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作用さようりょう

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ざい物理ぶつりがくうら作用さようりょうえい语:actionいち很特べつ、很抽象ちゅうしょうてき物理ぶつりりょう。它表示ひょうじちょいち動力どうりょく物理ぶつり系統けいとう內在てきえんじ趨向すうこう。雖然あずか微分びぶん方程式ほうていしき方法ほうほうだいあいどうさく用量ようりょう也可以被ようらい分析ぶんせき物理ぶつり系統けいとうてき運動うんどう所得しょとくいたてき答案とうあんしょうどうてきただ需要じゅよう設定せってい系統けいとうざい兩個りゃんこてんてき狀態じょうたいはつはじめ狀態じょうたいあずか最終さいしゅう狀態じょうたいしか經過けいかもとめかいさく用量ようりょうてき平穩へいおん,就可以得いた系統けいとうざい兩個りゃんこてんあいだごとてんてき狀態じょうたい

歷史れきし

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かわほこりなんじ·とく·於1662ねん發表はっぴょうりょう原理げんり。這原理げんり闡明せんめいひかり傳播でんぱてき正確せいかくみちしょ需的時間じかん必定ひつじょうごく。這原理げんりざい物理ぶつり學界がっかい造成ぞうせいりょう很大てき震撼しんかん不同ふどううしひたぶる運動うんどう定律ていりつてき機械きかいせい現今げんこん,一個物理系統的運動擁有了展望與目標。

ほことくどるさととく·萊布あまいばら同意どういてき理論りろんみとめためこうおう選擇せんたくさい容易ようい傳播でんぱてきみち於1682ねん發表はっぴょうりょうてき理論りろんひかり傳播でんぱてき正確せいかくみちおう該是阻礙最小さいしょうてきみちさら精確せいかくせつ,阻礙與みちちょうてきじょうせき最小さいしょう值的みち。這理ろんゆういち難題なんだい,如果よう符合ふごう實驗じっけんてき結果けっか玻璃はりてき阻礙必須ひっすしょう於空てき阻礙;ただし玻璃はりてき密度みつどだい於空おう玻璃はりてき阻礙かいだい於空てき阻礙。萊布あまいばらため提供ていきょうりょういちれいじんひゃくおもえてき辯解べんかい。較大てき阻礙使とくこう較不容易ようい擴散かくさんいん此,光被こうひ約束やくそくざい一個很窄的路徑內。かりわかかわどうへん窄,みずてき流速りゅうそくかい增加ぞうか同樣どうようひかりてきみちへん窄,所以ゆえんこうてき速度そくどへんかいりょう

1744ねんかわほこりなんじ·莫佩なんじざいいちへん論文ろんぶん《The agreement between the different laws of Nature that had, until now,seemed incompatiable》ちゅう發表はっぴょうりょう最小さいしょうさく用量ようりょう原理げんりひかり選擇せんたくてき傳播でんぱみち作用さようりょう最小さいしょう定義ていぎさく用量ようりょうため移動いどう速度そくどあずか移動いどう距離きょりてきじょうせきよう原理げんり證明しょうめいりょう原理げんりひかり傳播でんぱてき正確せいかくみちしょ需的時間じかんこれごく也計算出さんしゅつこうざい反射はんしゃあずかどうかいしつ傳播でんぱてき正確せいかくみち。1747ねん,莫佩なんじ蒂在另いちへん論文ろんぶん《On the laws of motion and of rest》ちゅう應用おうよう原理げんり碰撞正確せいかく分析ぶんせきりょう彈性だんせい碰撞あずか弹性碰撞;這兩しゅ碰撞さい需要じゅようよう不同ふどうてき理論りろんらい解釋かいしゃく

萊昂哈德·おうひしげざい同年どうねん發表はっぴょうりょういちへん論文ろんぶん《Method for finding curves having a minimal or maximal property or solutions to isoperimetric problems in the broadest accepted sense》 ;其中,表明ひょうめい物體ぶったいてき運動うんどう遵守じゅんしゅぼうたね物理ぶつりりょうごく定律ていりつ,而這物理ぶつりりょう應用おうよう這理ろんおうひしげ成功せいこうてきけい算出さんしゅつとう粒子りゅうし受到れん心力しんりょく作用さよう正確せいかくてき拋射たい運動うんどう

ざい此以許多きょた物理ぶつりがく包括ほうかつやく瑟夫·ひしげかくろうかど·哈密とみ查德·ひとしひとしたい於作用量ようりょうゆう不同ふどうてき見解けんかい。這些見解けんかいたい於物理學りがくてき發展はってん貢獻こうけん甚多。

概念がいねん

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微分びぶん方程式ほうていしきつねもちいらいひょう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ずいちょ極小きょくしょうてき時間じかん位置いちある其他變數へんすうてき變化へんかいち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てき改變かいへんさいじょう物理ぶつり變數へんすうざいぼう些點てきやめすう值或やめしるべすう值,就能もとめ物理ぶつり變數へんすう在任ざいにんなんてんてきすう值。

