在 ざい 物理 ぶつり 學 がく 裏 うら ,作用 さよう 量 りょう (英 えい 语:action )是 ぜ 一 いち 個 こ 很特別 べつ 、很抽象 ちゅうしょう 的 てき 物理 ぶつり 量 りょう 。它表示 ひょうじ 著 ちょ 一 いち 個 こ 動力 どうりょく 物理 ぶつり 系統 けいとう 內在的 てき 演 えんじ 化 か 趨向 すうこう 。雖然與 あずか 微分 びぶん 方程式 ほうていしき 方法 ほうほう 大 だい 不 ふ 相 あい 同 どう ,作 さく 用量 ようりょう 也可以被用 よう 來 らい 分析 ぶんせき 物理 ぶつり 系統 けいとう 的 てき 運動 うんどう ,所得 しょとく 到 いた 的 てき 答案 とうあん 是 ぜ 相 しょう 同 どう 的 てき 。只 ただ 需要 じゅよう 設定 せってい 系統 けいとう 在 ざい 兩個 りゃんこ 點 てん 的 てき 狀態 じょうたい ,初 はつ 始 はじめ 狀態 じょうたい 與 あずか 最終 さいしゅう 狀態 じょうたい ,然 しか 後 ご ,經過 けいか 求 もとめ 解 かい 作 さく 用量 ようりょう 的 てき 平穩 へいおん 值 ,就可以得到 いた 系統 けいとう 在 ざい 兩個 りゃんこ 點 てん 之 の 間 あいだ 每 ごと 個 こ 點 てん 的 てき 狀態 じょうたい 。
皮 かわ 埃 ほこり 爾 なんじ ·德 とく ·費 ひ 馬 ば 於1662年 ねん 發表 はっぴょう 了 りょう 費 ひ 馬 ば 原理 げんり 。這原理 げんり 闡明 せんめい :光 ひかり 傳播 でんぱ 的 てき 正確 せいかく 路 ろ 徑 みち ,所 しょ 需的時間 じかん 必定 ひつじょう 是 ぜ 極 ごく 值 。這原理 げんり 在 ざい 物理 ぶつり 學界 がっかい 造成 ぞうせい 了 りょう 很大的 てき 震撼 しんかん 。不同 ふどう 於牛 うし 頓 ひたぶる 運動 うんどう 定律 ていりつ 的 てき 機械 きかい 性 せい ,現今 げんこん ,一個物理系統的運動擁有了展望與目標。
戈 ほこ 特 とく 弗 どる 里 さと 德 とく ·萊布尼 あま 茨 いばら 不 ふ 同意 どうい 費 ひ 馬 ば 的 てき 理論 りろん 。他 た 認 みとめ 為 ため 光 こう 應 おう 該選擇 せんたく 最 さい 容易 ようい 傳播 でんぱ 的 てき 路 ろ 徑 みち 。他 た 於1682年 ねん 發表 はっぴょう 了 りょう 他 た 的 てき 理論 りろん :光 ひかり 傳播 でんぱ 的 てき 正確 せいかく 路 ろ 徑 みち 應 おう 該是阻礙最小 さいしょう 的 てき 路 ろ 徑 みち ;更 さら 精確 せいかく 地 ち 說 せつ ,阻礙與徑 みち 長 ちょう 的 てき 乘 じょう 積 せき 是 ぜ 最小 さいしょう 值的路 ろ 徑 みち 。這理論 ろん 有 ゆう 一 いち 個 こ 難題 なんだい ,如果要 よう 符合 ふごう 實驗 じっけん 的 てき 結果 けっか ,玻璃 はり 的 てき 阻礙必須 ひっす 小 しょう 於空氣 き 的 てき 阻礙;但 ただし 是 ぜ ,玻璃 はり 的 てき 密度 みつど 大 だい 於空氣 き ,應 おう 該玻璃 はり 的 てき 阻礙會 かい 大 だい 於空氣 き 的 てき 阻礙。萊布尼 あま 茨 いばら 為 ため 此提供 ていきょう 了 りょう 一 いち 個 こ 令 れい 人 じん 百 ひゃく 思 おもえ 的 てき 辯解 べんかい 。較大的 てき 阻礙使 し 得 とく 光 こう 較不容易 ようい 擴散 かくさん ;因 いん 此,光被 こうひ 約束 やくそく 在 ざい 一個很窄的路徑內。假 かり 若 わか ,河 かわ 道 どう 變 へん 窄,水 みず 的 てき 流速 りゅうそく 會 かい 增加 ぞうか ;同樣 どうよう 地 ち ,光 ひかり 的 てき 路 ろ 徑 みち 變 へん 窄,所以 ゆえん 光 こう 的 てき 速度 そくど 變 へん 快 かい 了 りょう 。
1744年 ねん ,皮 かわ 埃 ほこり 爾 なんじ ·莫佩爾 なんじ 蒂在 ざい 一 いち 篇 へん 論文 ろんぶん 《The agreement between the different laws of Nature that had, until now,seemed incompatiable》中 ちゅう ,發表 はっぴょう 了 りょう 最小 さいしょう 作 さく 用量 ようりょう 原理 げんり :光 ひかり 選擇 せんたく 的 てき 傳播 でんぱ 路 ろ 徑 みち ,作用 さよう 量 りょう 最小 さいしょう 。他 た 定義 ていぎ 作 さく 用量 ようりょう 為 ため 移動 いどう 速度 そくど 與 あずか 移動 いどう 距離 きょり 的 てき 乘 じょう 積 せき 。用 よう 這原理 げんり ,他 た 證明 しょうめい 了 りょう 費 ひ 馬 ば 原理 げんり :光 ひかり 傳播 でんぱ 的 てき 正確 せいかく 路 ろ 徑 みち ,所 しょ 需的時間 じかん 是 これ 極 ごく 值 ;他 た 也計算出 さんしゅつ 光 こう 在 ざい 反射 はんしゃ 與 あずか 同 どう 介 かい 質 しつ 傳播 でんぱ 時 じ 的 てき 正確 せいかく 路 ろ 徑 みち 。1747年 ねん ,莫佩爾 なんじ 蒂在另一 いち 篇 へん 論文 ろんぶん 《On the laws of motion and of rest》中 ちゅう ,應用 おうよう 這原理 げんり 於碰撞 ,正確 せいかく 地 ち 分析 ぶんせき 了 りょう 彈性 だんせい 碰撞與 あずか 非 ひ 弹性碰撞;這兩種 しゅ 碰撞不 ふ 再 さい 需要 じゅよう 用 よう 不同 ふどう 的 てき 理論 りろん 來 らい 解釋 かいしゃく 。
