よみもの:解析力学

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解析力学(かいせきりきがく、analytical mechanics)は、主に直交座標を用いて記述されたニュートン力学数学的に洗練し、様々な状況を簡単に数式で表すためにオイラー、ラグランジュ、ハミルトン等によって作られた力学の体系である。古典力学の集大成であり、解析力学的な考え方は統計力学量子力学相対性理論などの現代物理学に引き継がれている。

ここはそんな解析力学を一から導出してしまおう、という趣旨で書いてみた記事である。最終的には、ここにわかりやすい教科書のようなものが出来上がればいいな。

序論[編集]

位置と速度[編集]

ある座標系に存在する全ての物体の位置座標qiをずらーっと並べて書いた集合を{qi}と表し、これを位置と呼ぶ(たとえば、3次元直交座標系にN個の質点がある場合、{qi}の成分の数は3N個となる)。

位置の各成分を時間で微分したものの集合、すなわち{q˙i}速度と呼ぶ。

このとき、各qiおよびq˙iはそれぞれ時刻tの関数であるから、それぞれ

qi=qi(t)

q˙i=q˙i(t)

と表せる。

とりあえず、ある時刻の({qi})配置と呼び、{qi(t)}の関数形を過程と呼ぶことにする。

保存力とポテンシャル[編集]

直交座標系({xj})において、位置({xj})と時刻tの関数U=U({xj},t)を用いて、力fjfj=Uxjと表せるとき、この力を保存力と呼び、

そしてこのときのUポテンシャルと呼ぶ。

また、保存力でない力fj=sj非保存力と呼ぶ

ラグランジュ形式[編集]

解析力学の基礎には、物理学に様々な形で登場する変分原理の一つであるハミルトンの原理が登場する。変分原理は他にも、光に適用できるフェルマーの原理や、電磁気学におけるディリクレの原理などがある。このような考え方は量子力学の基礎にもなっている。ここでは、ニュートン力学とハミルトンの原理から、ニュートンの運動方程式よりも適用範囲の広いラグランジュ方程式を導出する。

ハミルトンの原理[編集]

非保存力が存在しない系が配置A(時刻:tA)から配置B(時刻:tB)に変化するとき、

I=tAtBL({qi},{q˙i},t)dt

とおき、いまのところ謎の関数L=L({qi},{q˙i},t)に含まれる{qi}の各成分を、微小なδqi=δqi(t)だけ変化させるとき、{q˙i}の各成分も微小にδq˙i=ddtδqi(t)だけ変化することになる。

ただし、配置A、配置Bそれぞれのときの{qi}はすでに決めたため、δqi(tA)=δqi(tB)=0である。

このとき、Lの変化量は

δL=L({qi+δqi},{q˙i+δq˙i},t)L({qi},{q˙i},t)

である。さらに、このときのIの変化量は

δI=tAtBL({qi+δqi},{q˙i+δq˙i},t)dttAtBL({qi},{q˙i},t)dt 

すなわち、δI=tAtB(L({qi+δqi},{q˙i+δq˙i},t)L({qi},{q˙i},t))dt

である。よって

δI=tAtBδLdt

である。 このとき、"δI=0となるような過程のみが実現する"と仮定する。

そして、この仮定をハミルトンの原理と呼び、I作用と呼び、

ハミルトンの原理をみたすLラグランジアンと呼ぶ。

ラグランジュ方程式[編集]

さて、{qi}のある1成分qiのみをδqiだけ微小変化させるとき、q˙iも微小にδq˙iだけ微小変化することになる。よって、このときLは、

δL=Lqiδqi+Lq˙iδq˙i だけ変化することになる。よって、

δI=tAtB(Lqiδqi+Lq˙iδq˙i)dt

となる。よって、

δI=tAtBLqiδqidt+tAtBLq˙iδq˙idt

である。ここで第2項にのみ部分積分を用いると、

δI=tAtBLqiδqidt+[Lq˙iδqi]tAtBtAtBddt(Lq˙i)δqidt

となる。第1項と第3項をまとめ、第2項を展開すると、

δI=tAtB(LqiddtLq˙i)δqidt+(Lq˙i(tB)δqi(tB)Lq˙i(tA)δqi(tA))

となる。ここでδqi(tA)=δqi(tB)=0だったから、後半部分が0となり、

δI=tAtB(LqiddtLq˙i)δqidt

となる。ここで、δqi=δqi(t)がどんな関数形だったとしてもδI=0となるためには

LqiddtLq˙i=0

となっていればよい。この式をラグランジュ方程式と呼ぶ。

ラグランジュ方程式は、ハミルトンの原理と同じことを言っている式である。

ラグランジアンの具体的な形[編集]

直交座標を用いてある系の運動エネルギーの合計Tを表すと、

T=j12mjxj˙2

となる。ここでmjは、各x˙jに対応する質量である。この式から、

Tx˙j=mjx˙j

である。また、T=T({x˙j({qi},{q˙i})})と表せることから、

Tq˙i=jx˙jq˙iTx˙j

である。また、xj=xj({qi(t)})と表せることから、

x˙j=ixjqiq˙i

である。よって

x˙jq˙i=xjqi

となる。以上のことから、

Tq˙i=jxjqimjx˙j

である。ここで、pi=Tq˙iとおく。

pi=jxjqimjx˙j

となる。両辺を時間で微分すると、

p˙i=ddt(jxjqimjx˙j)

