Sylabus

1b. D'Alembertův princip. Lagrangeovy rovnice 2. druhu. Hamiltonovy kanonické rovnice.

D'Alembertův princip

(1742)

Síly mechanické soustavy jsou v rovnováze, přičteme-li k silám vtištěným síly setrvačné.

Vtištěné síly jsou "opravdové" síly známého charakteru (gravitační, elektromagnetická, ... )

Matematicky pro soustavu N  N\, hmotných bodů

∑i=13N(mix¨i−Fi)δxi=0 \sum_{i=1}^{3N} (m^i \ddot{x}^i-F_i) \delta x^i=0

kde δxi \delta x^i\,

jsou virtuální posunutí (klasicky: nekonečně malá posunutí, která jsou v každém okamžiku v souladu s vazbami, geometricky: vektory z tečného prostoru vazby). Vazby zde představují omezení jinak volného pohybu (nejjednodušším případem vazby je např. matematické kyvadlo).

Vazby (popsané rovnicí φ(r⃗)=0 \varphi(\vec{r}) = 0 ) dělíme podle několika základních kritérií

  • podle geometrie

    • oboustranná: φ(r⃗)=0 \varphi(\vec{r}) = 0

    • jednostranná: φ(r⃗)≥0 \varphi(\vec{r}) \geq 0

  • podle závislosti na čase

    • skleronomní (nezávislá na čase): φ(r⃗) \varphi(\vec{r})

    • rheonomní (měnící se s časem): φ(r⃗,t) \varphi(\vec{r},t)

  • podle závislosti na rychlosti

    • holonomní (nezávislá na rychlosti): φ(r⃗,t) \varphi(\vec{r},t)

    • neholonomní (závislá na rychlosti): φ(r⃗,t,v⃗) \varphi(\vec{r},t,\vec{v})

D'Alembertův princip platí jen pro vratná virtuální posunutí, tedy taková virtuální posunutí δxi \delta x^i\,, pro která platí, že i −δxi -\delta x^i\, je virtuální posunutí. Pro nevratná virtuální posunutí (−δxi -\delta x^i\, není virtuální posunutí) platí úprava D'Alembertova principu s nerovností.

Speciální případy D'Alembertova principu:

  • Newtonovy pohybové zákony - pohyb bez vazeb: δxi \delta x^i\, je zcela libovolné. Z toho plyne, že

(mix¨i−Fi)=0      ∀i (m^i \ddot{x}^i-F_i) = 0\ \ \ \ \ \ \forall i

Ekvivalentně

mix¨i=Fi m^i \ddot{x}^i = F_i

  • Princip virtuální práce (Johann Bernoulli, 1717)

Žádný pohyb (statika): x¨i=0\ddot{x}^i = 0 a tedy platí

∑i=13NFiδxi=0 \sum_{i=1}^{3N} F_i \delta x^i=0

(práce - součin síly a posunutí). Princip virtuální práce říká, že práce systému při virtuální výchylce z rovnovážné polohy je nulová (umožňuje tedy najít rovnovážnou polohu). Formálně lze psát δA=0 \delta A = 0\,.

Speciálně pro konzervativní síly platí

0=δA=∑i=13NFiδxi=−∑i=13N∂V∂xiδxi=−δV(xj) 0 = \delta A = \sum_{i=1}^{3N} F_i \delta x^i= - \sum_{i=1}^{3N} \frac{\partial V}{\partial x^i} \delta x^i = - \delta V(x^j)

jednoduše δV=0 \delta V = 0\,, tedy změna potenciálu je při virtuálním posunutí nulová ⇒ \Rightarrow v rovnováze má potenciál extrém (labilní, stabilní, indiferentní rovnováha).