萊昂哈德·歐 おう 拉 ひしげ 在 ざい 同年 どうねん 發表 はっぴょう 了 りょう 一 いち 篇 へん 論文 ろんぶん 《Method for finding curves having a minimal or maximal property or solutions to isoperimetric problems in the broadest accepted sense》 ;其中,他 た 表明 ひょうめい 物體 ぶったい 的 てき 運動 うんどう 遵守 じゅんしゅ 某 ぼう 種 たね 物理 ぶつり 量 りょう 極 ごく 值定律 ていりつ ,而這物理 ぶつり 量 りょう 是 ぜ
∫
p
a
t
h
v
2
d
t
{\displaystyle \int _{path}\ v^{2}\ dt\,\!}
。應用 おうよう 這理論 ろん ,歐 おう 拉 ひしげ 成功 せいこう 的 てき 計 けい 算出 さんしゅつ ,當 とう 粒子 りゅうし 受到連 れん 心力 しんりょく 作用 さよう 時 じ ,正確 せいかく 的 てき 拋射體 たい 運動 うんどう 。
在 ざい 此以後 ご ,許多 きょた 物理 ぶつり 學 がく 家 か ,包括 ほうかつ 約 やく 瑟夫·拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 、威 い 廉 かど ·哈密頓 とみ 、理 り 查德·費 ひ 曼等 ひとし 等 ひとし ,對 たい 於作用量 ようりょう 都 と 有 ゆう 很不同 ふどう 的 てき 見解 けんかい 。這些見解 けんかい 對 たい 於物理學 りがく 的 てき 發展 はってん 貢獻 こうけん 甚多。
微分 びぶん 方程式 ほうていしき 時 じ 常 つね 被 ひ 用 もちい 來 らい 表 ひょう 述 じゅつ 物理 ぶつり 定律 ていりつ 。微分 びぶん 方程式 ほうていしき 指定 してい 出 で ,隨 ずい 著 ちょ 極小 きょくしょう 的 てき 時間 じかん 、位置 いち 、或 ある 其他變數 へんすう 的 てき 變化 へんか ,一 いち 個 こ 物理 ぶつり 變數 へんすう 如何 いか 改變 かいへん 。總合 そうごう 這些極小 きょくしょう 的 てき 改變 かいへん ,再 さい 加 か 上 じょう 這物理 ぶつり 變數 へんすう 在 ざい 某 ぼう 些點的 てき 已 やめ 知 ち 數 すう 值或已 やめ 知 ち 導 しるべ 數 すう 值,就能求 もとめ 得 え 物理 ぶつり 變數 へんすう 在任 ざいにん 何 なん 點 てん 的 てき 數 すう 值。
作用 さよう 量 りょう 方法 ほうほう 是 ぜ 一 いち 種 しゅ 全然 ぜんぜん 不同 ふどう 的 てき 方法 ほうほう ,它能夠描述 じゅつ 物理 ぶつり 系統 けいとう 的 てき 運動 うんどう ,而且只 ただ 需要 じゅよう 設定 せってい 物理 ぶつり 變數 へんすう 在 ざい 兩 りょう 點 てん 的 てき 數 すう 值,稱 しょう 為 ため 初 はつ 始 はじめ 值與最終 さいしゅう 值。經過 けいか 作用 さよう 量 りょう 平穩 へいおん 的 てき 演算 えんざん ,可 か 以得到 いた ,此變數 すう 在 ざい 這兩點 てん 之 の 間 あいだ 任 にん 何 なん 點 てん 的 てき 數 すう 值。而且,作用 さよう 量 りょう 方法 ほうほう 與 あずか 微分 びぶん 方程式 ほうていしき 方法 ほうほう 所得 しょとく 到 いた 的 てき 答案 とうあん 完全 かんぜん 相 しょう 同 どう 。
哈密頓 ひたぶる 原理 げんり 闡明 せんめい 了 りょう 這兩種 しゅ 方法 ほうほう 在 ざい 物理 ぶつり 學 がく 價 あたい 位 い 的 てき 等價 とうか :描述物理 ぶつり 系統 けいとう 運動 うんどう 的 てき 微分 びぶん 方程式 ほうていしき ,也可以用一 いち 個 こ 等價 とうか 的 てき 積分 せきぶん 方程式 ほうていしき 來 らい 描述。無論 むろん 是 ぜ 關 せき 於經典 きょうてん 力學 りきがく 中 なか 的 てき 一 いち 個 こ 單獨 たんどく 粒子 りゅうし 、關 せき 於經典 きょうてん 場 じょう 像 ぞう 電磁場 でんじば 或 ある 重力 じゅうりょく 場 じょう ,這描述 じゅつ 都 と 是正 ぜせい 確 かく 的 てき 。更 さら 加地 かじ ,哈密頓 ひたぶる 原理 げんり 已 やめ 經 けい 延伸 えんしん 至 いたり 量子力學 りょうしりきがく 與 あずか 量子 りょうし 場 じょう 論 ろん 了 りょう 。
用 よう 變 へん 分 ぶん 法 ほう 數學 すうがく 語 ご 言 げん 來 らい 描述,求 もとめ 解 かい 一 いち 個 こ 物理 ぶつり 系統 けいとう 作 さく 用量 ようりょう 的 てき 平穩 へいおん 值 (通常 つうじょう 是 ぜ 最小 さいしょう 值),可 か 以得到 いた 這系統 けいとう 隨時 ずいじ 間 あいだ 的 てき 演 えんじ 化 か (就是說 せつ ,系統 けいとう 怎樣從 したがえ 一個狀態演化到另外一個狀態)。更 さら 廣義 こうぎ 地 ち ,系統 けいとう 的 てき 正確 せいかく 演 えんじ 化 か 對 たい 於任何 なに 微 ほろ 擾必須 ひっす 是 ぜ 平穩 へいおん 的 てき 。這要求 ようきゅう 導 しるべ 致出描述正確 せいかく 演 えんじ 化 か 的 てき 微分 びぶん 方程式 ほうていしき 。
