约束力学系统的对称性与正则坐标方法研究

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正则坐标是通过坐标变换得到的,该坐标变换将单参数Lie群变为了平移群,这一性质常被用来求微分方程的解。在解方程的时候,通过合理选取正则坐标不但可以使微分方程达到降阶的目的,而且在特定的领域上可以反映体系的物理本性。本文将正则坐标方法的应用拓展到约束力学系统,包括拉格朗日系统,非保守系统和非完整系统,该方法为求系统的守恒量提供了一种途径,并且通过选取不同的正则坐标,获得不同的系统守恒量。  首先,作为对正则坐标方法的应用在约束力学系统的拓展,本文从建立求完整系统的正则坐标的方程出发,包括单自由度完整系统和n自由度完整系统,根据Lie对称性理论与正则坐标之间的联系建立了求解正则坐标的方程,最后利用正则坐标的定义和相关性质,根据降阶的需求选取合适的坐标得到了系统的第一积分基本形式,并利用多个例子说明了正则坐标方法在完整系统中的应用。  然后,我们研究了非完整系统守恒量的正则坐标方法求解。对于非完整约束力学系统,基于微分方程在单参数Lie点变换群的无限小变换下的不变性,通过确定方程和限制方程得到了生成元,然后根据正则坐标的定义和相关性质,通过选取合适的正则坐标,建立了系统的守恒量表现形式。最后,所给出的例子将很好的说明正则坐标方法在非完整系统中的应用。  最后,我们利用拉格朗日对称性解决了非完整系统的守恒量问题,并且获得了新的守恒量。在获得约束系统运动方程的基础上,假设其拥有特殊Lie变换群,通过确定方程和约束方程得到满足条件的生成元。然后根据拉格朗日对称性的定义和性质,建立了非完整系统的拉格朗日对称性的判据,同时给出了可以由对称性导致守恒量需要满足的条件,最后给出了系统守恒量的表现形式。  本文的最重要的成果有四点:第一,得到了单参数Lie点变换群和正则坐标方法之间的关键结合点;第二,推导出约束力学系统的正则坐标方程并获得系统相应的正则坐标;第三,构造得到单自由度和多自由度约束力学系统的守恒量表达形式;第四,在动力学系统领域,应用新的拉格朗日对称性理论得到系统新的守恒量。  本文的创新点:(1)成功将正则坐标方法的应用拓展到力学领域(2)首次利用正则坐标方法解决了多自由度约束力学系统的守恒量问题,其中包括完整系统和非完整系统(3)利用一种全新的拉格朗日对称性求得非完整约束力学系统的守恒量,拓展了拉格朗日对称性的应用范围。
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