The Principle of Least Action
ๅจ Lagrangian mechanics ไธญ๏ผๆไปฌๅฐ่ฏ็จไธไธชๅฝๆฐ L(๐ฅ,ห๐ฅ,๐ก) ๆฅๆ่ฟฐ็ณป็ป็ๅจๅๅญฆใ่ฟไธชๅฝๆฐๆไปฌๅซ Lagrangianใๅฏนไบๅพๅค้็ธๅฏน่ฎบใไฟๅฎๅ็ณป็ป๏ผๅนถไธๅฟ่ฝไธไพ่ต้ๅบฆๆถ๏ผๅธธ่ง็ Lagrangian ๆฏ
L(๐ฅ,ห๐ฅ,๐ก)=๐โ๐
ๅ
ถไธญ ๐ ๆฏๅจ่ฝ๏ผ๐ ๆฏๅฟ่ฝใไนฆ้้ขๅ็ๆฏ L(๐ฅ,ห๐ฅ)๏ผ่กจ็คบ Lagrangian ๆฒกๆๆพๅซๆถ้ด๏ผๆฏๅฆ่ฏดๅฟ่ฝๅบๅๆถ้ดๆ ๅ
ณ่ฟ็งใ
The action of a trajectory is written
A=โซ๐ก1๐ก0L(๐ฅ,ห๐ฅ,๐ก)d๐ก
The Principle of Least Action ่ฎฒ็ๆฏ๏ผ็ฉไฝ่ฟๅจ่ฝจ่ฟน็็ๅฎ่ทฏๅพๆฏๅจ่ตท็นๅ็ป็นๅบๅฎ็ๆๆๅฏ่ฝ่ทฏๅพไธญ๏ผไฝฟ action stationary ็่ทฏๅพ๏ผไนๅฐฑๆฏ ๐ฟA=0ใๆไปฅ่ฟ้็ Least Action ๅ
ถๅฎไธๆฏ least๏ผๆฏ stationaryใ
้่ฆๆณจๆ็ๆฏ๏ผๅ ไธบ The Theoretical Minimum ็่ฎฒ่ฟฐ้กบๅบ๏ผๅพๅฎนๆๆ L=๐โ๐ ๅปๅจ่ๅญ้ใไฝไบๅฎไธ L ไธไธๅฎๆฏ ๐โ๐๏ผๅช่ฆๅฎ่ฝๅค็ปๅบๆญฃ็กฎ็่ฟๅจๆน็จ๏ผๅฐฑๅฏไปฅไฝไธบ่ฟไธช็ณป็ป็ Lagrangianใ่ฟ้่งๅพ The Feynman Lectures on Physics ้ๅคด่ฎฒ็ๆดๆธ
ๆฅไธ็น๏ผไป้้ขไธพ็ไพๅญๆฏๅธฆ็ต็ฒๅญๅจ็ต็ฃๅบไธญ็่ฟๅจ๏ผ
L=โ๐0๐2โ1โ๐ฃ2/๐2โ๐(๐โ๐โ
๐จ).
ๅผ็จไธไธไป็่ฟๆฎต่ฏ๏ผ
I would like to emphasize that in the general case, for instance in the relativistic formula, the action integrand no longer has the form of the kinetic energy minus the potential energy. Thatโs only true in the nonrelativistic approximation. For example, the term ๐0๐2โ1โ๐ฃ2๐2 is not what we have called the kinetic energy. The question of what the action should be for any particular case must be determined by some kind of trial and error. It is just the same problem as determining what are the laws of motion in the first place. You just have to fiddle around with the equations that you know and see if you can get them into the form of the principle of least action.
