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La formulación Lagrangiana de la mecánica sin necesidad de recurrir a principios variacionales.

En algunos textos sobre mecánica clásica y no solo, las ecuaciones de Euler-Lagrange del movimiento se obtienen directamente como solución de problemas variacionales.
Por otro lado, a veces al leer sobre la mecánica hamiltoniana, uno encuentra la expresión de que esta última formulación es preferida a la lagrangiana porque evita completamente el uso de principios variacionales.

Esta observación me sugirió la siguiente pregunta:

¿Es el enfoque variacional de las ecuaciones de Euler-Lagrange el único viable?
Si no, ¿hay alguna razón que explique por qué la geometría de las ecuaciones Euler-Lagrange está mucho más oculta que la geometría de las ecuaciones Hamilton?

Estaba buscando sugerencias de lectura para abordar mejor esta pregunta.

Como siempre, cualquier comentario es bienvenido.

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Arnelism Puntos 558

¿Has intentado leer el libro de Arnold? Otras posibilidades incluyen los varios libros sobre la geometría de la mecánica clásica de Jerry Marsden (con varios coautores). Probablemente encontrarás las respuestas a tus preguntas aquí.

Aquí tienes algunos enlaces:

"Mecánica y Simetría" por Marsden y Ratiu

"Fundamentos de la Mecánica" por Abraham y Marsden

"Conferencias sobre Mecánica" por Marsden

"Métodos Matemáticos de la Mecánica Clásica" por Arnold

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reinierpost Puntos 4221

Solo voy a hacer un punto básico, por lo que pido disculpas si esto es completamente obvio para ti (también está contenido en la respuesta mucho más detallada de Igor Khavkine).

Sea $Q$ la variedad de configuración del sistema. El haz cotangente correspondiente $T^*Q$ tiene una forma simpléctica intrínseca $\omega=-d\Theta$, donde $\Theta$ es la forma uno tautológica en $T^*Q$. Para un Hamiltoniano $H:T^*Q\rightarrow \mathbb{R}$, las ecuaciones de Hamilton pueden expresarse en términos del campo vectorial de Hamilton $X_H$ (definido por $i_{X_H}\omega=dH$). Nótese que $\omega$ es intrínseco al espacio de fases $T^*Q$ y no depende del Hamiltoniano $H.

Ahora, dado un Lagrangiano $L:TQ\rightarrow\mathbb{R}$ y la correspondiente transformación de Legendre $\mathbb{F}L:TQ\rightarrow T^*Q$, y asumiendo aquí por simplicidad que $\mathbb{F}L$ es un difeomorfismo ("L es hiperregular"), se puede utilizar $\mathbb{F}L$ para devolver todo a $TQ$. $TQ$ se convierte en una variedad simpléctica, con forma simpléctica $\omega_L=(\mathbb{F}L)^*\omega$, y las ecuaciones de Euler-Lagrange son simplemente las ecuaciones para el flujo del campo vectorial de Hamilton $X_E$ definido por $i_{X_E}\omega_L = dE$, donde $E=(\mathbb{F}L)^*H = H\circ\mathbb{F}L$ es la función de energía en $TQ$. Supongo que el punto principal es que $TQ$ no es intrínsecamente una variedad simpléctica. La forma simpléctica $\omega_L$ también depende de la elección del Lagrangiano. Esta es una posible respuesta a por qué la formulación geométrica es más común en el lado hamiltoniano y parece estar `oculta' en el lado lagrangiano: la geometría de $TQ$ (en lo que respecta a las ecuaciones E-L) está relacionada con el Lagrangiano particular $L$, mientras que la geometría de $T^*Q$ es independiente del hamiltoniano particular $H`.

También recomendaría cualquiera de los libros de Jerry Marsden mencionados en la respuesta de Spiro Karigiannis como el mejor lugar para aprender esto (mi notación es consistente con la suya).

Editar: Debo aclarar que por 'transformada de Legendre' arriba me refiero (en coordenadas) al mapa $p_i(x, \dot{x}) = \frac{\partial L}{\partial \dot{x}^i}(x, \dot{x})$. Esto es estándar en la literatura, pero difiere del significado clásico $H(x, p) = p\dot{x}-L(x, \dot{x})` (donde $p_i = \frac{\partial L}{\partial \dot{x}^i}$).

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