Lze dokázat, že D'Alembertův princip je ekvivalentní Lagrangeovým rovnicím I. druhu (pro N  N\, hmotných bodů a v  v\, vazeb):

mix¨i=Fi+∑k=1vλk∂φk∂xi m^i \ddot{x}^i = F_i + \sum_{k=1}^v \lambda_k \frac{\partial \varphi_k}{\partial x^i}

s vazbami

φk (xj,t)=0 \varphi_k\,(x^j,t)=0

(i=1,2,...,3N  i=1,2,...,3N\,, j=1,2,...,3N  j=1,2,...,3N\, a k=1,2,...,v  k=1,2,...,v\,). Fi  F_i\, je i-tá komponenta výslednice vtištěných sil, λk  \lambda_k\, jsou Lagrangeovy multiplikátory. Celkem máme 3N+v  3 N + v\, rovnic pro stejný počet neznámých.

Lagrangeovy rovnice II. druhu

Pro efektivnější popis systému je vhodné zavést zobecněné souřadnice q1,q2,...,qn  q^1, q^2, ... , q^n\, (vhodně zvolené libovolné parametry, které jednoznačně popisují všechny možné konfigurace systému). Používáme n  n\, zobecněných souřadnic, kde n=3N−v  n = 3 N - v\, je počet stupňů volnosti systému. Dále předpokládáme, že existuje regulární vztah xi=xi (q1,q2,...,qn) x^i = x^i\,(q^1, q^2, ... , q^n) (xi  x^i\, jsou kartézské složky poloh jednotlivých hmotných bodů).

Zobecněné souřadnice popisují konfigurační prostor Q  Q\, všech možných poloh (konfigurací) systému, což ale není prostor fyzikálních stavů - vypovídá jen o polohách (Zénonův paradox - poloha neurčuje stav systému, rychlost nepoznám z polohy). Proto Q  Q\, doplníme o rychlostní parametry q˙1,q˙2,...,q˙n \dot{q}^1, \dot{q}^2, ... , \dot{q}^n , zobecněné rychlosti (dodatečné parametry nezávislé na poloze). Formálně ∂qi∂qj=δij \frac{\partial q^i}{\partial q^j}=\delta_{ij} a

∂q˙i∂q˙j=δij \frac{\partial \dot{q}^i}{\partial \dot{q}^j}=\delta_{ij} , ale ∂q˙i∂qj=0 \frac{\partial \dot{q}^i}{\partial q^j}=0 a

∂qi∂q˙j=0 \frac{\partial q^i}{\partial \dot{q}^j}=0 .

Pro N  N\, hmotných bodů a v  v\, vazeb můžeme psát Lagrangeovy rovnice II. druhu (LR II)

ddt(∂T∂q˙j)−∂T∂qj=Qj \frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}^j}\right)-\frac{\partial T}{\partial q^j}=Q_j

kde T (qj,q˙j,t)=12∑i=13Nmi(∂xi∂qkq˙k+∂xi∂t)2 T\,(q^j, \dot{q}^j, t) = \frac{1}{2} \sum_{i=1}^{3N} m^i \left( \frac{\partial x^i}{\partial q^k}\dot{q}^k + \frac{\partial x^i}{\partial t}\right)^2 je kinetická energie a Qj:=∑i=13NFi∂xi∂qj Q_j := \sum_{i=1}^{3N} F_i \frac{\partial x^i}{\partial q^j} zobecněná síla. Tyto rovnice představují soustavu n=3N−v  n = 3 N - v\, obyčejných diferenciálních rovnic pro stejný počet neznámých qj(t)  q^j(t)\,.

Speciálně pokud jsou síly Fi  F_i\, konzervativní, lze obecně komplikované složky zobecněné síly Qj  Q_j\, vyjádřit pomocí jediné skalární veličiny - potenciálu V  V\, (neboť Fi=−gradV  F_i = - grad V\,). Konkrétně

Qj=∑i=13NFi∂xi∂qj=−∑i=13N∂V∂xi∂xi∂qj=−∂V∂qj Q_j = \sum_{i=1}^{3N} F_i \frac{\partial x^i}{\partial q^j} = - \sum_{i=1}^{3N} \frac{\partial V}{\partial x^i} \frac{\partial x^i}{\partial q^j} = - \frac{\partial V}{\partial q^j}