作用さようりょう方法ほうほういちしゅ全然ぜんぜん不同ふどうてき方法ほうほう,它能夠描じゅつ物理ぶつり系統けいとうてき運動うんどう,而且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ざいりょうてんてきすう值,しょうためはつはじめ值與最終さいしゅう值。經過けいか作用さようりょう平穩へいおんてき演算えんざん以得いた,此變すうざい這兩てんあいだにんなんてんてきすう值。而且,作用さようりょう方法ほうほう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いたてき答案とうあん完全かんぜんしょうどう

哈密ひたぶる原理げんり闡明せんめいりょう這兩しゅ方法ほうほうざい物理ぶつりがくあたいてき等價とうか:描述物理ぶつり系統けいとう運動うんどうてき微分びぶん方程式ほうていしき,也可以用いち等價とうかてき積分せきぶん方程式ほうていしきらい描述。無論むろんせき經典きょうてん力學りきがくなかてきいち單獨たんどく粒子りゅうしせき經典きょうてんじょうぞう電磁場でんじばある重力じゅうりょくじょう,這描じゅつ是正ぜせいかくてきさら加地かじ,哈密ひたぶる原理げんりやめけい延伸えんしんいたり量子力學りょうしりきがくあずか量子りょうしじょうろんりょう

ようへんぶんほう數學すうがくげんらい描述,もとめかいいち物理ぶつり系統けいとうさく用量ようりょうてき平穩へいおん通常つうじょう最小さいしょう值),以得いた系統けいとう隨時ずいじあいだてきえんじ(就是せつ系統けいとう怎樣したがえ一個狀態演化到另外一個狀態)。さら廣義こうぎ系統けいとうてき正確せいかくえんじたい於任なにほろ必須ひっす平穩へいおんてき。這要求ようきゅうしるべ致出描述正確せいかくえんじてき微分びぶん方程式ほうていしき

作用さようりょう形式けいしき

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ざい經典きょうてん物理ぶつりうら作用さようりょう這術いたりしょうゆうななしゅ不同ふどうてき意義いぎまい一種不同的意義有它不同的表達形式。

作用さようりょう(泛函)

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さい常見つねみてき作用さようりょういち泛函輸入ゆにゅうさんすうため時間じかんあずか空間くうかんてき函數かんすう輸出ゆしゅついち純量じゅんりょうざい經典きょうてん力學りきがくうら輸入ゆにゅう函數かんすう物理ぶつり系統けいとうざい兩個りゃんこ時間じかんてんこれあいだ廣義こうぎ座標ざひょうてきえんじへん

作用さようりょう定義ていぎためざい兩個りゃんこ時間じかんてんあいだ系統けいとうてきひしげかくろうりょうたい於時あいだてき積分せきぶん

根據こんきょ哈密ひたぶる原理げんり正確せいかくてきえんじ要求ようきゅう平穩へいおんてき作用さようりょう最小さいしょう值、最大さいだい值、くら)。經過けいか運算うんざん結果けっか就是ひしげかくろう方程式ほうていしき

簡略かんりゃく作用さようりょう(泛函)

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簡略かんりゃくさく用量ようりょう也是いち泛函,通常つうじょう標記ひょうきため。這裏,輸入ゆにゅう函數かんすう物理ぶつり系統けいとう移動いどうてきいちじょうみち完全かんぜん考慮こうりょ時間じかんさんすう。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;ざい這兩しゅ狀況じょうきょうみちみち粒子りゅうしてき移動いどう速度そくど無關むせき簡略かんりゃくさく用量ようりょう定義ていぎため廣義こうぎどうりょう沿著みちてき積分せきぶん

其中,廣義こうぎ座標ざひょう根據こんきょ莫佩なんじ原理げんり正確せいかくみちてき簡略かんりゃくさく用量ようりょう平穩へいおんてき

哈密ひたすらしゅ函數かんすう

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しゅ條目じょうもく哈密ひたすらしゅ函數かんすう

哈密ひたすらしゅ函數かんすうよし哈密とみ-みやび方程式ほうていしき定義ていぎてき。哈密とみ-みやび方程式ほうていしき經典きょうてん力學りきがくてきいちしゅひょうじゅつ。哈密ひたすらしゅ函數かんすうあずか泛涵ゆうみつきりてき關係かんけい固定こてい住初すみぞめはじめ時間じかんかず其對おうてき座標ざひょうてん;而准もと時間じかん上限じょうげんかず其對おうてき座標ざひょうてんてき改變かいへんため函數かんすうてきさんすうかわはなしせつ作用さようりょう函數かんすうこれひしげかくろうりょうたい於時あいだてき不定ふてい積分せきぶん

さら加地かじ證明しょうめいぼう常數じょうすうむこうりょう所以ゆえん

哈密ひたぶる特徵とくちょう函數かんすう

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しゅ條目じょうもく哈密ひたぶる特徵とくちょう函數かんすう

