научная статья по теме НОРМАЛИЗАЦИЯ ГАМИЛЬТОНИАНА В ОГРАНИЧЕННОЙ ЗАДАЧЕ МНОГИХ ТЕЛ МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОЙ АЛГЕБРЫ Математика

Текст научной статьи на тему «НОРМАЛИЗАЦИЯ ГАМИЛЬТОНИАНА В ОГРАНИЧЕННОЙ ЗАДАЧЕ МНОГИХ ТЕЛ МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОЙ АЛГЕБРЫ»

КОМПЬЮТЕРНАЯ АЛГЕБРА

УДК 517.9+519.6+531.39

НОРМАЛИЗАЦИЯ ГАМИЛЬТОНИАНА В ОГРАНИЧЕННОЙ ЗАДАЧЕ МНОГИХ ТЕЛ МЕТОДАМИ КОМПЬЮТЕРНОЙ

АЛГЕБРЫ

© 2012 г. А. Н. Прокопеня

Брестский государственный технический университет, Белоруссия 224017 Брест, ул. Московская, 267 E-mail: prokopenya@brest.by Поступила в редакцию 18.09.2011

Обсуждается символьный алгоритм построения вещественного канонического преобразования, приводящего к нормальной форме функцию Гамильтона, определяющую движение автономной системы с двумя степенями свободы в окрестности положения равновесия. Реализация алгоритма демонстрируется на примере плоской круговой ограниченной задачи трех тел. Найденные выражения для коэффициентов нормальной формы гамильтониана подтверждают результаты, полученные ранее в работе А. Депри. В качестве программного средства для выполнения символьных вычислений использована система компьютерной алгебры Mathematica.

1. ВВЕДЕНИЕ

Ограниченная задача многих тел - хорошо известная модель небесной механики (см. [1]). Ее исследования начались более двухсот лет назад с простейшего случая ограниченной задачи трех тел [2] и продолжаются до сих пор. Одним из направлений таких исследований является поиск точных частных решений уравнений движения и анализ их устойчивости. Наиболее простыми решениями, которые можно найти в аналитической форме, являются равновесные решения, называемые также положениями относительного равновесия. В случае ограниченной задачи трех тел, например, имеется пять таких положений, причем три их них, известные как коллинеарные решения Эйлера, являются неустойчивыми (см., например, [2, 3]). Проблема устойчивости двух других положений равновесия, называемых треугольными решениями Лагранжа, оказалась очень сложной и ее полное решение стало возможным только после появления КАМ-теории [4, 5]. Наиболее общие результаты при отсутствии резонансов в системе были получены в работах А.М. Леонтовича [6], А. Депри [7], а

при наличии резонансов - в работах А.П. Мар-кеева [3], А.Г. Сокольского [8, 9]. Основные результаты исследования ограниченных задач четырех и более тел можно найти в монографии [2].

Поскольку необходимым условием применения теорем КАМ-теории является приведение функции Гамильтона к нормальной форме по Биркгофу [11], были предложены различные алгоритмы построения соответствующих канонических преобразований (см. [12]). Практическая реализация таких алгоритмов (см., например, [13]) обычно сопровождается весьма громоздкими символьными вычислениями, выполнение которых требует использования компьютера и современных программных средств, таких как, например, система компьютерной алгебры МаЛешаИса [14]. При этом исследование более сложных моделей, по сравнению с ограниченной задачей трех тел, приводит к значительному возрастанию времени вычислений и объема используемой памяти. Поэтому получение новых результатов требует усовершенствования имеющихся, а также разработки новых эффективных алгоритмов вычислений, что

и стимулирует исследования в этой области.

Целью данной работы является подробное описание алгоритма построения канонического преобразования, приводящего к нормальной форме функцию Гамильтона, определяющую движение автономной системы с двумя степенями свободы в окрестности положения равновесия. В качестве примера для демонстрации работы алгоритма рассмотрена плоская круговая ограниченная задача трех тел. Причиной такого выбора явилось появление работы [15], в которой поставлено под сомнение выражение для нормальной формы гамильтониана в окрестности треугольных лагранжевых решений плоской ограниченной задачи трех тел, полученное ранее в работе [7] и впоследствии воспроизводимое многими авторами. При вычислениях мы не используем комплексных переменных и следуем методу, предложенному ранее при решении проблемы устойчивости равновесных решений ограниченной задачи четырех тел (см. [16, 17]). Следует отметить, что построенные канонические преобразования, нормализующие члены второго, третьего и четвертого порядков в разложении гамильтониана системы с двумя степенями свободы в окрестности равновесного решения, записаны в достаточно общей форме и могут быть успешно использованы при анализе устойчивости равновесных решений в других ограниченных задачах многих тел.

