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词条 哈密顿-雅可比方程
释义 hamidun-yakebi fangcheng
哈密顿-雅可比方程(卷名:力学)
Hamilton-Jacobi equation
  分析力学中求解动力学问题的一个方程,它把质点系动力学中的动力方程用偏微分方程的形式来表示。对于N自由度的完整系统,此方程可写作:
  
, (1)

式中H=T2-T0+V是哈密顿函数(见正则方程),其中各广义动量pi必须用来代替,S称哈密顿主函数。方程  (1)是W.R.哈密顿于1834年发表的,以此方程求解动力学问题,尚需用1837年建立的雅可比定理,故方程(1)称为哈密顿-雅可比方程。
  建立哈密顿-雅可比方程的方法,对保守系统(H=E)可从系统的总机械能E的表示式T+V入手。例如,质量为m的质点在重力场内做抛射体运动,其机械能 (见能)可写作:
  

将等代入并利用式(1),得:
  
。

又如,行星绕太阳运转的哈密顿函数为:
   
,

式中m为行星的质量;μ=G(mS+m),mS为太阳质量;G为万有引力常数; λ 和θ分别表示行星的黄经和黄纬。用代换,得:
    

     
  雅可比定理可表述为:不论用何种方法,若自方程(1)求出包含 N个任意常数(α1,α2,…,αN)的一个解(称为全积分)S(q1,q2,…,qN;α1,α2,…,αN;t)(简写为S),则所给力学问题的正则方程的解就是:
   
。  (2)

最后尚需将 2N个积分常数αi,βi(i=1,2,…,N)用初始条件表示出来。
  对于保守系统,H=E(常量,可令为α1),于是积分方程(1),得:
         S=-α1t+S1,式中S1不再含时间t。
  如果 H 中不含qi, 则 qi为可遗坐标, 因之有积分pi=αi(常量)。由方程(2)的第二式积分后便有:
        S =αiqi+S2 (i厵1),式中S2不再含qi。
  结合以上两种情况,对于具有r 个可遗坐标(设为q2,q3,…,qr+1)的保守系统,S可写为:
     

式中Sm(q,α)为除时间t和可遗坐标q2,…,qr+1以外其他各q,α的函数。
  对于工程上的保守系统, 不宜采用此法, 因为推导繁琐,但它对天体力学的摄动法大有帮助。若用算符代替px,py,pz,再将机械能E用代替,则方程式(1)就变成波动力学中的薛定谔方程:
    

式中h为普朗克常数;Ψ为与S对应的波函数。
  参考书目
 W. M. Smart, Celestial MechanicsSons,Glasgow,1953.
 汪家訸编:《分析力学》, 高等教育出版社, 北京,1983。
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更新时间:2026/10/6 17:50:16