在 ざい 經典 きょうてん 物理 ぶつり 裏 うら ,作用 さよう 量 りょう 這術語 ご 至 いたり 少 しょう 有 ゆう 七 なな 種 しゅ 不同 ふどう 的 てき 意義 いぎ 。每 まい 一種不同的意義有它不同的表達形式。
最 さい 常見 つねみ 的 てき 作用 さよう 量 りょう 是 ぜ 一 いち 個 こ 泛函
S
{\displaystyle {\mathcal {S}}\,\!}
,輸入 ゆにゅう 是 ぜ 參 さん 數 すう 為 ため 時間 じかん 與 あずか 空間 くうかん 的 てき 函數 かんすう ,輸出 ゆしゅつ 是 ぜ 一 いち 個 こ 純量 じゅんりょう 。在 ざい 經典 きょうてん 力學 りきがく 裏 うら ,輸入 ゆにゅう 函數 かんすう 是 ぜ 物理 ぶつり 系統 けいとう 在 ざい 兩個 りゃんこ 時間 じかん 點 てん
t
1
{\displaystyle t_{1}\,\!}
,
t
2
{\displaystyle t_{2}\,\!}
之 これ 間 あいだ 廣義 こうぎ 座標 ざひょう
q
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {q} (t)\,\!}
的 てき 演 えんじ 變 へん 。
作用 さよう 量 りょう
S
{\displaystyle {\mathcal {S}}\,\!}
定義 ていぎ 為 ため ,在 ざい 兩個 りゃんこ 時間 じかん 點 てん 之 の 間 あいだ ,系統 けいとう 的 てき 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 量 りょう
L
{\displaystyle L\,\!}
對 たい 於時間 あいだ 的 てき 積分 せきぶん :
S
[
q
(
t
)
]
=
∫
t
1
t
2
L
[
q
,
q
˙
,
t
]
d
t
{\displaystyle {\mathcal {S}}[\mathbf {q} (t)]=\int _{t_{1}}^{t_{2}}L[\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t]\,\mathrm {d} t\,\!}
。
根據 こんきょ 哈密頓 ひたぶる 原理 げんり ,正確 せいかく 的 てき 演 えんじ 化 か
q
t
r
u
e
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {q} _{\mathrm {true} }(t)\,\!}
要求 ようきゅう 平穩 へいおん 的 てき 作用 さよう 量 りょう
S
{\displaystyle {\mathcal {S}}\,\!}
(最小 さいしょう 值、最大 さいだい 值、鞍 くら 值 )。經過 けいか 運算 うんざん ,結果 けっか 就是拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 方程式 ほうていしき 。
簡略 かんりゃく 作 さく 用量 ようりょう 也是一 いち 個 こ 泛函,通常 つうじょう 標記 ひょうき 為 ため
S
0
{\displaystyle {\mathcal {S}}_{0}\,\!}
。這裏,輸入 ゆにゅう 函數 かんすう 是 ぜ 物理 ぶつり 系統 けいとう 移動 いどう 的 てき 一 いち 條 じょう 路 ろ 徑 みち ,完全 かんぜん 不 ふ 考慮 こうりょ 時間 じかん 參 さん 數 すう 。舉例而言,一個行星軌道的路徑是個橢圓,一個粒子在均勻重力場的路徑是拋物線;在 ざい 這兩種 しゅ 狀況 じょうきょう ,路 みち 徑 みち 都 と 跟粒子 りゅうし 的 てき 移動 いどう 速度 そくど 無關 むせき 。簡略 かんりゃく 作 さく 用量 ようりょう
S
0
{\displaystyle {\mathcal {S}}_{0}\,\!}
定義 ていぎ 為 ため 廣義 こうぎ 動 どう 量 りょう
p
{\displaystyle \mathbf {p} \,\!}
沿著路 ろ 徑 みち 的 てき 積分 せきぶん :
S
0
=
∫
p
d
q
{\displaystyle {\mathcal {S}}_{0}=\int \mathbf {p} \,\mathrm {d} \mathbf {q} \,\!}
;
其中,
q
{\displaystyle \mathbf {q} \,\!}
是 ぜ 廣義 こうぎ 座標 ざひょう .根據 こんきょ 莫佩爾 なんじ 蒂原理 げんり ,正確 せいかく 路 ろ 徑 みち 的 てき 簡略 かんりゃく 作 さく 用量 ようりょう
S
0
{\displaystyle {\mathcal {S}}_{0}\,\!}
是 ぜ 平穩 へいおん 的 てき 。
主 しゅ 條目 じょうもく :哈密頓 ひたすら 主 しゅ 函數 かんすう 。
哈密頓 ひたすら 主 しゅ 函數 かんすう 是 ぜ 由 よし 哈密頓 とみ -雅 みやび 可 か 比 ひ 方程式 ほうていしき 定義 ていぎ 的 てき 。哈密頓 とみ -雅 みやび 可 か 比 ひ 方程式 ほうていしき 是 ぜ 經典 きょうてん 力學 りきがく 的 てき 另一 いち 種 しゅ 表 ひょう 述 じゅつ 。哈密頓 ひたすら 主 しゅ 函數 かんすう