Lagrangian ไธๆฏๅฏไธ็ใ็ป Lagrangian ๅ ไธไธช total time derivative dd๐ก๐น(๐ฅ,๐ก) ไธไผๅฝฑๅ็ปๆ๏ผๅ ไธบ
Aโฒ=โซ๐ก1๐ก0Lโฒd๐ก=โซ๐ก1๐ก0(L+dd๐ก๐น(๐ฅ,๐ก))d๐ก=โซ๐ก1๐ก0Ld๐ก+๐น(๐ฅ1,๐ก1)โ๐น(๐ฅ0,๐ก0)=A+๐น(๐ฅ1,๐ก1)โ๐น(๐ฅ0,๐ก0)
ไนๅฐฑๆฏ A ๅ ไบไธชๅธธๆฐใ
ๆไปฌๅฐ่ฏ่งฃ ๐ฟA=0ใๆ นๆฎ Euler-Lagrange equation๏ผๆไปฌๆ
dd๐ก๐L๐ห๐ฅโ๐L๐๐ฅ=0
ๅ
ทไฝ่ฏๆ็่ฏ๏ผThe Theoretical Minimum ๅ The Feynman Lectures on Physics ้็่ฏๆไธๅคชไธๆ ทใTM ๆฏๆ L ็ๆ ๐ก ไธ็้ปๆผๅ๏ผ็ถๅๅฏนๆฏไธๅฐๆฎต่ฟ่กๆฑๅฏผใFL ้ฃๆฌไนฆ็่ฏๆๆบๆ ๅๅ็๏ผๆไปฌไธๅฆๅๆ ๅๅไธ็น๏ผๅปๅคไน ไธไธ Bishop ้ฃๆฌ Deep Learning ้็่ฏๆใ
The Theoretical Minimum ็่ฏๆ
ไปๆฏๆ็งฏๅ็ๆๆฑๅ
A=โซ๐ก1๐ก0L(๐ฅ,ห๐ฅ,๐ก)d๐ก=โ๐L(๐ฅ๐,ห๐ฅ๐,๐ก)ฮ๐ก=โ๐L(๐ฅ๐,๐ฅ๐+1โ๐ฅ๐ฮ๐ก,๐ก)ฮ๐ก
้
ฑ็ดซ
๐A๐๐ฅ๐=(๐๐๐ฅ๐L(๐ฅ๐,๐ฅ๐+1โ๐ฅ๐ฮ๐ก,๐ก)+๐๐๐ฅ๐L(๐ฅ๐โ1,๐ฅ๐โ๐ฅ๐โ1ฮ๐ก,๐ก))ฮ๐ก
ๅ
ถไธญ
๐๐๐ฅ๐L(๐ฅ๐,๐ฅ๐+1โ๐ฅ๐ฮ๐ก,๐ก)=๐L๐๐ฅโฃ๐โ1ฮ๐กโ
๐L๐ห๐ฅโฃ๐
็ถๅ
๐๐๐ฅ๐L(๐ฅ๐โ1,๐ฅ๐โ๐ฅ๐โ1ฮ๐ก,๐ก)=1ฮ๐กโ
๐L๐ห๐ฅโฃ๐โ1
ๆไปฅ่ฏด
๐A๐๐ฅ๐=ฮ๐ก๐L๐๐ฅโฃ๐โ(๐L๐ห๐ฅโฃ๐โ๐L๐ห๐ฅโฃ๐โ1)
่่ๅฐ A ่ฆ stationary๏ผไนๅฐฑๆฏ ๐A๐๐ฅ๐=0๏ผ
๐L๐๐ฅโฃ๐โ1ฮ๐ก(๐L๐ห๐ฅโฃ๐โ๐L๐ห๐ฅโฃ๐โ1)=0
ไนๅฐฑๆฏ
