Beweis des Satzes von Noether in der klassischen Mechanik

Ich versuche, den Satz von Noether im Kontext der (Punktteilchen-) klassischen Mechanik zu beweisen, bin mir jedoch bei einigen Dingen etwas unsicher.

Um die Dinge so einfach wie möglich zu halten, betrachte ich nur den eindimensionalen Fall. Daher beginne ich mit der vollen Variation des Pfades

(0,1) Q ( T ) Q ' ( T ' ) = Q ' ( T ) + Q ˙ ' ( T ) δ T = Q ( T ) + δ Q ( T ) + Q ˙ ( T ) δ T Q ˙ ( T ) Q ˙ ' ( T ' ) = Q ˙ ' ( T ) + Q ¨ ' ( T ) δ T = Q ˙ ( T ) + δ Q ˙ ( T ) + Q ¨ ( T ) δ T ,
zur Erstbestellung ein δ T . Dies führt zu folgenden Variationen (nach erster Ordnung)
(0,2) δ T Q = Q ' ( T ' ) Q ( T ) = δ Q ( T ) + Q ˙ ( T ) δ T δ T Q ˙ = Q ˙ ' ( T ' ) Q ˙ ( T ) = δ Q ˙ ( T ) + Q ¨ ( T ) δ T ,
wo der Index T soll uns daran erinnern, dass wir die Zeit deformieren, T T + δ T sowie der Pfad (eine sogenannte "totale" oder "vollständige" Variante). Nehmen wir nun an, dass dies eine Symmetrie der klassischen Wirkung ist
(1) S [ Q ( T ) ] = D T L ( Q ( T ) , Q ˙ ( T ) , T )
wir haben das ( 1 ) ändert sich höchstens um einen Oberflächenterm, dh
(2) δ T S = D T D D T G ( Q ( T ) , T )
Nun, die linke Seite von ( 2 ) wird von gegeben
(3) δ T S = δ T ( D T ) L + D T δ T ( L ) = D T D ( δ T ) D T L + D T [ L Q δ T Q + L Q ˙ δ T Q ˙ + L T δ T ] = D T D ( δ T ) D T L + D T [ L Q ( δ Q ( T ) + Q ˙ ( T ) δ T ) + L Q ˙ ( δ Q ˙ ( T ) + Q ¨ ( T ) δ T ) + L T δ T ] = D T [ ( L Q D D T ( L Q ˙ ) ) δ Q + ( L Q Q ˙ + L Q ˙ Q ¨ + L T ) δ T + D D T ( L Q ˙ δ Q ) + L D ( δ T ) D T ] = D T [ ( L Q D D T ( L Q ˙ ) ) δ Q + D L D T δ T + D D T ( L Q ˙ δ Q ) + L D ( δ T ) D T ] = D T [ ( L Q D D T ( L Q ˙ ) ) δ Q + D D T ( L Q ˙ δ Q + L δ T ) ]
Vorausgesetzt, dass Q ( T ) die Euler-Lagrange-Gleichung erfüllt, dann haben wir das
(4) δ T S = D T [ D D T ( L Q ˙ δ Q + L δ T ) ] = D T D D T G ( Q ( T ) , T )
was das impliziert
(5) D T D D T ( L Q ˙ δ Q + L δ T G ) = 0 L Q ˙ δ Q + L δ T G = Konstante
Das heißt, die Menge:
(6) Λ ( Q ( T ) , Q ˙ ( T ) , T ) = L Q ˙ δ Q + L δ T G ,
ist eine Bewegungskonstante .

Ich habe jedoch einige Zweifel an dem, was ich bisher getan habe, und dies hat mich veranlasst, die folgenden Fragen zu stellen:

1. Habe ich überhaupt die richtige Gesamtvariation des Pfades verwendet ?

2. Wenn ich die richtige Variante verwendet habe, sind die Schritte im Beweis korrekt?

3. Meine ursprüngliche Motivation, einen Beweis des Satzes von Noether zu versuchen und zu replizieren, bestand darin, die Energieerhaltung als Folge der Zeitverschiebung zu beweisen. Es scheint, dass man in diesem Fall davon ausgeht, dass die Gesamtvariation verschwindet, dh

(7) δ T Q = Q ' ( T ' ) Q ( T ) = 0
(vgl. die Antwort von QMechanic hier ). Warum ist das so? Was ist die Begründung?

Mir ist klar, dass diese Art von Frage schon mehrmals gestellt wurde, aber nachdem ich die Beiträge gelesen habe, die ich finden konnte, habe ich nicht festgestellt, dass einer von ihnen meine Fragen vollständig beantwortet hat. Jede Hilfe wird sehr geschätzt.

Ich habe meine Frage bearbeitet, um die Vorschläge von Qmechanic widerzuspiegeln, und einen allgemeineren Beweis für Noethers Theorem versucht.

Antworten (1)

Der Beitrag von OP scheint einen doppelten Zweck zu haben:

  1. Beweisen Sie den Satz von Noether (NT) im Allgemeinen: Dann OPs Annahmen, dass

    • (ich) L hat keine explizite Zeitabhängigkeit und
    • (ii) δ T hängt nicht davon ab T

    Sollte entfernt werden. Ein Beispiel, das gegen Annahme (ii) verstößt, finden Sie zB in diesem Phys.SE-Beitrag.

    Beachten Sie auch die Subtilität, die δ T Und D D T pendeln nicht , was OP in Gl. (3).

  2. Beweisen Sie mittels NT, dass ein Lagrange ohne explizite Zeitabhängigkeit zur Energieerhaltung führt: In diesem Fall ist es natürlich, die Transformation zu versuchen

    Q ' ( T ' )   =   Q ( T )
    um eine Symmetrie der Aktion sicherzustellen
    S [ T Q ( T ) ]   =   S [ T ' Q ' ( T ' ) ] ,
    die dann in NT verwendet werden können, vgl. dieser Phys.SE-Beitrag.

Vielen Dank für Ihre Antwort. Idealerweise würde ich es gerne allgemein beweisen, aber ich war mir nicht ganz sicher, wie es geht, also habe ich mich vorerst auf keine explizite Zeitabhängigkeit im Lagrange- und beschränkt δ T zeitunabhängig. Warum ist es natürlich, es zu versuchen? Q ' ( T ' ) = Q ( T ) im Fall der Zeitübersetzung? Liegt es daran, dass man definiert, dass sich die Koordinaten ändern als Q ' ( T ) = Q ( T + δ T ) unter Zeitübersetzung, und dann kann man einfach eine Variablenänderung vornehmen, T T δ T so dass Q ' ( T ' ) = Q ( T ) ?
Ich habe mein OP aktualisiert, um Ihre vorgeschlagenen Änderungen widerzuspiegeln.