecuațiile lui Hamilton să asume o formă simplă pentru soluționarea lor.
Analitic, transformările canonice (independente de timp), în general, pot fi reprezentate sub forma vechilor coordonate generalizate {\ displaystyle q_ {i}, p_ {i}} :
unde K este noul hamiltonian . Trebuie remarcat faptul că, în general, toate transformările de acest tip se numesc canonice. De fapt, unii autori (și în articolul în cauză) subliniază că transformările (1) sunt „complet” canonice, astfel încât ecuațiile să mențină o formă hamiltoniană (2) și astfel încât noul hamiltonian să poată fi exprimat ca:
(3) {\ displaystyle \ qquad K (Q, P) = H (q (Q, P), p (Q, P)).}
Dovada formei de transformare hamiltoniene
Dovada că aceste noi coordonate satisfac o formă hamiltoniană rezultă din principiul Hamilton extins scris sub forma noilor coordonate:
{\ displaystyle \ delta \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} \ left (\ sum _ {i} P_ {i} \ cdot {\ dot {Q}} _ {i} -K ( Q, P, t) \ right) \ mathrm {d} t = 0.}
Dar este, de asemenea, adevărat că vechile coordonate îndeplineau același principiu:
{\ displaystyle \ delta \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} \ left (\ sum _ {i} p_ {i} \ cdot {\ dot {q}} _ {i} -H ( q, p, t) \ right) \ mathrm {d} t = 0,}
deci prin echivalare obținem că integranzii sunt egali cu mai puțin decât o constantă, adică:
{\ displaystyle \ int _ {t_ {1}} ^ {t_ {2}} {\ frac {\ mathrm {d} G} {\ mathrm {d} t}} \ mathrm {d} t = G (t_ { 2}) - G (t_ {1}).}
Functia {\ displaystyle G} se numește funcția generatoare a transformării, deoarece, prin cunoașterea ei, întreaga transformare este, de asemenea, total determinată. Utilitatea reală a transformărilor canonice este că, având în vedere un sistem fizic, numărul coordonatelor ciclice depinde de tipul de coordonate generalizate alese pentru a reprezenta sistemul. Deși dorim să alegem orice coordonate generalizate, cu o transformare canonică adecvată, le putem transforma pentru a obține coordonate generalizate care sunt toate ciclice.
Condiții de canonicitate
O transformare de tip (1) este canonică dacă și numai dacă una dintre aceste condiții deține:
Aceleași considerații se aplică dacă transformarea este dependentă de timp: de fapt, în mecanica hamiltoniană timpul poate fi considerat o variabilă suplimentară și, ca atare, trebuie introduse alte ecuații și în Hamiltonian.
În acest caz, problema transformării canonice este pusă în același mod, cu excepția că (3) devine:
{\ displaystyle K (Q, P, t) = H (q, p, t) -S (q (Q, P, t), p (Q, P, t)).}
Cele patru forme canonice
În practică, transformările canonice sunt de patru tipuri, datorită dependenței funcției generatoare de acestea:
{\ displaystyle G_ {1} (q, Q, t)}
{\ displaystyle G_ {2} (q, P, t)}
{\ displaystyle G_ {3} (Q, p, t)}
{\ displaystyle G_ {4} (P, p, t)}
iar alegerea depinde de problemă. Să luăm cazul 1) și să vedem să derivăm forma canonică și noul hamiltonian. Din principiile Hamilton extinse, relația care leagă cele două sisteme de coordonate este:
H. Goldstein, Mecanica clasică , Addison Wesley, 2002, ISBN0-201-65702-3 .
W. Hamilton, Despre o metodă generală de exprimare a căilor luminii și a planetelor, prin coeficienții unei funcții caracteristice , în Dublin University Review , 1833, pp. 795-826.
W. Hamilton, Despre aplicarea la dinamica unei metode matematice generale aplicate anterior opticii , în British Association Report , 1834, pp. 513-518.
A. Fetter și J. Walecka, Theoretical Mechanics of Particles and Continua , Dover Books, 2003, ISBN0-486-43261-0 .
LD Landau și EM Lifshitz, Mecanică , ediția a III-a, Pergamon Press, 1976, ISBN0-08-021022-8 .