Полезное:
Как сделать разговор полезным и приятным
Как сделать объемную звезду своими руками
Как сделать то, что делать не хочется?
Как сделать погремушку
Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами
Как сделать идею коммерческой
Как сделать хорошую растяжку ног?
Как сделать наш разум здоровым?
Как сделать, чтобы люди обманывали меньше
Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили?
Как сделать лучше себе и другим людям
Как сделать свидание интересным?
Категории:
АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Навигация⇐ ПредыдущаяСтр 14 из 14 Теорема Нётер Https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%EE%F0%E5%EC%E0_%CD%B8%F2%E5%F0 [править | править вики-текст] Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к: навигация, поиск Теоре́ма Эмми Нётер утверждает, что каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует некоторый закон сохранения: Теорема обычно формулируется для систем, обладающих функционалом действия, и выражает собой инвариантность лагранжиана по отношению к некоторой непрерывной группе преобразований. Теорема установлена в работах учёных гёттингенской школы Д. Гильберта, Ф. Клейна и Э. Нётер. В наиболее распространенной формулировке была доказана Эмми Нётер в 1918 году. Содержание [убрать]
Формулировка[править | править вики-текст] Классическая механика[править | править вики-текст] Каждой однопараметрической группе диффеоморфизмов , сохраняющих функцию Лагранжа, соответствует первый интеграл системы, равный В терминах инфинитезимальных преобразований, пусть инфинитезимальное преобразование координат имеет вид и функция Лагранжа инвариантна относительно этих преобразований, то есть при Тогда у системы существует первый интеграл, равный Теорему можно обобщить на случай преобразований, затрагивающих также и время, если представить её движение как зависящее от некоторого параметра , причем в процессе движения . Тогда из преобразований следует первый интеграл Теория поля[править | править вики-текст] Теорема Нётер допускает прямое обобщение на случаи систем с бесконечным числом степеней свободы, примером которых являются гравитационное и электромагнитное поле. А именно, пусть функция Лагранжа системы зависит от потенциалов, зависящих, в свою очередь, от координат. Функционал действия будет иметь вид Пусть однопараметрическая группа диффеоморфизмов пространства потенциалов сохраняет функцию Лагранжа, тогда сохраняется вектор называемый вектором потока Нётер. По повторяющимся индексам подразумевается суммирование, . Смысл сохранения вектора потока Нётер в том, что поэтому поток через любую замкнутую поверхность в пространстве координат равен 0. В частности, если выделить среди координат одну, называемую временем, и рассмотреть гиперплоскости постоянного времени, то поток через такую гиперплоскость постоянен во времени, при условии достаточно быстрого спадения поля на бесконечности и некомпактности гиперповерхности, чтобы поток вектора через боковую границу области пространства между двумя гиперповерхностями был равен 0. В классической теории поля таким свойством обладает, например, тензор энергии-импульса для электромагнитного поля. В вакууме лагранжиан поля не зависит явно от координат, поэтому имеется сохраняющаяся величина, ассоциируемая с потоком энергии-импульса. Дифференциальные уравнения[править | править вики-текст] Пусть имеется вариационная задача с функционалом действия . Здесь — лагранжиан, — независимые переменные, — зависимые переменные, то есть функции от . может зависеть также и от производных по , не обязательно только первого порядка. Вариационная задача для такого функционала приводит к дифференциальным уравнениям Эйлера-Лагранжа, которые можно записать в виде , где — операторы Эйлера-Лагранжа: , — производная функции по переменной . Многоточие означает, что если зависит от производных порядка выше первого, то нужно добавить соответствующие слагаемые в . В компактной записи , где — мультииндекс. Суммирование ведётся по всем слагаемым таким, что производная входит в . Теорема Нётер связывает так называемые вариационные симметрии функционала с законами сохранения, выполняющимися на решениях уравнений Эйлера-Лагранжа. Законы сохранения[править | править вики-текст] Закон сохранения для системы дифференциальных уравнений — это выражение вида которое справедливо на решениях этой системы, то есть такое, что если подставить в него эти дифференциальные уравнения, получится тождество. В данном случае рассматриваются дифференциальные уравнения Эйлера-Лагранжа. Здесь — полная дивергенция (дивергенция с полными производными) по . — гладкие функции , и производных по . Тривиальными законами сохранения называются законы сохранения