2. НОРМАЛИЗАЦИЯ КВАДРАТИЧНОЙ ЧАСТИ ГАМИЛЬТОНИАНА

В рамках плоской круговой ограниченной задачи трех тел рассматривается движение тела пренебрежимо малой массы в гравитационном поле двух массивных тел, вращающихся равномерно вокруг общего центра масс системы (см. [2, 3]). Используя относительные координаты и переходя во вращающуюся систему координат, в которой два тела массами то, ш\ покоятся в точках (0,0), (0,1), соответственно, функцию Гамильтона системы можно записать в виде

Н = 2(рХ + рУ) + РхУ - Рух + ух—

1 — у

у

1X2 + У2 д/(х — 1)2 + У2

(1)

где у = т\/(т0 + т\). Легко убедиться в том, что уравнения движения

(1х

дН

дрх

дН

дРу ,

(рх = _ дН (Ру = _дН (2)

М дх ' dí ду ' имеют стационарные решения

1 1

хо = 2, Уо = , Рхо = , Руо = 2 , (3)

которые и называются треугольными решениями Лагранжа. Поскольку устойчивость обоих решений исследуется одинаково, далее рассмотрим только первое из них. Обозначая через х,У,рх,ру возмущения равновесного решения (3) и разлагая функцию Гамильтона (1) в ряд по степеням возмущений, приводим ее к виду

Н = Н2 + Нз + Н4 + ...

(4)

где Н - однородная форма степени к относительно х,У,рх,ру. Постоянный член Но в (4) отброшен, так как он не влияет на уравнения движения, а член первого порядка Н\ равен нулю в силу (3). Поэтому разложение (4) начинается с квадратичного члена, причем первые три члена разложения имеют вид

Н2 = 2 (р2х + рУ) + РхУ — Рух+ +1 (х2 — 8(ху — 5у2) ,

(5)

7(х3 з^3 ПС з^3 з

Нз = — т:^ + "ТТ^"х2У + хУ2 + -¡тт"У3 , (6)

12^3 16

4^3

16

__ ^ ■ 4 25С 3 123 2 2 Н4 =-х4 +--1 х3У--х2У2 —

4 юс 64

37 128"

24

15( 3 8 хУ 128

3 4

У ,

(7)

где введен параметр

С = ^(1 — 2у).

Первый этап нормализации гамильтониана (4) состоит в построении вещественного канонического преобразования, приводящего

квадратичную часть (5) к сумме гамильтонианов, описывающих два независимых гармонических осциллятора, т.е. к виду

Н = ±Щ- (Р? + я2) ± ^ (Р2 + Я2) , (8)

где Я1,Р1 и Я2,р2 - две пары новых канонически сопряженных переменных, а Ш1,Ш2 - частоты осцилляторов. Заметим, что в случае линейной гамильтоновой системы гармонические осцилляторы являются независимыми и знаки плюс и минус в выражении (8) не влияют на их движение. Если же система является нелинейной, что имеет место в рассматриваемом случае, то наличие одинаковых или различных знаков у двух слагаемых в (8) принципиально изменяет ее поведение. И хотя к настоящему времени разработаны различные алгоритмы нормализации квадратичной части гамильтониана (см. [12]), проблема правильного определения знаков частот в (8) обычно в литературе не обсуждается.

Оставляя в разложении (4) только квадратичную часть, удобно записать линеаризованные уравнения движения (2) в матричном виде

Ш2

—X = 3Н2тагХ ,

(9)

где вектор Xт = (ж,у,рх,ру) и введены две матрицы

2та1

/ 1/4 -с 0 -1

-с -5/4 1 0

0 1 1 0

V -1 0 0 1

/ 0 01 0 ^

0 00 1

-1 00 0

V 0 -1 0 0

А13 = ±ШЬ Л2,4 = ±¿^2,

(10)

если параметр £ удовлетворяет неравенству ^23 < ^ <

4

4

(11)

В этом случае решения (3) будут устойчивыми в линейном приближении.