Lagrangeovy rovnice II. druhu lze pak přepsat do tvaru

ddt(∂T∂q˙j)−∂T∂qj=ddt(∂V∂q˙j)−∂V∂qj \frac{d}{dt}\left(\frac{\partial T}{\partial \dot{q}^j}\right)-\frac{\partial T}{\partial q^j} = \frac{d}{dt}\left(\frac{\partial V}{\partial \dot{q}^j}\right)-\frac{\partial V}{\partial q^j}

neboť ∂V∂q˙j=0 \frac{\partial V}{\partial \dot{q}^j} = 0 (potenciál V  V\, je funkcí pouze qj  q^j\,, ale nezávisí na q˙j \dot{q}^j ani na t  t\,). Celkem tedy můžeme psát Lagrangeovy rovnice II. druhu pro konzervativní síly

ddt(∂L∂q˙j)−∂L∂qj=0 \frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{q}^j}\right)-\frac{\partial L}{\partial q^j} = 0

kde L:=T−V  L := T - V\, je Lagrangeova funkce (lagrangián) (L (q˙j,qj,t) L\,(\dot{q}^j, q^j, t) ).

Pro některá silová pole lze nalézt tzv. zobecněný potenciál V (q˙j,qj,t) V\,(\dot{q}^j, q^j, t) (narozdíl od "normálního" potenciálu závisí i na rychlosti a na čase). To je případ třeba elektromagnetické interakce. Předchozí rovnice pro konzervativní pole pak platí pro Lagrangeovu funkci vypočtenou právě ze zobecněného potenciálu.

Integrály pohybu (IP)

Integrál pohybu je nějaký výraz f (qj,q˙j,t) f\,(q^j, \dot{q}^j, t) , který zůstává v čase konstantní pro skutečný pohyb. Neboli f (qj,q˙j,t)=f (qj(t),q˙j(t),t)=f (t)=konst  ∀t f\,(q^j, \dot{q}^j, t) = f\,(q^j(t), \dot{q}^j(t), t) = f\,(t) = konst\,\,\forall t (zde qj(t)  q^j(t)\, jsou trajektorie řešící LR II. Pro různé trajektorie qj(t)  q^j(t)\, je přitom příslušná hodnota f(t)=konst  f(t) = konst\, obecně různá).

Existují věty užitečné při hledání integrálů pohybu:

  • a) Pokud Lagrangeova funkce L  L\, nezávisí na některé zobecněné souřadnici qi  q^i\,, pak výraz ∂L∂q˙i \frac{\partial L}{\partial \dot{q}^i} je integrálem pohybu. Říkáme, že qi  q^i\, je cyklická.

  • b) Pokud Lagrangeova funkce L  L\, nezávisí explicitně na čase t  t\,, pak výraz h (qj,q˙j):=∑j=1n∂L∂q˙jq˙j−L h\,(q^j, \dot{q}^j) := \sum_{j=1}^n \frac{\partial L}{\partial \dot{q}^j} \dot{q}^j - L je integrálem pohybu. Tento výraz h  h\, se nazývá zobecněná energie.

Pokud jsou působící síly konzervativní a pokud vazby jsou holonomní a skleronomní, pak platí h=T+V  h = T + V\,. Obecně rheonomní vazby dodávají / odebírají systému energii a proto se T+V  T + V\, nezachovává, může se ale zachovávat h  h\, (za předpokladů uvedených výše).

Pohyb částice v centrálním poli

je důležitou aplikací Lagrangeova formalismu. Lagrangeova funkce má v tomto případě tvar

L=12m(r˙2+r2φ˙2)−V(r) L = \frac{1}{2} m (\dot{r}^2 + r^2 \dot{\varphi}^2) - V(r)

Zřejmě φ \varphi je cyklická ⇒ \Rightarrow ∂L∂φ˙=mr2φ˙=l=konst \frac{\partial L}{\partial \dot{\varphi}} = m r^2 \dot{\varphi} = l = konst , což je známý zákon zachování momentu hybnosti l  l\, (konkrétně jeho  z \,z-ové složky).

