相空间中非完整可控力学系统的对称性摄动与绝热不变量

·
=τ
t
+ξ s
qs
+η s
ps
,
( 9)
约束方程( 1) 和方程( 6) 在无限小变换下保持形式不 变,即 φ β =0 ( β = 1 , …, g ; r =1 , … , b ; s = 1 , …, n ) , ( 10) H ＊ ＊ H · , p s =+Q s + Λ 11) qs = s .( ps qs
关键词 : 相空间 , 对称性 , 摄动 , 绝热不变量 PACC : 0320 可控力学系统在小扰动作用下的形式不变性摄动和 绝热不变量 , 证明了精确不变量与绝热不变量存在 的条件与形式 , 并举例说明结果的应用 . 1917 年 , Burgers 针对一类特殊的 Hamilton 系统 [ 1] 提出绝热不变量概念 , 绝热不变量又称缓慢不变 量或浸渐不变量 , 它是指当参数在缓慢变化时几 乎不变的量 , 实际上参数的缓慢变化等同于一个小 扰动作用 , 小扰动作用下对称性的改变及其不变量 与力学系统的近可积性之间有密切关系 , 有必要进 [ 3] 行研究 , 本文以此为模型进行研究 . 力学系统的运动依赖于作用力以及所加力的约 束 , 对约束力学系统的研究在物理学中具有重要的 意义 . 可控力学系统作为约束力学系统的扩充 , 长 期以来 , 人们对其研究并不是很多 , 但是随着近代 科学的进步 , 控制 理论在社会 中发挥着 越来越重 要的作用 , 这在很大 程度上 刺激了 可控力 学的发 展 , 使可 控 力 学的 研 究 具 有 重 要 的 理 论 和 现实 [ 4 — 13] 意义 . 文献[ 14 — 28] 研究各种力学系统的对称性摄动 与绝热不变量问题 , 得到了 Noether 形式的绝热不变 量 , 最近 , Zhang 等研究了 Lagrange 系统在小扰动作 用下 Lie 对 称 性 摄 动 , 得 到 Lagrange 系 统 的 一类 [ 29] Hojman 形式的高阶 绝热不变量 . 本文基于力学 系统高阶绝热不变量的定义 , 研究相空间中非完整
·
H · H , p s =+Qs + Λ s , ps qs
g
( 6) ( 7)
+ +
H 0 H· 0 H¨0 τ+ μ rτ + · μ rτ t μ r μ r
·0 H 0 0 · 0 ξ s + Hτ -( Qs +Λ s) ( ξ s -q s τ ) qs
Λ s =
β=1
∑λ
β
φ β qs
·
＊ ＊ ＊
H H · , p s =+Q s + Λ s +ε Ws , ( 17) qs ps
展开 φ β , H ,Qs 和 Λ s , 可得形式不变性确定方程 X ps qs { X
( 0) ( 0)
＊
＊
＊
＊
在ε Ws 的作用下 , 系统原有的对称性和不变量相应 地发生改变 , 假设这种改变是在系统无扰动的对称 变换基础上发生的小摄动 , 如果 τ ( t , qs , ps ) ,ξ s( t, qs , ps ) 和 η t , qs , ps ) 表示扰动后时间和空间对应 s( 的生成函数 , 则 0 1 2 2 τ=τ +ε τ +ετ + … ξ ξ s =ξ s +ε s +εξ s +… η s =η s +ε η s +εη s +… 且满足 ps ξ s · ·
· 程( 24) ,G ( t , qs , ps , μ 为规范函数 , 则 r , μ r)
k k k k k1
·k
·k
k
·
k
·
k1
k
( 24)
5.算 例
假设系统的 Lagrange 函数为
·2 ·2 L = 1( q +q 2) , 2 1
( 26) ( 27) ( 28)
Iz = ε ( p ξ -H τ +G )= const . ( 25) 是力学系统的一个 z 阶绝热不变量 . 证明 ( 25) 式两边对 t 求导 , 联合( 24) 式,有 ·k d k · k H k H· k I =ε p s ξ τμ s +p sξ s rτ dt z t μ r H¨k H· k H· k rτ p sτ - q sτ · μ ps qs μ r
·
0
0
-H τ +( Qs +Λ s) ( ξ s -q sτ ) +ε Ws ( ξ )+﹒ G =0 , s -q sτ ( 19)
11 期
夏丽莉等 : 相空间中 非完整可控力学系统的对称性摄动与绝热不变量
6185
式中 G 为规范函数 , 若记 G = G +ε G +εG + … X
( 0) k ( 0) k 0 1 2 2
g β =1
·
·
∑
φ β qs = 0 . · δ qs
( 2)
一般情况下方程( 1) 包含控制参数 μ r , 则系统 的运动微分方程可表示为 d dt φ β L L β · - q = Qs + ∑ λ · s β =1 qs qs ( 3)
· ·
g
( s = 1 , …, n ; β =1 , …, g ) ,
z z1 z1 z2 2 1 0 1 z z1
z1
z2
·
z2
· ·
z1 1
z+1
z
·
0
z
=τ
k
t
+ξ s
k
qs
+η s
k
ps
0
·
将( 18) ,( 20) 式代入( 12) ,( 13) ,( 19) 式 ,有 X ( φ β)=0 ,
( 0) k
·
1
3
2
·
2
·
z2
ps qs
{ X { X
( H) }= 0 , ( H) }= X
第 56 卷 第 11 期 2007 年 11 月 1000 -3290 2007 56( 11) 6183 -05
物 理 学 报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol . 56 , No . 11 , November , 2007 c2007 Chin . Phys . Soc.