S
{\displaystyle S\,\!}
與 あずか 泛涵
S
{\displaystyle {\mathcal {S}}\,\!}
有 ゆう 密 みつ 切 きり 的 てき 關係 かんけい 。固定 こてい 住初 すみぞめ 始 はじめ 時間 じかん
t
1
{\displaystyle t_{1}\,\!}
和 かず 其對應 おう 的 てき 座標 ざひょう 點 てん
q
1
{\displaystyle \mathbf {q} _{1}\,\!}
;而准許 もと 時間 じかん 上限 じょうげん
t
2
{\displaystyle t_{2}\,\!}
和 かず 其對應 おう 的 てき 座標 ざひょう 點 てん
q
2
{\displaystyle \mathbf {q} _{2}\,\!}
的 てき 改變 かいへん 。取 と
t
2
{\displaystyle t_{2}\,\!}
和 わ
q
2
{\displaystyle \mathbf {q} _{2}\,\!}
為 ため 函數 かんすう
S
{\displaystyle S\,\!}
的 てき 參 さん 數 すう 。換 かわ 句 く 話 はなし 說 せつ ,作用 さよう 量 りょう 函數 かんすう
S
{\displaystyle S\,\!}
是 これ 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 量 りょう 對 たい 於時間 あいだ 的 てき 不定 ふてい 積分 せきぶん :
S
(
q
,
P
,
t
)
=
∫
L
[
q
,
q
˙
,
t
]
d
t
{\displaystyle S(\mathbf {q} ,\ \mathbf {P} ,\ t)=\int L[\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t]\,\mathrm {d} t\,\!}
。
更 さら 加地 かじ ,可 か 以證明 しょうめい
P
{\displaystyle \mathbf {P} \,\!}
是 ぜ 某 ぼう 常數 じょうすう 向 むこう 量 りょう
a
{\displaystyle \mathbf {a} \,\!}
。所以 ゆえん ,
S
(
q
,
P
,
t
)
=
S
(
q
,
a
,
t
)
{\displaystyle S(\mathbf {q} ,\ \mathbf {P} ,\ t)=S(\mathbf {q} ,\ \mathbf {a} ,\ t)\,\!}
。
主 しゅ 條目 じょうもく :哈密頓 ひたぶる 特徵 とくちょう 函數 かんすう 。
假 かり 若 わか ,哈密頓 ひたぶる 量 りょう
H
{\displaystyle H\,\!}
是 ぜ 守恆 もりつね 的 てき ;
H
=
α あるふぁ
{\displaystyle H=\alpha \,\!}
;
其中,
α あるふぁ
{\displaystyle \alpha \,\!}
是 ぜ 常數 じょうすう 。
設定 せってい 哈密頓 ひたぶる 特徵 とくちょう 函數 かんすう
W
{\displaystyle W\,\!}
為 ため
W
(
q
,
a
)
=
S
(
q
,
a
,
t
)
−
α あるふぁ
t
{\displaystyle W(\mathbf {q} ,\ \mathbf {a} )=S(\mathbf {q} ,\ \mathbf {a} ,\ t)-\alpha t\,\!}
。
則 のり 哈密頓 ひたぶる 特徵 とくちょう 函數 かんすう
W
{\displaystyle W\,\!}
是 ぜ 一 いち 個 こ 作用 さよう 量 りょう 。
更 さら 加地 かじ ,
d
W
d
t
=
∂
W
∂
q
q
˙
=
p
q
˙
{\displaystyle {\frac {dW}{dt}}={\frac {\partial W}{\partial \mathbf {q} }}{\dot {\mathbf {q} }}=\mathbf {p} {\dot {\mathbf {q} }}\,\!}
。
對 たい 於時間 あいだ 積分 せきぶん :
W
(
q
,
a
)
=
∫
p
q
˙
d
t
=
∫
p
d
q
{\displaystyle W(\mathbf {q} ,\ \mathbf {a} )=\int \mathbf {p} {\dot {\mathbf {q} }}dt=\int \mathbf {p} \,d\mathbf {q} \,\!}
。
這正是 ぜ 簡略 かんりゃく 作 さく 用量 ようりょう 的 てき 方程式 ほうていしき 。
哈密頓 とみ -雅 みやび 可 か 比 ひ 方 かた 程 ほど 的 てき 其他解 かい [ 编辑 ]
主 しゅ 條目 じょうもく :哈密頓 とみ -雅 みやび 可 か 比 ひ 方程式 ほうていしき 。
哈密頓 とみ -雅 みやび 可 か 比 ひ 方程式 ほうていしき 是 ぜ 經典 きょうてん 力學 りきがく 的 てき 一 いち 種 しゅ 表 ひょう 述 じゅつ 。假 かり 若 わか ,哈密頓 とみ -雅 みやび 可 か 比 ひ 方程式 ほうていしき 是 ぜ 完全 かんぜん 可分 かぶん 的 てき ;則 そく 哈密頓 ひたすら 主 しゅ 函數 かんすう
S
(
q
,
P
,
t
)
{\displaystyle S(\mathbf {q} ,\ \mathbf {P} ,\ t)\,\!}