Navíc L  L\, nezávisí explicitně na čase ⇒ \Rightarrow h=konst  h = konst\,, zde dokonce h=T+V=E=konst  h = T + V = E = konst\, (zákon zachování celkové mechanické energie).

Dosazením obou rovnic do výrazu pro lagrangián po krátkých úpravách dostáváme

r˙2+l2m2r2=2m[E−V(r)]         (⋆) \dot{r}^2 + \frac{l^2}{m^2 r^2}= \frac{2}{m} \left[ E - V(r) \right]\ \ \ \ \ \ \ \ \ (\star)

Pro určení trajektorie (r(φ) r(\varphi) ) použijeme následující trik: Zavedeme funkci u(φ)=1r(φ) u(\varphi) = \frac{1}{r(\varphi)} . Zjevně platí

r˙(t)=dr(t)dt=ddt(1u(φ(t)))=−1u2dudφφ˙=−lmdudφ \dot{r}(t) = \frac{d r (t)}{d t} = \frac{d}{dt} \left( \frac{1}{u(\varphi(t))}\right) = - \frac{1}{u^2} \frac{d u}{d \varphi} \dot{\varphi} = - \frac{l}{m} \frac{d u}{d \varphi}

(v poslední rovnosti jsme dosadili ze zákona zachování hybnosti). Dosazením tohoto výrazu do rovnice (⋆) (\star) a zderivováním podle φ \varphi po jednoduchých úpravách dostaneme Binetův vzorec pro pohyb částice v libovolném centrálním poli

d2udφ2+u=−ml2dVdu \frac{d^2 u}{d \varphi^2} + u = - \frac{m}{l^2} \frac{d V}{d u}

(zadáním konkrétního tvaru potenciálu V(u)  V(u)\, dostaneme obyčejnou diferenciální rovnici druhého řádu pro funkci u(φ) u(\varphi) , z jejího řešení pak snadno získáme r(φ)=1u(φ) r(\varphi) = \frac{1}{u(\varphi)} ).

Metoda efektivního potenciálu

Umožňuje kvalitativní rozbor možných pohybů bez explicitního řešení příslušné diferenciální rovnice. Rovnici (⋆) (\star) upravím do tvaru

r˙2=2m[E−(V(r)+l22mr2)]=2m[E−Vef(r)]≥0 \dot{r}^2 = \frac{2}{m} \left[ E - \left( V(r) + \frac{l^2}{2 m r^2} \right) \right] = \frac{2}{m} \left[ E - V_{ef}(r) \right] \geq 0

Pohyb je tedy možný jen pro taková r  r\,, pro která Vef(r)≤E V_{ef}(r) \leq E . V místě Vef(r)=E  V_{ef}(r) = E\, (r˙=0 \dot{r} = 0 ) je tzv. bod obratu v radiálním směru (radiální složka rychlosti je nulová, pohyb blíže ke zdroji centrálního pole již není možný).

Pohyb dvou těles

Studujme pohyb 2 objektů (m1,r⃗1,m2,r⃗2 m_1, \vec{r}_1, m_2, \vec{r}_2 ) se vzájemnou gravitací. Lagrangián problému má tvar

L=12m1r⃗˙12+12m2r⃗˙22+Gm1m2∣r⃗1−r⃗2∣ L = \frac{1}{2} m_1 \dot{\vec{r}}_1^2 + \frac{1}{2} m_2 \dot{\vec{r}}_2^2 + \frac{G m_1 m_2}{|\vec{r}_1 - \vec{r}_2|}

Úlohu lze snadno převést na úlohu v centrálním poli: Zavedeme nové souřadnice - polohu těžiště soustavy