かりわか哈密ひたぶるりょう守恆もりつねてき

其中,常數じょうすう

設定せってい哈密ひたぶる特徵とくちょう函數かんすうため

のり哈密ひたぶる特徵とくちょう函數かんすういち作用さようりょう

さら加地かじ

たい於時あいだ積分せきぶん

這正簡略かんりゃくさく用量ようりょうてき方程式ほうていしき

哈密とみ-みやびかたほどてき其他かい

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しゅ條目じょうもく哈密とみ-みやび方程式ほうていしき

哈密とみ-みやび方程式ほうていしき經典きょうてん力學りきがくてきいちしゅひょうじゅつかりわか,哈密とみ-みやび方程式ほうていしき完全かんぜん可分かぶんてきそく哈密ひたすらしゅ函數かんすうぶんだしてきごといち項目こうもく也稱ため"さく用量ようりょう"。

作用さようりょう-角度かくど座標ざひょう

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しゅ條目じょうもく作用さようりょう-角度かくど座標ざひょう思考しこういち作用さようりょう-角度かくど座標ざひょうてき廣義こうぎどうりょう變數へんすう定義ていぎためざいあい空間くうかん內,せき於轉どう運動うんどうあるとろけ運動うんどう廣義こうぎどう量的りょうてき閉路へいろみち積分せきぶん

這變すうしょうため廣義こうぎ座標ざひょうてき作用さようりょう相應そうおうてき正則せいそく座標ざひょうこれ角度かくど不同ふどう於前めん簡略かんりゃくさく用量ようりょう泛函ようてんせきらい積分せきぶんこうりょう;這裏,ただゆういち純量じゅんりょう變數へんすうもちいらい積分せきぶん作用さようりょうとう於,ずいちょ沿著閉路へいろみちてき改變かいへん應用おうよう於幾おきゆうおもむきてき物理ぶつり系統けいとうあるもの常數じょうすうあるもの改變かいへん非常ひじょう慢。よし此,どきつね應用おうようほろ擾理ろんあずかなるやや變量へんりょうてき研究けんきゅう

哈密とみ流作りゅうさく用量ようりょう

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まいり重言じゅうげん1形式けいしき

數學すうがくしるべ

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哈密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てき運動うんどう是正ぜせいかく運動うんどうのり作用さようりょう泛函てきいちへんぶんためれい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さく用量ようりょうため

其中,系統けいとうてきひしげかくろう函數かんすう廣義こうぎ座標ざひょう時間じかんてき函數かんすう

かりわか系統けいとうてき正確せいかく運動うんどうのり

したがえ哈密ひたぶる原理げんり以導引出ひしげかくろう方程式ほうていしき假設かせつ系統けいとうてき正確せいかく運動うんどうゆずるなりためいちほろほろ擾在軌道きどう兩個りゃんこ端點たんてんてき值是れい

いたりてきいちかいほろ擾,作用さようりょう泛函てきいちへんぶんため

這裏,はたひしげかくろうりょう展開てんかいいたりてきいちかいほろ擾。

應用おうよう分部わけべ積分せきぶんほう於最右邊うへん項目こうもく

あたりかい條件じょうけん使つかいだいいち項目こうもくれい所以ゆえん

要求ようきゅうさく用量ようりょう泛函平穩へいおん。這意あじちょたい於正かく運動うんどうてき任意にんいほろいちへんぶん必須ひっすとう於零:

注意ちゅういかえぼっゆうたい廣義こうぎ座標ざひょう做任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てき廣義こうぎ座標ざひょう互相無關むせきかんせいげんせい)。這樣,根據こんきょへんぶんほう基本きほん引理以得いたひしげかくろう方程式ほうていしき

ざい各個かっこ物理ぶつりがく領域りょういきひしげかくろう方程式ほうていしきみとめため是非ぜひつね重要じゅうようてき方程式ほうていしきのう夠用らい精確せいかく地理ちりろん分析ぶんせき許多きょた物理ぶつり系統けいとう

對應たいおう廣義こうぎ座標ざひょうてき廣義こうぎどうりょうまたたたえため共軛きょうやくどうりょう定義ていぎため

假設かせつあらわせい廣義こうぎ座標ざひょうゆうせき

のり廣義こうぎどうりょう常數じょうすうざい此種狀況じょうきょう座標ざひょうたたえため循環じゅんかん座標ざひょう。舉例而言,如果よう極座標きょくざひょうけいらい描述いち粒子りゅうしてき平面へいめん運動うんどう,而あずか無關むせきのり廣義こうぎどうりょう守恆もりつねてきすみどうりょう

まいり

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外部がいぶ連結れんけつ

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參考さんこう文獻ぶんけん

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  • Cornelius Lanczos, "The Variational Principles of Mechanics",(Dover Publications, New York, 1986), ISBN 0-486-65067-7.這領域りょういきさいつね引用いんようてき參考さんこうしょ
  • れつおっと·ろうどう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非常ひじょうこのみてきはやしょ
  • Dugas, René, "A History of Mechanics",(Dover, 1988), ISBN 0-486-65632-2, pp. 254-275。