分 ぶん 出 だし 的 てき 每 ごと 一 いち 個 こ 項目 こうもく
S
k
(
q
k
,
P
,
t
)
{\displaystyle S_{k}(q_{k},\ \mathbf {P} ,\ t)\,\!}
也稱為 ため "作 さく 用量 ようりょう "。
作用 さよう 量 りょう -角度 かくど 座標 ざひょう [ 编辑 ]
主 しゅ 條目 じょうもく :作用 さよう 量 りょう -角度 かくど 座標 ざひょう 。思考 しこう 一 いち 個 こ 作用 さよう 量 りょう -角度 かくど 座標 ざひょう 的 てき 廣義 こうぎ 動 どう 量 りょう 變數 へんすう
J
k
{\displaystyle J_{k}\,\!}
,定義 ていぎ 為 ため 在 ざい 相 あい 空間 くうかん 內,關 せき 於轉動 どう 運動 うんどう 或 ある 振 ふ 蕩 とろけ 運動 うんどう ,廣義 こうぎ 動 どう 量的 りょうてき 閉路 へいろ 徑 みち 積分 せきぶん :
J
k
=
∮
p
k
d
q
k
{\displaystyle J_{k}=\oint p_{k}\mathrm {d} q_{k}\,\!}
。
這變數 すう
J
k
{\displaystyle J_{k}\,\!}
稱 しょう 為 ため 廣義 こうぎ 座標 ざひょう
q
k
{\displaystyle q_{k}\,\!}
的 てき 作用 さよう 量 りょう ;相應 そうおう 的 てき 正則 せいそく 座標 ざひょう 是 これ 角度 かくど
w
k
{\displaystyle w_{k}\,\!}
。不同 ふどう 於前面 めん 簡略 かんりゃく 作 さく 用量 ようりょう 泛函地 ち 用 よう 點 てん 積 せき 來 らい 積分 せきぶん 向 こう 量 りょう ;這裏,只 ただ 有 ゆう 一 いち 個 こ 純量 じゅんりょう 變數 へんすう
q
k
{\displaystyle q_{k}\,\!}
被 ひ 用 もちい 來 らい 積分 せきぶん 。作用 さよう 量 りょう
J
k
{\displaystyle J_{k}\,\!}
等 とう 於,隨 ずい 著 ちょ
q
k
{\displaystyle q_{k}\,\!}
沿著閉路 へいろ 徑 みち ,
S
k
(
q
k
)
{\displaystyle S_{k}(q_{k})\,\!}
的 てき 改變 かいへん 。應用 おうよう 於幾 おき 個 こ 有 ゆう 趣 おもむき 的 てき 物理 ぶつり 系統 けいとう ,
J
k
{\displaystyle J_{k}\,\!}
或 ある 者 もの 是 ぜ 常數 じょうすう ,或 ある 者 もの 改變 かいへん 非常 ひじょう 地 ち 慢。因 よし 此,
J
k
{\displaystyle J_{k}\,\!}
時 どき 常 つね 應用 おうよう 於微 ほろ 擾理論 ろん 與 あずか 緩 なる 漸 やや 不 ふ 變量 へんりょう 的 てき 研究 けんきゅう 。
參 まいり 閱重言 じゅうげん 1形式 けいしき 。
哈密頓 ひたぶる 原理 げんり 闡明 せんめい ,如果一個物理系統在兩個時間點
t
1
{\displaystyle t_{1}\,\!}
、
t
2
{\displaystyle t_{2}\,\!}
的 てき 運動 うんどう 是正 ぜせい 確 かく 運動 うんどう ,則 のり 作用 さよう 量 りょう 泛函
S
{\displaystyle {\mathcal {S}}\,\!}
的 てき 一 いち 次 じ 變 へん 分 ぶん
δ でるた
S
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}\,\!}
為 ため 零 れい 。用 よう 數學 すうがく 方程式 ほうていしき 表示 ひょうじ ,定義 ていぎ 作 さく 用量 ようりょう 為 ため
S
=
d
e
f
∫
t
1
t
2
L
(
q
,
q
˙
,
t
)
d
t
{\displaystyle {\mathcal {S}}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ \int _{t_{1}}^{t_{2}}L(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t)\,dt\,\!}
。
其中,
L
(
q
,
q
˙
,
t
)
{\displaystyle L(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t)\,\!}
是 ぜ 系統 けいとう 的 てき 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 函數 かんすう ,廣義 こうぎ 座標 ざひょう
q
=
(
q
1
,
q
2
,
…
,
q
N
)
{\displaystyle \mathbf {q} =\left(q_{1},\ q_{2},\ \ldots ,\ q_{N}\right)\,\!}
是 ぜ 時間 じかん 的 てき 函數 かんすう 。
假 かり 若 わか ,
q
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {q} (t)\,\!}
是 ぜ 系統 けいとう 的 てき 正確 せいかく 運動 うんどう ,則 のり
δ でるた