R⃗=m1r⃗1+m2r⃗2m1+m2 \vec{R} = \frac{m_1\vec{r}_1 + m_2\vec{r}_2}{m_1 + m_2}

a relativní polohu

r⃗=r⃗1−r⃗2 \vec{r} = \vec{r}_1 - \vec{r}_2

Lagrangián má teď jiný tvar

L=12(m1+m2)R⃗˙2+12m1m2m1+m2r⃗˙2+Gm1m2r L = \frac{1}{2} (m_1 + m_2) \dot{\vec{R}}^2 + \frac{1}{2} \frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2} \dot{\vec{r}}^2 + \frac{G m_1 m_2}{r}

Zjevně R⃗ \vec{R} je cyklická souřadnice ⇒ \Rightarrow ∂L∂R⃗˙=(m1+m2)R⃗˙=konst \frac{\partial L}{\partial \dot{\vec{R}}} = (m_1 + m_2) \dot{\vec{R}} = konst . Celková hybnost je konstantní, těžiště se pohybuje rovnoměrně přímočaře - s výhodou lze přejít do těžišťové soustavy, kde R⃗=0 \vec{R} = 0 . Lagrangián lze ještě zjednodušit na

L=12μr⃗˙2+Gm1m2r=T−V L = \frac{1}{2} \mu \dot{\vec{r}}^2 + \frac{G m_1 m_2}{r} = T - V

Zde μ=m1m2m1+m2 \mu = \frac{m_1 m_2}{m_1 + m_2} je tzv. redukovaná hmotnost. Pohyb dvou těles jsme převedli na problém pohybu v centrálním poli.

Hamiltonovy kanonické rovnice

Další možnost k popisu systému nabízí Hamiltonův formalismus. Hamiltonův formalismus je matematickým konstruktem, při kterém z Lagrangeovy funkce přejdeme Legendreovou transformací k jisté funkci H(qi,pi,t) H(q^i,p_i,t) , kterou označíme Hamiltoniánem. Konfigurační prostor pak nahradíme fázovým prostorem. Ten je tvořen zobecněnými souřadnicemi qi  q^i\, a kanonicky sdruženými hybnostmi pi  p_i\,. Jak je známo z vlastností Legendreovy transformace, při tomto procesu neztrácíme žádnou informaci a bod ve fázovém prostoru plně určuje stav systému(závěr: stačí si pamatovat, že přechod od L k H je Legendreova transformace, všechno ostatní je na 5min odvození z tohoto faktu).

Kanonické hybnosti jsou definovány vztahem

pi:=∂L∂q˙i         (+) p_i := \frac{\partial L}{\partial \dot{q}^i} \ \ \ \ \ \ \ \ \ (+)

K popisu systému pak stačí znát Hamiltonovu funkci (hamiltonián)

H(qi,pi,t)=∑i=1n∂L∂q˙iq˙i−L(qi,q˙i,t)=∑i=1npiq˙i−L(qi,q˙i,t) H (q^i, p_i, t) = \sum_{i=1}^n \frac{\partial L}{\partial \dot{q}^i} \dot{q}^i - L(q^i,\dot{q}^i, t) = \sum_{i=1}^n p_i \dot{q}^i - L(q^i,\dot{q}^i, t)

kde za zobecněné rychlosti q˙i \dot{q}^i dosazujeme z inverze vztahu (+) (+) .

Pohybovými rovnicemi tohoto formalismu jsou Hamiltonovy kanonické rovnice (HKR)

∂H∂pi=dqidt=q˙i \frac{\partial H}{\partial p_i} = \frac{d q^i}{d t} = \dot{q}^i

∂H∂qi=−dpidt=−p˙i \frac{\partial H}{\partial q^i} = - \frac{d p_i}{d t} = - \dot{p}_i

Pokud hamiltonián nezávisí explicitně na čase, pak je integrálem pohybu, neboť

ddt(H(qi(t),pi(t)))=∑i=1n(∂H∂qiq˙i+∂H∂pip˙i)=∑i=1n(−p˙iq˙i+q˙ip˙i)=0 \frac{d}{d t} \left( H(q^i(t), p_i(t)) \right) = \sum_{i=1}^n \left( \frac{\partial H}{\partial q^i} \dot{q}^i + \frac{\partial H}{\partial p_i} \dot{p}_i \right) = \sum_{i=1}^n \left( -\dot{p}_i \dot{q}^i + \dot{q}^i \dot{p}_i \right) = 0