๐L๐๐ฅโdd๐ก๐L๐ห๐ฅ=0
Bishop Deep Learning ็่ฏๆ
Bishop ไนฆ้่ฏฆ็ปๅฎไนไบ ๐ฟ๐น๏ผๅฏนไบ functional ๐น(๐ฆ(๐ฅ))๏ผๆไปฌๅฎไน ๐ฟ๐น๐ฟ๐ฆ(๐ฅ)๏ผ
๐น(๐ฆ(๐ฅ)+๐๐(๐ฅ))=๐น(๐ฆ(๐ฅ))+๐โซ๐๐๐ฟ๐น๐ฟ๐ฆ(๐ฅ)๐(๐ฅ)d๐ฅ+O(๐2)
ๅ
ถไธญ ๐(๐)=๐(๐)=0ใ
้ฃๆไปฌๅ่ฎพ
๐น(๐ฆ(๐ฅ))=โซ๐๐๐บ(๐ฆ(๐ฅ),๐ฆโฒ(๐ฅ),๐ฅ)d๐ฅ
ๆไปฌๆ
๐น(๐ฆ(๐ฅ)+๐๐(๐ฅ))=โซ๐๐๐บ(๐ฆ(๐ฅ)+๐๐(๐ฅ),๐ฆโฒ(๐ฅ)+๐๐โฒ(๐ฅ),๐ฅ)d๐ฅ=โซ๐๐(๐บ(๐ฆ(๐ฅ),๐ฆโฒ(๐ฅ),๐ฅ)+๐๐บ๐๐ฆโ
๐๐(๐ฅ)+๐๐บ๐๐ฆโฒโ
๐๐โฒ(๐ฅ)+O(๐2))d๐ฅ=๐น(๐ฆ(๐ฅ))+๐โซ๐๐(๐๐บ๐๐ฆ๐(๐ฅ)+๐๐บ๐๐ฆโฒ๐โฒ(๐ฅ))d๐ฅ+O(๐2)
ๆไปฌไนๅๆณ่ฎฉ ๐ฟ๐น๐ฟ๐ฆ(๐ฅ)=0 ็ถๅๅป่งฃ๏ผๆไปฅๆไปฌๅธๆๆ ๐โฒ(๐ฅ) ๆถๆ๏ผๅช็ไธ ๐ใๆไปฌ่่ๅฏน ๐๐บ๐๐ฆโฒ๐โฒ ๅๅ้จ็งฏๅ๏ผ
โซ๐๐๐๐บ๐๐ฆโฒ๐โฒ(๐ฅ)d๐ฅ=โซ๐๐๐๐บ๐๐ฆโฒd๐=(๐๐๐บ๐๐ฆโฒ)โฃ๐๐โโซ๐๐๐(๐ฅ)dd๐ฅ(๐๐บ๐๐ฆโฒ)d๐ฅ
่่ๅฐ ๐(๐)=๐(๐)=0๏ผๆไปฌๆ
โซ๐๐๐๐บ๐๐ฆโฒ๐โฒ(๐ฅ)d๐ฅ=โโซ๐๐๐(๐ฅ)dd๐ฅ(๐๐บ๐๐ฆโฒ)d๐ฅ
ๆไปฅ
๐น(๐ฆ(๐ฅ)+๐๐(๐ฅ))=๐น(๐ฆ(๐ฅ))+๐โซ๐๐(๐๐บ๐๐ฆโdd๐ฅ(๐๐บ๐๐ฆโฒ))๐(๐ฅ)d๐ฅ+O(๐2)
่่ๅฐ ๐ ไปปๆ๏ผ้ฃไน ๐ ๅ้ข็็ณปๆฐๅฟ
้กปๅคๅคไธบ้ถใๆไปฅๆไปฌๅฐฑ่ฝๆจๅบ Euler-Lagrange ๆน็จ๏ผ
๐๐บ๐๐ฆโdd๐ฅ(๐๐บ๐๐ฆโฒ)=0
ๅฆๆๆๅคไธช็ฉไฝ็่ฏ๏ผๆไปฌๅฏไปฅๆไปไปฌ็้ๅ็ๆๆดไฝ
L({๐ฅ},ห{๐ฅ},๐ก)=โ๐(12๐๐ห๐ฅ2๐)โ๐({๐ฅ},๐ก)