S
=
0
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}=0\,\!}
。
從 したがえ 哈密頓 ひたぶる 原理 げんり 可 か 以導引出拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 方程式 ほうていしき .假設 かせつ
q
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {q} (t)\,\!}
是 ぜ 系統 けいとう 的 てき 正確 せいかく 運動 うんどう ,讓 ゆずる
ε いぷしろん
(
t
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}(t)\,\!}
成 なり 為 ため 一 いち 個 こ 微 ほろ 擾
δ でるた
q
{\displaystyle \delta \mathbf {q} \,\!}
;微 ほろ 擾在軌道 きどう 兩個 りゃんこ 端點 たんてん 的 てき 值是零 れい :
ε いぷしろん
(
t
1
)
=
ε いぷしろん
(
t
2
)
=
d
e
f
0
{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}(t_{1})={\boldsymbol {\varepsilon }}(t_{2})\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ 0\,\!}
。
取 と 至 いたり
ε いぷしろん
(
t
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}(t)\,\!}
的 てき 一 いち 階 かい 微 ほろ 擾,作用 さよう 量 りょう 泛函的 てき 一 いち 次 じ 變 へん 分 ぶん 為 ため
δ でるた
S
=
∫
t
1
t
2
[
L
(
q
+
ε いぷしろん
,
q
˙
+
ε いぷしろん
˙
)
−
L
(
q
,
q
˙
)
]
d
t
=
∫
t
1
t
2
(
ε いぷしろん
⋅
∂
L
∂
q
+
ε いぷしろん
˙
⋅
∂
L
∂
q
˙
)
d
t
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}=\int _{t_{1}}^{t_{2}}\;\left[L(\mathbf {q} +{\boldsymbol {\varepsilon }},\ {\dot {\mathbf {q} }}+{\dot {\boldsymbol {\varepsilon }}})-L(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }})\right]dt=\int _{t_{1}}^{t_{2}}\;\left({\boldsymbol {\varepsilon }}\cdot {\frac {\partial L}{\partial \mathbf {q} }}+{\dot {\boldsymbol {\varepsilon }}}\cdot {\frac {\partial L}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}\right)\,dt\,\!}
。
這裏,將 はた 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 量 りょう
L
{\displaystyle L\,\!}
展開 てんかい 至 いたり
ε いぷしろん
(
t
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}(t)\,\!}
的 てき 一 いち 階 かい 微 ほろ 擾。
應用 おうよう 分部 わけべ 積分 せきぶん 法 ほう 於最右邊 うへん 項目 こうもく ,
δ でるた
S
=
[
ε いぷしろん
⋅
∂
L
∂
q
˙
]
t
1
t
2
+
∫
t
1
t
2
(
ε いぷしろん
⋅
∂
L
∂
q
−
ε いぷしろん
⋅
d
d
t
∂
L
∂
q
˙
)
d
t
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}=\left[{\boldsymbol {\varepsilon }}\cdot {\frac {\partial L}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}\right]_{t_{1}}^{t_{2}}+\int _{t_{1}}^{t_{2}}\;\left({\boldsymbol {\varepsilon }}\cdot {\frac {\partial L}{\partial \mathbf {q} }}-{\boldsymbol {\varepsilon }}\cdot {\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}\right)\,dt\,\!}
。
邊 あたり 界 かい 條件 じょうけん
ε いぷしろん
(
t
1
)
=
ε いぷしろん
(
t
2
)
=
d
e
f
0