となる。ここで、各miは時間変化しないから、

p˙i=jmjddt(x˙jxjqi)

となる。ここで、時間微分の部分を展開してシグマを2つに分けると、

p˙i=jxjqimjx¨j+ix˙jqimjx˙j

また、ニュートン力学の運動方程式より、

fj=mjx¨j

である。以上のことから、

p˙i=jxjqifj+jx˙jqiTx˙j

である。よって

p˙i=jxjqifj+Tqi

である。ここで、Fi=jxjqifjとおき、これをと呼ぶ。すると、

p˙i=Fi+Tqi

となる。ここで、直交座標においての力fiが保存力Uxjと非保存力sjで構成されているとき、

Fi=jxjqi(Uxj+sj)

であるから

Fi=jxjqiUxj+jxjqisj

となり

Fi=Uqi+jxjqisj

となる。ここで、非保存力sjから導かれた力jxjqisjSiと表し、これも非保存力と表すことにすると、

Fi=Uqi+Si

となる。以上のことから、

p˙i=Uqi+Si+Tqi

である。第1項と第3項をまとめると、

p˙i=(TU)qi+Si

となる。ここで、運動量の定義から

ddtTq˙i=(TU)qi+Si

である。また、U=U({xi({qi})},t)と表せるから、

Uq˙i=0

である。以上のことから、

ddt(Tq˙iUq˙i)=(TU)qi+Si

となり、よって

ddt(TU)q˙i(TU)qi=Si

である。ここで、直交座標においての非保存力sjがすべて0のとき、非保存力Siもすべて0であるから、

ddt(TU)q˙i(TU)qi=0

となる。これはラグランジュ方程式そのものであるから、TUはラグランジアンであるといえる。

そこで、L=TUとおくと、

Lq˙i=Tq˙iUq˙i

であり、Uq˙i=0であったから、

Lq˙i=Tq˙i

であり、

Lq˙i=pi

であることがわかる。これを運動量と呼ぶ。

また、ある時刻の位置と運動量をすべて並べて書いた({qi},{pi})状態と呼ぶ。

ハミルトン形式[編集]

ニュートン力学の適用範囲を広げたラグランジュ形式であったが、ここでは、ラグランジュ方程式からさらに適用範囲を広げたハミルトンの正準方程式を導出する。その際、ルジャンドル変換という数学的テクニックが用いられているが、それは知らなくても理解できる。

ハミルトンの正準方程式[編集]

以下では、非保存力Siがない場合について考える。このとき、

H=ipiq˙iL

とおき、これをハミルトニアンと呼ぶ。すると、Hの微小変化dHは、

dH=i(dpiq˙i+pidq˙i)dL

であり、よって

dH=i(dpiq˙i+pidq˙i)iLq˙idq˙i

となる。ここで、前節より

Lq˙i=pi

だったから、

dH=i(dpiq˙i+pidq˙i)ipidq˙i

であり、

dH=iq˙idpi

である。よって、全微分と偏微分の関係から

q˙i=Hpi

とわかる。

また、ハミルトニアンの定義より、

Hqi=Lqi

であり、また

Lq˙i=pi

であったから

p˙i=Hqi

となる。以上で

q˙i=Hpi


p˙i=Hqi


の2式が導けた。この2式をハミルトンの正準方程式と呼ぶ。

位相空間[編集]

対象としている系に属する全ての物体の位置と運動量を成分とする座標({qi},{pi})を考え、この座標によって表される空間を位相空間と呼ぶ。系の状態はこの空間の点によって表され、この点を系の代表点と呼ぶ。代表点はハミルトンの正準方程式に従い時刻とともに動いていき、位相空間内に軌道を描く。この軌道をトラジェクトリと呼ぶ。

リウヴィルの定理[編集]

リウヴィルの定理とは、位相空間においての代表点が時間の経過とともにどこかに集まってしまったり、逆に散らばってしまうことはないという定理である。以下で証明する。

ある代表点iの近傍における代表点の数密度をρ=ρ({qi},{pi},t)とおく。

iの位相空間内での「速度」は({qi˙},{pi˙})と表せる。このとき、代表点が増減しないことから、連続の方程式が成立し、

ρt=i(qi(ρq˙i)+pi(ρp˙i)) 

が成り立つ。これを展開すると

ρt=i(ρqiq˙i+ρq˙iqi+ρpip˙i+ρp˙ipi)

となる。ここにハミルトンの正準方程式を代入すると、

ρt=i(ρqiq˙i+ρqiHpi+ρpip˙iρpiHqi)

よって

ρt=i(ρqiq˙i+ρpip˙i)

0=ρt+i(ρqiq˙i+ρpip˙i)


となる。ここで、

dρdt=ρt+i(ρqiq˙i+ρpip˙i)

である。以上の2式より、

dρdt=0

が成り立つ。

参考文献[編集]