5.1.3 — 상공간 위의 해밀턴 원리: 정준 방정식의 직접 도출
상공간 위의 작용 S=∫(pq˙−H)dt 의 변분 δS=0 에 대한 정밀한 계산. δq 와 δp 의 독립적 변분이 각각 정준 식 하나씩을 만든다.
본문이 말하는 것
§5.1.1 의 상공간 작용
S[q(⋅),p(⋅)]=∫t1t2[pαq˙α−H(q,p,t)]dt
의 변분을 직접 계산. q 와 p 가 독립적 으로 변분 — δqα(t), δpα(t) (끝점 고정).
δS=∫t1t2[δpαq˙α+pαδq˙α−∂qα∂Hδqα−∂pα∂Hδpα]dt
δq˙α=d(δqα)/dt 에 부분 적분:
∫pαdtdδqαdt=[pαδqα]t1t2−∫p˙αδqαdt
끝점 고정 → 경계 항 0. 정리하면
δS=∫t1t2[(q˙α−∂pα∂H)δpα−(p˙α+∂qα∂H)δqα]dt
δq, δp 가 임의 + 독립 → 두 괄호가 각각 0:
q˙α=∂pα∂H,p˙α=−∂qα∂H
— 정준 방정식. 변분 원리의 직접 결과.
한 번 더, 천천히
도해 설명 — q 와 p 의 독립성 이 본 변분 원리의 핵심 인 이유.
(a) §3.1 변분과의 차이. §3.1 에서 δq 만 변분, δq˙=d(δq)/dt 자동. 즉 변분의 자유도가 n. 본 절에서 δq, δp 둘 다 독립적 변분 — 변분의 자유도가 2n. 그래서 2n 개의 식 이 떨어진다.
(b) 변분 자유도와 식의 수. n 자유도의 라그랑주식이 n 개의 2차 ODE — 총 2n 정보 단위 (초기 위치 + 초기 속도). 같은 정보가 2n 개의 1차 ODE — 정준식 — 으로도 표현 가능. 본 절이 두 형식의 변분 원리 시점 등가성.
(c) δq, δp 의 독립성 의 기하학적 의미. δq 는 기저 다양체 M 의 변분, δp 는 여접번들 T∗M 의 섬유 (수직 방향) 변분. 두 변분이 직교 보충 — 위상공간의 완전한 변분 자유. 라그랑주 형식에서는 δq˙ 가 δq 의 종속 이라 수직 방향이 자동 결정.
(d) 경계 항의 미묘함. q 의 끝점 고정 (δq(t1)=δq(t2)=0) 이 자연. 그러나 p 의 끝점은 고정 필요 없음 — 위 변분 계산에서 p 에 대한 경계 항이 처음부터 없다. 이게 해밀턴 원리의 비대칭성 — *q 가 위치, p 가 상태 라는 물리적 차이 의 반영.
(e) §3 의 변분 원리와의 동치 증명. 본 절의 정준 방정식 + §4.1.2 의 르장드르 가역성으로 §3 의 EL 식이 다시 떨어진다. 즉 세 형식의 변분 원리 — §3 의 L 형식, 본 절의 H 형식, §3.1.4 의 1-형식 형식 — 가 완전히 동치.
(f) 카르탕 형식의 예고. §5.2.3 의 카르탕 원리 가 본 절의 변분 원리를 미분형식 어휘 로 정리한 기하학적 형식. δS=0⇔ω=−dθLext 가 실제 운동 곡선의 접벡터 의 contraction = 0. 좌표 자유 형식.
다음 절(5.1.4)로 가는 다리
본 절까지의 변분 원리는 Darboux 좌표 (q,p) 에 의존 한 표현. 좌표 자유 형식 — 심플렉틱 다양체 위의 변분 원리 — 가 §5.1.4 의 주제. 카르탕의 운동방정식 ιXω=dH (§4.2.2 회수) 의 변분 원리 시점 표현.