{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}(t_{1})={\boldsymbol {\varepsilon }}(t_{2})\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ 0\,\!}
使 つかい 第 だい 一 いち 個 こ 項目 こうもく 歸 き 零 れい 。所以 ゆえん ,
δ でるた
S
=
∫
t
1
t
2
ε いぷしろん
⋅
(
∂
L
∂
q
−
d
d
t
∂
L
∂
q
˙
)
d
t
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}=\int _{t_{1}}^{t_{2}}\;{\boldsymbol {\varepsilon }}\cdot \left({\frac {\partial L}{\partial \mathbf {q} }}-{\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}\right)\,dt\,\!}
。
要求 ようきゅう 作 さく 用量 ようりょう 泛函
S
{\displaystyle {\mathcal {S}}\,\!}
平穩 へいおん 。這意味 あじ 著 ちょ ,對 たい 於正確 かく 運動 うんどう 的 てき 任意 にんい 微 ほろ 擾
ε いぷしろん
(
t
)
{\displaystyle {\boldsymbol {\varepsilon }}(t)\,\!}
,一 いち 次 じ 變 へん 分 ぶん
δ でるた
S
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}\,\!}
必須 ひっす 等 とう 於零:
δ でるた
S
=
∫
t
1
t
2
ε いぷしろん
⋅
(
∂
L
∂
q
−
d
d
t
∂
L
∂
q
˙
)
d
t
=
0
{\displaystyle \delta {\mathcal {S}}=\int _{t_{1}}^{t_{2}}\;{\boldsymbol {\varepsilon }}\cdot \left({\frac {\partial L}{\partial \mathbf {q} }}-{\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}\right)\,dt=0\,\!}
。
請注意 ちゅうい ,還 かえ 沒 ぼっ 有 ゆう 對 たい 廣義 こうぎ 座標 ざひょう
q
(
t
)
{\displaystyle \mathbf {q} (t)\,\!}
做任何 なん 要求 ようきゅう 。現在 げんざい ,要求 ようきゅう 所有 しょゆう 的 てき 廣義 こうぎ 座標 ざひょう 都 と 互相無關 むせき (完 かん 整 せい 限 げん 制 せい )。這樣,根據 こんきょ 變 へん 分 ぶん 法 ほう 基本 きほん 引理 ,可 か 以得到 いた 拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 方程式 ほうていしき :
∂
L
∂
q
−
d
d
t
∂
L
∂
q
˙
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial L}{\partial \mathbf {q} }}-{\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}=\mathbf {0} \,\!}
。
在 ざい 各個 かっこ 物理 ぶつり 學 がく 領域 りょういき ,拉 ひしげ 格 かく 朗 ろう 日 び 方程式 ほうていしき 都 と 被 ひ 認 みとめ 為 ため 是非 ぜひ 常 つね 重要 じゅうよう 的 てき 方程式 ほうていしき ,能 のう 夠用來 らい 精確 せいかく 地理 ちり 論 ろん 分析 ぶんせき 許多 きょた 物理 ぶつり 系統 けいとう 。
對應 たいおう 於廣義 こうぎ 座標 ざひょう
q
k
{\displaystyle q_{k}\,\!}
的 てき 廣義 こうぎ 動 どう 量 りょう
p
k
{\displaystyle p_{k}\,\!}
,又 また 稱 たたえ 為 ため 共軛 きょうやく 動 どう 量 りょう ,定義 ていぎ 為 ため
p
k
=
d
e
f
∂
L
∂
q
˙
k
{\displaystyle p_{k}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\partial L}{\partial {\dot {q}}_{k}}}\,\!}
。
假設 かせつ
L
{\displaystyle L\,\!}
不 ふ 顯 あらわ 性 せい 地 ち 跟廣義 こうぎ 座標 ざひょう
q
k
{\displaystyle q_{k}\,\!}
有 ゆう 關 せき ,
∂
L
∂
q
k
=
0
{\displaystyle {\frac {\partial L}{\partial q_{k}}}=0\,\!}
,
則 のり 廣義 こうぎ 動 どう 量 りょう
p
k
=
d
e
f
∂
L
∂
q
˙
k
{\displaystyle p_{k}\ {\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\ {\frac {\partial L}{\partial {\dot {q}}_{k}}}\,\!}