Если для двух законов сохранения с функциями и разность даёт тривиальный закон сохранения, такие два закона сохранения называются эквивалентными. Всякий закон сохранения эквивалентен закону сохранения в характеристической форме — то есть такому, для которого , где — выражения, которые входят в определение системы дифференциальных уравнений: . Для описываемого случая и . зависят от , и производных по и называются характеристиками закона сохранения. Вариационные симметрии[править | править вики-текст] Пусть имеется обобщённое векторное поле . «Обобщённое» понимается в том смысле, что и могут зависеть не только от и , но и от производных по . Определение: называется вариационной симметрией функционала , если существует набор функций такой, что . — продолжение . Продолжение учитывает, что действие на и вызывает также инфинетизимальное изменение производных, и задаётся формулами . В формуле для продолжения необходимо брать, кроме , слагаемые с такими , для которых входят в или, в общем случае, в то выражение, на которое продолжение действует. Смысл определения вариационной симметрии состоит в том, что — это инфенитизимальные преобразования, которые в первом порядке меняют функционал таким образом, что уравнения Эйлера-Лагранжа преобразуются в эквивалентные. Справедлива теорема: если является вариационной симметрией, то является (обобщённой) симметрией уравнений Эйлера-Лагранжа: . Эта формула означает, что инфинетезимальные изменения выражений , записанные здесь в виде , обращаются в 0 на решениях. Характеристики векторных полей[править | править вики-текст] Набор функций (в обозначениях, данных выше) называется характеристикой векторного поля . Вместо можно брать векторное поле , которое называется эволюционным представителем . и определяют по сути одну и ту же симметрию, поэтому, если известны характеристики , можно считать, что тем самым задана и симметрия. Продолжение определяется аналогично продолжению , но формально проще, поскольку не нужно отдельно учитывать вклад от . Теорема Нётер устанавливает связь между характеристиками законов сохранения и характеристиками векторных полей. Теорема Нётер[править | править вики-текст] Обобщённое векторное поле определяет группу симметрий функционала в том и только в том случае, если его характеристика является характеристикой закона сохранения для соответствующих уравнений Эйлера-Лагранжа. Законы сохранения[править | править вики-текст] В классической механике законы сохранения энергии, импульса и момента импульса выводятся из однородности/изотропности лагранжиана системы — лагранжиан (функция Лагранжа) не меняется со временем сам по себе и не изменяется переносом или поворотом системы в пространстве. По сути это означает то, что при рассмотрении некой замкнутой в лаборатории системы будут получены одни и те же результаты — вне зависимости от расположения лаборатории и времени проведения эксперимента. Другие симметрии лагранжиана системы, если они есть, соответствуют другим сохраняющимся в данной системе величинам (интегралам движения); например, симметрия лагранжиана гравитационной и кулоновской задачи двух тел приводит к сохранению не только энергии, импульса и момента импульса, но и вектора Лапласа — Рунге — Ленца. Приложения[править | править вики-текст] Теорема Нётер позволяет получать значительную информацию о свойствах решений системы дифференциальных уравнений, основываясь лишь на их симметрии. Она также является одним из методов интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений, так как позволяет в некоторых случаях находить первые интегралы системы уравнений и таким образом понижать число неизвестных функций. Например:
В случае уравнений в частных производных необходимо, вообще говоря, искать бесконечное число первых интегралов. Даже зная их, обычно нелегко выписать общее решение. В силу своей фундаментальности, теорема Нётер используется в таких областях физики, как квантовая механика, для самого введения понятий импульса, момента импульса и т. д. Инвариантность уравнений относительно некоторых симметрий становится единственной сутью этих величин и гарантирует их сохранение. В квантовой теории поля аналогом теоремы Нётер являются тождества Уорда — Такахаси (англ.), позволяющие получить дополнительные законы сохранения. Например, закон сохранения электрического заряда следует из инвариантности физической системы относительно изменения фазы комплексной волновой функции частицы и соответствующей калибровки векторного и скалярного потенциала электромагнитного поля. Заряд Нётер также используется для вычисления энтропии стационарной чёрной дыры[1]. Примечания[править | править вики-текст]
Литература[править | править вики-текст]
Ссылки[править | править вики-текст]
<img src="//ru.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;" /> Источник — «http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Теорема_Нётер&oldid=64022133» Категории:
Навигация
|