3.2 泊松括号

这里我们引入泊松括号,用它可以得到哈密顿方程的一个优雅而对称的表达式。考虑一个关于时间、坐标和动量的函数 F。沿路径 (t) = ( t, q(t), p(t) ) 的 F 的值为 (F o )(t) = F(t, q(t), p(t))。F o 的时间导数为

如果相空间路径是具有哈密顿量 H 的系统的可实现路径,那么 DqDp 可以用哈密顿方程重新表达:

其中 FH 的泊松括号 { F , H } 定义为 17

注意,相状态空间上两个函数的泊松括号也是相状态空间上的一个函数。

坐标选择器 Q = I1 是相状态空间上一个函数的例子:Q(t, q, p) = q。根据方程(3.79),

但这与哈密顿方程相同

类似地,动量选择器 P = I2 是相状态空间上的一个函数:P(t, q, p) = p。我们有

这与哈密顿的另一个方程相同

因此,泊松括号提供了一种统一的方式来书写哈密顿方程:

任意函数与其自身的泊松括号为零,因此我们恢复了对于没有显式时间依赖性的系统的能量守恒:

泊松括号的性质

FGH 是时间、位置和动量的函数,设 c 与位置和动量无关。

泊松括号是反对称的:

它是双线性的(对每个参数都是线性的):

泊松括号满足雅可比恒等式:

除(3.87-3.92)中的最后一个之外,所有性质都可以从定义立即验证。雅可比恒等式需要稍多一些功夫来验证。我们可以用计算机来避免一些工作。定义一些哈密顿类型的字面相状态空间函数:

(define F
  (literal-function 'F
    (-> (UP Real (UP Real Real) (DOWN Real Real)) Real)))

(define G
  (literal-function 'G 
    (-> (UP Real (UP Real Real) (DOWN Real Real)) Real)))

(define H
   (literal-function 'H
     (-> (UP Real (UP Real Real) (DOWN Real Real)) Real)))

然后我们验证雅可比恒等式:

(print-expression
 ((+ (Poisson-bracket F (Poisson-bracket G H))
     (Poisson-bracket G (Poisson-bracket H F))
     (Poisson-bracket H (Poisson-bracket F G)))
  (up 't (up 'x 'y) (down 'px 'py))))
0

残差为零,因此对于具有两个自由度的任意三个相状态空间函数,雅可比恒等式成立。

守恒量的泊松括号

守恒量的泊松括号是守恒的。设 FG 是时间无关的相状态空间函数:0 F = 0 G = 0。如果 FGH 的演化下守恒,则

因此 FGH 的泊松括号为零:{ F, H} = { G, H} = 0。于是雅可比恒等式意味着

因此

所以 { F, G } 是一个守恒量。两个守恒量的泊松括号也是一个守恒量。


17 在传统记号中,泊松括号写为