Zavedeme Poissonovy závorky

{u,v}:=∑i=1n∂u∂qi∂v∂pi−∂v∂qi∂u∂pi \{u,v\} := \sum_{i=1}^n \frac{\partial u}{\partial q^i} \frac{\partial v}{\partial p_i} - \frac{\partial v}{\partial q^i} \frac{\partial u}{\partial p_i}

speciálně {qr,qs}=0  \{q^r,q^s\} = 0\,, {pr,ps}=0  \{p_r,p_s\} = 0\,, {qr,ps}=δrs  \{q^r,p_s\} = \delta{rs}\,. Poissonovy závorky jsou lineární a splňují Jacobiho identitu

{w,{u,v}}+{v,{w,u}}+{u,{v,w}}=0         (J) \{w,\{u,v\}\} + \{v,\{w,u\}\} + \{u,\{v,w\}\} = 0\ \ \ \ \ \ \ \ \ (J)

Je-li u (qi,pi)  u\,(q^i, p_i)\, integrálem pohybu, lze psát

0=dudt=∑i=1n∂u∂qiq˙i+∂u∂pip˙i=∑i=1n∂u∂qi∂H∂pi−∂u∂pi∂H∂qi={u,H} 0 = \frac{d u}{d t} = \sum_{i=1}^n \frac{\partial u}{\partial q^i} \dot{q}^i + \frac{\partial u}{\partial p_i} \dot{p}_i = \sum_{i=1}^n \frac{\partial u}{\partial q^i} \frac{\partial H}{\partial p_i} - \frac{\partial u}{\partial p_i} \frac{\partial H}{\partial q^i} = \{u,H\}

čili {u,H}=0  \{u,H\} = 0\,. Předpokládejme navíc, že také v(qi,pi)  v(q^i, p_i)\, je IP (⇔ \Leftrightarrow {v,H}=0  \{v,H\} = 0\,). Použitím (J)  (J)\, dostáváme

{{u,v},H}=−{{v,H},u}−{{H,u},v}=0  \{\{u,v\},H\} = - \{\{v,H\},u\} - \{\{H,u\},v\} = 0\,

tedy {u,v}  \{u,v\}\, je také IP. Většinou ale není nezávislým IP.

Pomocí Poissonových závorek můžeme HKR psát ve tvaru

q˙i={qi,H} \dot{q}^i = \{q^i,H\}

p˙i={pi,H} \dot{p}_i = \{p_i,H\}

Kanonické transformace

Zkoumáme změnu parametrizace fázového prostoru, tedy transformaci (qi,pi)→(Qi,Pi) (q^i,p_i) \rightarrow (Q^i,P_i)

Def.: transformace je kanonická, pokud zachovává kanonickou strukturu, tzn. že pohybové rovnice v nových souřadnicích jsou opět HKR. Ekvivalentně, že existuje funkce H′(Qi,Pi,t) H'(Q^i,P_i,t) , pro kterou platí

∂H′∂Pi=dQidt=Q˙i \frac{\partial H'}{\partial P_i} = \frac{d Q^i}{d t} = \dot{Q}^i

∂H′∂Qi=−dPidt=−P˙i \frac{\partial H'}{\partial Q^i} = - \frac{d P_i}{d t} = - \dot{P}_i

(zdaleka ne každá transformace je kanonická). Hledání podmínek kanoničnosti transformace vede na následuící větu:

Lagrangeova funkce L+dFdt L + \frac{d F}{d t} , kde F  F\, je libovolná (hladká) funkce, dává stejné pohybové rovnice jako funkce L  L\,. Tuto funkci F  F\, nazýváme generující funkcí kanonické transformace, přičemž předpokládáme, že závisí na