相空间中非完整可控力学系统的对称性摄动 ＊ 与绝热不变量
[ 2]
1. 引
言
2. 系统的运动微分方程
研究一质点系 , 系统的位形由 n 个广义坐标 qs ( s= 1 , … , n) 来确定 . 系统的运动受 g 个 Chetaev 型 非完整可控约束 , φ t , qs , q s , μ β( r , μ r )= 0 ( β =1 , … , g ; r =1 , … , b ; s = 1 , …, n) , ( 1)
0 1 2 2 0 1 2 2
( φ β )= 0 ,
( 0)
( 12)
{ X
( H) }= 0 ,
( 0)
( H) }= X ( Qs + Λ s) .
0 0 0
( 13)
定理 1 如果无限小生成元 τ , ξ s , η s 满足方 程( 12) 和方程( 13) , 且存在规范函数 G =G ( t , qs , ps , μ r , μ r) 满足 p sξ s ·0 ·0 ·
·
,
其中的 H 和 Q s 均表示为 t , qs , ps 的函数 .Λ s 表示 为 t , qs , ps , μ r , μ r 的函数 .
·
0 0 · Hτ =p s ξ s + ps
H -Q - Λ 0 · 0 s s ( ξ s -q s τ ) qs
= ps + =0 . 定理 1 得证 .
夏丽莉 李元成
( 中国石油大学物理科学与技术学院 , 东营 257061) ( 2006 年 8 月 23 日收到 ; 2007 年 3 月 12 日收到修改稿)
研究相空间中非完整可控力学系统的对称 性摄动与 绝热不 变量 .列出 相空间 中未受扰 非完整 可控力 学系统 的形式不变性导致的 Noether 守恒量 . 基 于力学系统高阶绝热不变量的定义 , 研究小扰动作用 下相空间中非完整可 控力学系统的形式不变性摄动与绝热不变量 , 给 出了精确不变 量与绝热 不变量 存在的 条件与 形式 , 并举例 说明结 果的应用 .
( 0) ＊ s ＊ ＊ s ＊
4. 对称性摄动与绝热不变量
( 8) 首先 , 我们提出相空间中非完整可控力学系统 的高阶不变量的定义 . · 定义 1 若 I z ( t , qs , ps , μ ) 是力学系统 r , μ r , ε 的一个含有小参数 ε 的最高次幂为 z 的物理量 , 其 z +1 时间 t 的一阶导数正比于 ε , 则称 Iz 为力学系统 的 z 阶绝热不变量 . 假设非完整可控力学系统 ( 6) 受到了一个小扰 动ε Ws 的作用 , 则系统的运动微分方程变为 qs =
0 0 0
( 15)
方程( 3) 可表示为正则形式 qs =
·
H · H β , p =+Q s + ∑ λ 5) β · .( ps s qs β= 1 qs
设 系统非 奇异 , 可得 相空间 中与 非完 整系统 ( 1) ,( 3) 相应完整系统的运动方程 qs =
0 0
( 18)
H 0 H· 0 H¨0 H 0 τ- μ ξ rτ - · μ rτ t μ qs s r μ r
0