辛标记

✍ dations ◷ 2025-07-08 16:52:18 #经典力学,哈密顿力学,辛几何

在哈密顿力学里,因为哈密顿方程对于广义坐标 q {\displaystyle \mathbf {q} \,\!} 与广义动量 p {\displaystyle \mathbf {p} \,\!} 的运算在正负号上并不对称,必须用两个方程来表示:

这里, H {\displaystyle {\mathcal {H}}\,\!} 是哈密顿量。

辛标记提供了一种既简单,又有效率的标记方法来展示方程及数学运算。辛标记的英文名 “Symplectic notation” 最先是德国著名数学家赫尔曼·外尔提出的。 Symplectic 这字原来在希腊文是纠缠或编结的意思;用在这里主要是形容广义坐标和广义动量互相编结在一起的情况。

设定一个 2 N × 1 {\displaystyle 2N\times 1\,\!} 的竖矩阵 ξ {\displaystyle {\boldsymbol {\xi }}\,\!}  :

此矩阵上半段是广义坐标、下半段是广义动量、 T {\displaystyle T\,\!} 代表转置运算。我们也可以将 ξ {\displaystyle {\boldsymbol {\xi }}\,\!} 视为一个向量。

定义辛矩阵 Ω {\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}\,\!} 为一个斜对称的 2 N × 2 N {\displaystyle 2N\times 2N\,\!} 方块矩阵:

这里, Ω {\displaystyle {\boldsymbol {\Omega }}\,\!} 是由 4 个 N × N {\displaystyle N\times N\,\!} 零矩阵 0 {\displaystyle \mathbf {0} } 与单位矩阵 1 {\displaystyle \mathbf {1} } 组成。

这样,哈密顿方程可以简易的表示为

正则变换是一种正则坐标的改变,而同时维持哈密顿方程的形式,虽然哈密顿量可能会改变。所以,使用正则变换,正则坐标会从旧正则坐标 ξ {\displaystyle {\boldsymbol {\xi }}\,\!} 改变成新正则坐标 Ξ {\displaystyle {\boldsymbol {\Xi }}\,\!} ξ Ξ {\displaystyle {\boldsymbol {\xi }}\rightarrow {\boldsymbol {\Xi }}\,\!} ;哈密顿量也从旧的哈密顿量 H {\displaystyle {\mathcal {H}}\,\!} 改变成新的哈密顿量 K {\displaystyle {\mathcal {K}}\,\!} H K {\displaystyle {\mathcal {H}}\rightarrow {\mathcal {K}}\,\!} ;但是,哈密顿方程的形式仍旧维持不变:

在相空间中,用正则坐标 q ,   p {\displaystyle \mathbf {q} ,\ \mathbf {p} \,\!} ,两个函数 f ( q ,   p ) ,   g ( q ,   p ) {\displaystyle f(\mathbf {q} ,\ \mathbf {p} ),\ g(\mathbf {q} ,\ \mathbf {p} )\,\!} 的泊松括号记作:

用辛标记,

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