  • starých souřadnicích / hybnostech

  • nových souřadnicích / hybnostech

Rozlišujeme 4 druhy generujících funkcí, které jsou vzájemně svázány Legendreovou duální transformací:

F1 (qi,Qi,t) F_1\,(q^i, Q^i, t)

F2 (qi,Pi,t)=F1+∑i=1nPiQi F_2\,(q^i, P_i, t) = F_1 + \sum_{i=1}^n P_i Q^i

F3 (pi,Qi,t)=F1−∑i=1npiqi F_3\,(p_i, Q^i, t) = F_1 - \sum_{i=1}^n p_i q^i

F4 (pi,Pi,t)=F1+∑i=1nPiQi−∑i=1npiqi F_4\,(p_i, P_i, t) = F_1 + \sum_{i=1}^n P_i Q^i - \sum_{i=1}^n p_i q^i

(analogie s termodynamikou F1∼U, F2∼H, F3∼F, F4∼G, q∼S, Q∼V, p∼T, P∼p F_1 \sim U,\ F_2 \sim H,\ F_3 \sim F,\ F_4 \sim G,\ q \sim S,\ Q \sim V,\ p \sim T,\ P \sim p ). Kanonické transformace tvoří grupu.

Jak prakticky ověřit, že daná transformace je kanonická?

  • 1 Pomocí Poissonových závorek: transformace (qi,pi)→(Qi,Pi) (q^i,p_i) \rightarrow (Q^i,P_i) je kanonická ⇔ \Leftrightarrow {Qi,Pj}=δij, {Qi,Qj}=0, {Pi,Pj}=0 \{Q^i,P_j\} = \delta_{ij},\ \{Q^i,Q^j\} = 0,\ \{P_i,P_j\} = 0 .

  • 2 Pomocí následující tabulky (konkrétně z libovolného řádku třetího sloupce)

generující funkcepodmínky kanoničnostipodmínky integrability
- style="text-align:center"
F1 (qj,Qj,t) F_1\,(q^j,Q^j,t) ∂F1∂qi=+pi, ∂F1∂Qk=−Pk \frac{\partial F_1}{\partial q^i} = + p_i,\ \frac{\partial F_1}{\partial Q^k} = - P_k ∂pi∂Qk=−∂Pk∂qi \frac{\partial p_i}{\partial Q^k} = - \frac{\partial P_k}{\partial q^i}
- style="text-align:center"
F2 (qj,Pj,t) F_2\,(q^j,P_j,t) ∂F2∂qi=+pi, ∂F2∂Pk=+Qk \frac{\partial F_2}{\partial q^i} = + p_i,\ \frac{\partial F_2}{\partial P_k} = + Q^k ∂pi∂Pk=∂Qk∂qi \frac{\partial p_i}{\partial P_k} = \frac{\partial Q^k}{\partial q^i}
- style="text-align:center"
F3 (pj,Qj,t) F_3\,(p_j,Q^j,t) ∂F3∂pi=−qi, ∂F3∂Qk=−Pk \frac{\partial F_3}{\partial p_i} = - q^i,\ \frac{\partial F_3}{\partial Q^k} = - P_k ∂qi∂Qk=∂Pk∂pi \frac{\partial q^i}{\partial Q^k} = \frac{\partial P_k}{\partial p_i}
- style="text-align:center"
F4 (pj,Pj,t) F_4\,(p_j,P_j,t) ∂F4∂pi=−qi, ∂F4∂Pk=+Qk \frac{\partial F_4}{\partial p_i} = - q^i,\ \frac{\partial F_4}{\partial P_k} = + Q^k ∂qi∂Pk=−∂Qk∂pi \frac{\partial q^i}{\partial P_k} = - \frac{\partial Q^k}{\partial p_i}
-
}
Příslušná transformace Hamiltoniánu:

H′(Qj,Pj,t)=H(qj,pj,t)+∂Fa∂t∣po dosaz. H'(Q^j,P_j,t) = H(q^j,p_j,t) + \frac{\partial F_a}{\partial t} \mid_{po\ dosaz.} kde j=1,2,...,n,  a=1,2,3,4 j=1,2, ... , n,\ \ a = 1,2,3,4 | Věta: Poissonovy závorky jsou invariantní vůči kanonické transformaci: ∀ f,g:{f,g}q,p={f,g}Q,P \forall\ f,g : \{f,g\}_{q,p} = \{f,g\}_{Q,P} , tzn.| ∑i=1n∂f∂qi∂g∂pi−∂g∂qi∂f∂pi=∑i=1n∂f∂Qi∂g∂Pi−∂g∂Qi∂f∂Pi \sum_{i=1}^n \frac{\partial f}{\partial q^i} \frac{\partial g}{\partial p_i} - \frac{\partial g}{\partial q^i} \frac{\partial f}{\partial p_i} = \sum_{i=1}^n \frac{\partial f}{\partial Q^i} \frac{\partial g}{\partial P_i} - \frac{\partial g}{\partial Q^i} \frac{\partial f}{\partial P_i} |Liouvilleova věta| Objem fázového prostoru je invariantní vůči kanonickým transformacím.| konkrétně pro n=1  n=1\,:| V=∫∫dQdP=∫∫∣J∣dqdp=∫∫dqdp V = \int \int dQ dP = \int \int |J| dq dp = \int \int dq dp neboť| =∂(Q,P)∂(q,p)=∂Q∂q∂P∂p−∂Q∂p∂P∂q={Q,P}=1 = \frac{\partial(Q,P)}{\partial(q,p)} = \frac{\partial Q}{\partial q} \frac{\partial P}{\partial p} - \frac{\partial Q}{\partial p} \frac{\partial P}{\partial q} = \{Q,P\} = 1 kde poslední rovnost plyne z kanoničnosti transformace. ==Hamiltonova - Jacobiho teorie== Jedna z dalších formulací analytické mechaniky. Využijeme kanonickou transformaci generovanou např. funkcí F1 (qj,Qj,t) F_1\,(q^j,Q^j,t) : ∂F1∂qi=+pi      (1) \frac{\partial F_1}{\partial q^i} = + p_i \ \ \ \ \ \ (1) ∂F1∂Qi=−Pi      (2) \frac{\partial F_1}{\partial Q^i} = - P_i \ \ \ \ \ \ (2) H′(Qj,Pj,t)=H(qj,pj,t)+∂F1∂t      (3) H'(Q^j,P_j,t) = H(q^j,p_j,t) + \frac{\partial F_1}{\partial t} \ \ \ \ \ \ (3) přičemž v nových souřadnicích opět platí HKR: ∂H′∂Pi=dQidt=Q˙i      (4) \frac{\partial H'}{\partial P_i} = \frac{d Q^i}{d t} = \dot{Q}^i \ \ \ \ \ \ (4) ∂H′∂Qi=−dPidt=−P˙i      (5) \frac{\partial H'}{\partial Q^i} = - \frac{d P_i}{d t} = - \dot{P}_i \ \ \ \ \ \ (5) Navíc zvolíme speciální generují funkci S (qi,Qi,t)=F1 S\,(q^i,Q^i,t) = F_1 takovou, že po transformaci H′=0  H' = 0\, . Z rovnic (4) (4) a (5) (5) dostáváme Qi=konst=αi  Q^i = konst = \alpha^i\, Pi=konst=−βi  P_i = konst = - \beta_i\, a vztah (2) (2) přepíšeme na ∂S(qj,αj,t)∂αi=βi \frac{\partial S(q^j,\alpha^j,t)}{\partial \alpha^i} = \beta_i Inverzí získáme řešení qj (t,αi,βi) q^j\,(t,\alpha^i,\beta_i) . Funkce S S se nazývá akce (akční funkcionál) a určíme ji z Hamiltonovy - Jacobiho rovnice: H(qi,∂S∂qi,t)+∂S∂t=0 H\left(q^i,\frac{\partial S}{\partial q^i},t\right) + \frac{\partial S}{\partial t} = 0