是 ぜ 常數 じょうすう 。在 ざい 此種狀況 じょうきょう ,座標 ざひょう
q
k
{\displaystyle q_{k}\,\!}
稱 たたえ 為 ため 循環 じゅんかん 座標 ざひょう 。舉例而言,如果用 よう 極座標 きょくざひょう 系 けい
(
r
,
θ しーた
,
h
)
{\displaystyle (r,\ \theta ,\ h)\,\!}
來 らい 描述一 いち 個 こ 粒子 りゅうし 的 てき 平面 へいめん 運動 うんどう ,而
L
{\displaystyle L\,\!}
與 あずか
θ しーた
{\displaystyle \theta \,\!}
無關 むせき ,則 のり 廣義 こうぎ 動 どう 量 りょう 是 ぜ 守恆 もりつね 的 てき 角 すみ 動 どう 量 りょう 。
Cornelius Lanczos, "The Variational Principles of Mechanics",(Dover Publications, New York, 1986), ISBN 0-486-65067-7 .這領域 りょういき 最 さい 常 つね 引用 いんよう 的 てき 參考 さんこう 書 しょ 。
列 れつ 夫 おっと ·朗 ろう 道 どう and E. M. Lifshitz, "Mechanics, Course of Theoretical Physics", 3rd ed., Vol. 1,(Butterworth-Heinenann, 1976), ISBN 0-7506-2896-0 .這本書 しょ 一開始就講解最小作用量原理。
Herbert Goldstein "Classical Mechanics", 2nd ed.,(Addison Wesley, 1980), pp. 35-69。
Thomas A. Moore "Least-Action Principle" in Macmillan Encyclopedia of Physics, Volume 2,(Simon & Schuster Macmillan, 1996), ISBN 0-02-897359-3 , OCLC 35269891 , pages 840–842。
Robert Weinstock, "Calculus of Variations, with Applications to Physics and Engineering",(Dover Publications, 1974), ISBN 0-486-63069-2 。非常 ひじょう 好 このみ 的 てき 古 こ 早 はや 書 しょ 。
Dugas, René, "A History of Mechanics",(Dover, 1988), ISBN 0-486-65632-2 , pp. 254-275。
表 おもて 述 じゅつ 形式 けいしき 基 もと 础概念 がいねん 重 じゅう 要理 ようり 论应用 科学 かがく 史 し 分 ぶん 支 ささえ
线性(平 ひら 动)的 てき 量 りょう
角度 かくど (转动)的 てき 量 りょう
量 りょう 纲
—
L
L2
量 りょう 纲
—
—
—
T
时间 : t s
位 い 移 うつり 积分 : A m s
T
时间 : t s
—
距离 : d , 位 くらい 矢 や : r , s , x , 位 い 移 うつり m
面 めん 积 : A m2
—
角度 かくど : θ しーた , 角 かく 移 うつり : θ しーた rad
立體 りったい 角 かく : Ω おめが rad2 , sr
T−1
頻 しき 率 りつ : f s−1 , Hz
速 はや 率 りつ : v , 速度 そくど : v m s−1
面積 めんせき 速 そく 率 りつ : ν にゅー m2 s−1
T−1
頻 しき 率 りつ : f s−1 , Hz
角 かく 速 そく 率 りつ : ω おめが , 角速度 かくそくど : ω おめが rad s−1
T−2
加速度 かそくど : a m s−2
T−2
角 すみ 加速度 かそくど : α あるふぁ rad s−2
T−3
加 か 加速度 かそくど : j m s−3
T−3
角 すみ 加 か 加速度 かそくど : ζ ぜーた rad s−3
M
质量 : m kg
ML2
轉 うたて 動 どう 慣量 : I kg m2
MT−1
动量 : p , 冲量 : J kg m s−1 , N s
作用 さよう 量 りょう : 𝒮 , actergy : ℵ kg m2 s−1 , J s
ML2 T−1
角 すみ 动量 : L , 角 すみ 衝量 : ι いおた kg m2 s−1
作用 さよう 量 りょう : 𝒮 , actergy : ℵ kg m2 s−1 , J s
MT−2
力 ちから : F , 重量 じゅうりょう : F g kg m s−2 , N
能 のう 量 りょう : E , 功 こう : W kg m2 s−2 , J
ML2 T−2
力 ちから 矩 のり : τ たう , moment : M kg m2 s−2 , N m
能 のう 量 りょう : E , 功 こう : W kg m2 s−2 , J
MT−3
加 か 力 りょく : Y kg m s−3 , N s−1
功 こう 率 りつ : P kg m2 s−3 , W
ML2 T−3
rotatum : P kg m2 s−3 , N m s−1
功 こう 率 りつ : P kg m2 s−3 , W