关于哈密顿－雅可比方程介绍

[拼音]：hamidun-yakebi fangcheng

[外文]：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

1. W. M. Smart， Celestial MechanicsSons，Glasgow，1953.
2. 汪家訸编：《分析力学》， 高等教育出版社， 北京，1983。