Матрицу вещественного канонического преобразования, приводящего квадратичный член (5) к виду (8), можно построить на основе собственных векторов матрицы 3Н2та£ (см. [3]), которые легко вычисляются. Вводя обозначение Ут = (ж1, ж2, ж3, ж4), находим выражение для собственного вектора в виде

4(( - 2А) 4А3 - А - 4(

ж1 = 1 , ж2 = —¡^—— , ж3 =

4А2 - 9 3 4А2 - 9 4А2 - 4А( + 9

ж4 = - -

4А2 9

(12)

Очевидно, выражение (12) определяет две пары комплексно сопряженных собственных векторов У1,з, ^2,4, соответствующих собственным значениям (10), причем эти векторы определяются с точностью до постоянных множителей. Для векторов V, У3 = V* и У"2, = У"2* такие множители можно выбрать и равными С1 и С2, через Щ =

(«кЪ sk3, «к4) действительную и мнимую У1, У2 и полагая Ак = ¿Шк, выражений (12) находим

Обозначая бТ =

вещественными соответственно.

(Гк1,Гк2,Гк3,Гк4), соответственно, части векторов (к = 1,2), из

Гк1 = Ск , Гк2

4ск С 9 + 4ш2

Гк3

4ск С 9 + 4ш2

3

Выполняя стандартные вычисления, легко убедиться в том, что матрица 3Н2та^ имеет две пары различных чисто мнимых собственных значений

Ск (9 - 4ш^) 8скШк

Гк4 = „ , , 2к , 5к1 =0 , 8к2 =

Зк3 =

9 + 4ш2

Ск Шк (1 + 4ш|) 9 + 4ш2

«к4 = -

9 + 4ш2 4ск (Шк

9 + 4ш2

(13)

к и 1 к Условие нормировки векторов Як и Бк

т1 Як • 3 • Бк = 4,

определяет постоянные С1 и С2 в виде

где

Ш1,2 = 1 (2 ± л/-23 + 16С2)

1/2

С1

1 9 + 4ш2

4 у ш1 (ш2 - ш2)

С2

9 + 4^2 ^(ш2 - ш|) '

(14)

А = (-2£ь -2^2, 2ЯЬ 2^2),

(15)

т.е. столбцы матрицы А выражаются через векторы $1, 5*2, Я1, ^2. Выполняя вычисления, легко убедиться в том, что полученная матрица (15) является симплектической, т.е. удовлетворяет условию АтЗА = 3. Следовательно, преобразование вида X = А^, где ZT = (91,92,Р1,Р2), является каноническим. Таким образом, старые переменные (х,у,рх,ру) выражаются через новые (9ь 92,рьр2) следующим образом:

а1 а2 х = —Р1 + —Р2 2к1 2к2

4ш 4ш2 91 +--92

а1к1

Й2К2

л

а1к1*

-Р1

Й2К2*

-Р2 ,

ШС1 ^2С2 , 2( 2( Рх = "-91 + т;-92 +--Р1 +--Р2

Ру =

2а1к1 2(^1

а1к1

91 -

2й2к2 2(^2

а1 к1

Й2К2

92 +

Ь1

2а1 к1

Р1 +

Й2К2

Ь2

2а2К2

Р2 , (16)

где введены обозначения

«7 = Л/9 + 4ш2

Ъз =9 - 4ш2

Так как частоты Ш1, ш2 удовлетворяют неравенству 0 < ш < 1/л/2 < Ш < 1, легко видеть, что в выражении для С2 под корнем находится отрицательное число. Причиной этого является выбор знака плюс для собственного значения Л2 = ¿Ш при выделении мнимой части собственного вектора У2 в выражении (12). Чтобы постоянная С2 была вещественной, достаточно в выражение (12) при выделении мнимой части собственного вектора У2 подставить Л2 = — ¿Ш2. При этом действительная часть ^2 собственного вектора У2 не изменяется

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком