经典力学的三个组成部分及其联系 2.2~2.3

1788,Langrange d d t ∂ L ∂ q α ⋅ − ∂ L ∂ q α = 0 \frac{d}{dt} \frac{\partial L}{\partial q_{\alpha}^{\cdot}}-\frac{\partial L}{\partial q_{\alpha}}=0 dtdqαLqαL=0
我们建立广义坐标 generalized co’ordinates
α = 1 , 2 , 3 , 4 , . . s \alpha =1,2,3,4,..s α=1,2,3,4,..s s是自由度 de’grees of freedom
generalized velocity 广义速度
q α ⋅ q_{\alpha}^{\cdot} qα研究的空间变了,牛顿力学是欧几里得空间
拉格朗日力学是构型空间 Configuration Space

L = T − V     L a g r a n g i a n L =T - V \ \ \ Lagrangian L=TV   Lagrangian T之和广义速度有关系,V 之和广义坐标有关系
L = L ( q α , q α ⋅ , t ) L=L(q_{\alpha},q_{\alpha}^{\cdot},t) L=L(qα,qα,t)

从拉格朗日推导牛顿第二定律

退化非常简单,T= 1 2 m q ˙ 2 \frac{1}{2}m {\dot q^{2}} 21mq˙2
由此我们可以得到
d d t ∂ L ∂ g ⋅ = m q ¨ \frac{d}{dt}\frac{\partial L}{\partial g^{\cdot}}=m\ddot q dtdgL=mq¨
∂ L ∂ g = f \frac{\partial L}{\partial g}=f gL=f
所以我们可以得到 f = m q ¨ f=m \ddot q f=mq¨
totally equivalent to NewTon

从牛顿第二定律推导拉格朗日方程

F = − ∂ V ∂ q = m q ¨ F=-\frac{\partial V}{\partial q}=m \ddot q F=qV=mq¨ potential energy
m q ¨ = d d t ( m q ˙ ) = d d t ( ∂ ∂ q ˙ ( 1 2 m q ˙ 2 ) ) = d d t ∂ L ∂ q ˙ ( T − V ) m\ddot q=\frac{d}{dt}(m \dot q)=\frac{d}{dt}(\frac{\partial }{\partial \dot q}(\frac{1}{2}m\dot q^2))=\frac{d}{dt} \frac{\partial L}{\partial \dot q}(T-V) mq¨=dtd(mq˙)=dtd(q˙(21mq˙2))=dtdq˙L(TV)

Hamilton,scientific poem

Hamiltonian Mechanics
牛顿力学是在欧氏空间
拉格朗日在构型空间
哈密尔顿在相空间 phase space
相空间由广义坐标和广义动量 generalized coordinates

因为拉格朗日依赖于
L = L ( q α , q α ⋅ , t ) L=L(q_{\alpha},q_{\alpha}^{\cdot},t) L=L(qα,qα,t)一个是广义坐标,一个是广义坐标的时间导数,这两个并不对称
哈密尔顿则更加对称
我们构造一个 Hamiltonian
H = T + V = H ( q α , p α , t ) H=T+V\\=H(q_{\alpha},p_{\alpha},t) H=T+V=H(qα,pα,t)
T = p 2 2 m T=\frac{p^2}{2m} T=2mp2
哈密尔顿正则方程
Hamilton Cananical equations

{ q ˙ α = ∂ H ∂ p α p ˙ α = − ∂ H ∂ q α \left\{ \begin{aligned} \dot q_{\alpha}=\frac{\partial H}{\partial p_{\alpha}} \\ \dot p_{\alpha}=-\frac{\partial H}{\partial q_{\alpha}} \end{aligned} \right. q˙α=pαHp˙α=qαH

这三种力学是完全等价的
拉格朗日力学和哈密尔顿力学是通过勒让德变换
Lengendre transformations

H ( g α , p α , t ) = ∑ α = 1 s p α q ˙ α − L ( q α , q ˙ α , t ) H(g_{\alpha},p_{\alpha},t)=\sum_{\alpha=1}^{s}p_{\alpha}\dot q_{\alpha}-L(q_{\alpha},\dot q_{\alpha},t) H(gα,pα,t)=α=1spαq˙αL(qα,q˙α,t)

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