Warum ist die Variation eines Oberflächenterms Null?

Meine ursprüngliche Frage lautet wie folgt:

Warum sind die Euler-Lagrange-Gleichungen invariant, wenn wir der Wirkung einen Oberflächenterm hinzufügen?

Und es gibt eine Antwort von Javier:

https://physics.stackexchange.com/a/205585/

Ich habe einige Fragen zu Javiers Antwort, aber als neuer Benutzer kann ich sie nicht kommentieren, also muss ich diese Frage stellen.

In Javiers Antwort sagte er:

Angenommen, Sie haben einen Lagrange L 0 und fügen Sie eine Divergenz hinzu, um zu erhalten L = L 0 + μ J μ . Denken Sie daran, dass die Aktion (in Ihrer bevorzugten Anzahl von Dimensionen) ist:

S = D X L = S 0 + D X μ J μ = S 0 + D S N μ J μ
Hier S 0 ist das Integral von L 0 , Und N μ der normale Vektor zu Ihrer Grenze. Die Bewegungsgleichungen sind die Bedingung dafür δ S = 0 zur Erstbestellung, wenn wir eine Variation vornehmen L . So:
δ S = δ S 0 + D S N μ δ ( J μ )
Aber J μ wird aus den Feldern konstruiert, für die Sie die Bewegungsgleichungen benötigen. Da nach der Hypothese die Variation der Felder an der Grenze Null ist, ist dies auch die Variation von J μ . Der letzte Term verschwindet, und wir erhalten δ S = δ S 0 .

Aber

δ J μ = J μ ϕ δ ϕ + J μ ( v ϕ ) δ ( v ϕ )
und wir haben nur δ ϕ = 0 in der Grenze, und im Allgemeinen haben wir nicht δ ( v ϕ ) = 0 , warum also die Variation von J μ ist null?

Als ich die Antwort auf meine ursprüngliche Frage fand, fand ich sie in einem Buch, das der Autor schreibt J μ als J μ = J μ ( ϕ ( X ) , X ) , das ist J μ ist nur eine Funktion von ϕ ( X ) Und X aber nicht von v ϕ . Wenn wir schreiben J μ so haben wir:

δ J μ = J μ ϕ δ ϕ
und die Variation von J μ ist null wegen δ ϕ = 0 in der Grenze. Und das können wir auch beweisen:
( ϕ v ( v ϕ ) ) ( μ J μ ) = 0
also haben wir:
L ϕ μ L ( μ ϕ ) = L 0 ϕ μ L 0 ( μ ϕ )
die Bewegungsgleichung ist also invariant.

Aber in einigen Büchern erwähnt der Autor den Zustand nicht J μ = J μ ( ϕ ( X ) , X ) , ist diese Bedingung also eine notwendige Bedingung dafür, dass die Variation eines Oberflächenterms Null ist?

Ich habe keine vollständige Antwort, aber ich wollte darauf hinweisen, dass die Variation eines Oberflächenterms nicht unbedingt Null ist. Ein einfaches Beispiel dafür, wo dies nicht der Fall ist (und wo dieses Nichtverschwinden nützliche physikalische Informationen codiert), finden Sie im Problem des elastischen Balkens, wie in Kapitel 2.15 von Lanczos' The Variational Principles of Mechanics beschrieben .
Wenn J μ enthält Ableitungen der Felder, das bedeutet, dass die ursprüngliche Aktion zweite Ableitungen der Felder enthielt. Wenn diese nicht der Form entsprechen ( 2 ϕ ) ( 2 ϕ ) , sollten Sie diese vor der Variation integrieren.
@JerrySchirmer Die Einstein-Hilbert-Aktion enthält zweite Ableitungen, aber wir integrieren sie im Allgemeinen nicht heraus?
@R.Rankin: Wenn Sie die Bewegungsgleichungen berechnen, tun Sie dies jedoch schließlich (oder Sie verwenden den Palantini-Trick der Behandlung Γ A B C als unabhängige Felder, was auf dasselbe hinausläuft, da es nur "ein Derivat verbirgt")
@JerrySchirmer Ich sehe, das muss auch damit zusammenhängen, dass sich im Gravitationspseudotensor (in jeder seiner Formen) die zweiten Ableitungen immer aufheben. Danke!

Antworten (1)

  1. OP fragt:

    Warum ist die Variation eines Oberflächenterms Null?

    Antwort: Nehmen Sie an, dass die Aktion schematisch die Form hat

    (1) S = S 1 + B 2 ,
    Wo S 1 ist ein Sammelbegriff und B 2 ist ein Grenzterm (BT). (zB in GR S 1 ist die EH- Aktion und B 2 ist die GHY BT.) Dann hat die Variation des Massenterms die Form
    (2) δ S 1   =   ( Massenbegriff ) + δ B 1 ,
    Wo δ B 1 ist ein BT.

    Die Variationen der BTs δ B 1 Und δ B 2 müssen in der Regel nicht verschwinden. Die Bedingung

    (3) δ B 1 + δ B 2   =   0
    ist nicht automatisch, sondern muss durch geeignete Wahl von Randbedingungen (BCs) auferlegt werden, um die Existenz einer Variations-/Funktionsableitung für zu garantieren S .

  2. Die Ausgangsfrage lautet:

    Warum sind die Euler-Lagrange-Gleichungen invariant, wenn wir der Wirkung einen Oberflächenterm hinzufügen?

    Antwort: Dies wird zB in meinen Phys.SE-Antworten hier und hier erklärt . Der Hauptpunkt ist, dass ein BT niemals die EL-Eqs ändern kann. in einem Innen-/Massenpunkt.

Ist nicht das einzige berühmte Beispiel einer klassischen Feldtheorie, in der die Grenzterme eine wichtige physikalische Rolle spielen … die allgemeine Relativitätstheorie? Und das (IIRC), weil die Metrik an der Grenze mit der Metrik an der Masse zusammenhängt? Keine anderen Felder haben diese besondere Qualität.
@AlexNelson Es gibt andere Beispiele. Yang-Mills, Chern-Simons, ... siehe z. B. inspirehep.net/record/567304 . Die Grenzterme beziehen sich auf Ladungen und haben als solche eine physikalische Interpretation.
Ein einfaches Beispiel finden Sie zB unter physical.stackexchange.com/q/138236/2451
Danke für deine Antwort. Jetzt weiß ich, dass der Grenzterm nicht verschwinden muss. Aber ich kann immer noch nicht herausfinden, warum dieser No-Vanish-Term die Euler-Lagrange-Gleichungen nicht ändert. Ich habe deine Antwort gelesen . Sie sagten, die funktionale Ableitung der Grenzkomponente der Aktion ( B 2 = D X μ J μ ) ist Null: δ B 2 δ ϕ = 0 , weil "variative / funktionale Ableitung ein Objekt ist, das in der Masse lebt (und nicht an der Grenze), kann in der Masse niemals anders als identisch Null sein".
Aber wenn man die funktionale Ableitung direkt berechnet, hat man: δ B 2 δ ϕ = ( ϕ v ( v ϕ ) ) ( μ J μ ) , und für willkürlich J μ Ich kann nicht beweisen, dass dieser Term gleich Null ist, es sei denn J μ = J μ ( ϕ ( X ) , X ) . Warum ist die funktionale Ableitung nicht gleich Null, wenn ich direkt rechne?
Die funktionale Ableitung verschwindet. Beachten Sie, dass die Formel für eine funktionale Ableitung im Fall von Raumzeitableitungen höherer Ordnung mehr Terme enthält.
@Qmechanic Ich glaube, ich habe verstanden. Die echte Euler-Lagrange-Gleichung hat einen Unendlichkeitsterm, der wie folgt ist L ϕ + + ( 1 ) S μ 1 μ S L ϕ ; μ 1 μ S + = 0 , und diese EL-Gleichung mit unendlichen Termen ist Null für eine beliebige 4-Divergenz v J v Die Bewegungsgleichung bleibt also unter diesem zusätzlichen Term unverändert. Ist das richtig?
Ja.