Generalized momentum conjugate / Conjugate momentum:
๐๐=๐L๐ห๐๐
ๅ
ถไธญ ๐๐ ๅฏไปฅๆฏไปปๆๅๆ ็ณป็ปใ่ฟ้ๆไปฌ้ๅธธๆ ๐ฅ ๅฝๆๆฎ้็็ฌๅกๅฐๅๆ ๏ผ็ถๅ ๐๐ ๅฝๆๆฏไปปๆๅๆ ใ
ๆๆถๅ ๐๐ ไธๅบ็ฐๅจ L ไธญ๏ผไนๅฐฑๆฏ ๐L๐๐๐=0๏ผๆไปฌๅฐฑ่ฏด ๐๐ ๆฏ cyclic coordinateใๆญคๆถ L ๅฏไปฅไพ่ต ห๐๐๏ผไนๅฏไปฅไพ่ตๅ
ถไปๅๆ ๅ้ๅบฆใ
่ฟๆถๅ
ห๐๐=dd๐ก(๐L๐ห๐๐)=๐L๐๐๐=0
ไนๅฐฑๆฏ่ฏด ๐๐ ไธ็ดไธๅใ
ไธพไธชไพๅญ๏ผๆฏๅฆ่ฏดไธ็ปดๅๆ ไธๆไธคไธช็ฒๅญๅจ ๐ฅ1,๐ฅ2๏ผๆไปฌๆ๏ผ
L=๐2(ห๐ฅ21+ห๐ฅ22)โ๐(๐ฅ1โ๐ฅ2)
ๅฆๆๆไปฌๅ
{๐ฅ+=12(๐ฅ1+๐ฅ2)๐ฅโ=12(๐ฅ1โ๐ฅ2)
ๆไปฌๅฐฑๆ
L=๐(ห๐ฅ2++ห๐ฅ2โ)โ๐(2๐ฅโ)
่ฟๆถๅๆไปฌๅฐฑ่ฏด ๐ฅ+ ๆฏ cyclic coordinate๏ผ่ ๐+=2๐ห๐ฅ+=๐ห๐ฅ1+๐ห๐ฅ2 ๆฏไธๅ็ใ
Symmetries and Conservation Laws
ๅฏน็งฐๆงๅคงๆฆ็ๆๆๆฏๆ๏ผๅไบๆไธชๅๆขไนๅ๏ผ็ณป็ป็ๆไธช้่ฆ็ไธ่ฅฟๆฒกๅใ
ๅ
ณไบๅๆข๏ผๆๆถๅๆไปฌๅฏไปฅๅ infinitesimal steps๏ผๆฏๅฆๆ ๐ฅ ็งปๅจๅฐ ๐ฅ+๐ฟใ่ฟๆถๅๆไปฌ่ฏด่ฟไธช transformation ๆฏ continuous ็ใๅ็ปญไธบไบๆนไพฟ๏ผๆไปฌ่ฎฐๅๆข
๐ฟ๐๐=๐๐(๐)๐ฟ
ๅ
ถๅฎ ๐๐ ๅฐฑ็ฑปไผผไบๅๆข็ๅฏผๆฐๅใๆฏๅฆๅฏนไบๅนณ็งปๅๆข๏ผๅฐฑๆฏ ๐ฟ๐๐=๐ฟใ
้ฃไน
๐ฟห๐๐=dd๐ก(๐๐+๐ฟ๐๐)โdd๐ก๐๐=dd๐ก(๐ฟ๐๐)
ๆไปฌ่่ๅจ็ฉบ้ดไธไฝๅๆข๏ผๆไปฌๆ๏ผ
๐ฟL=โ๐(๐L๐ห๐๐๐ฟห๐๐+๐L๐๐๐๐ฟ๐๐)+๐L๐๐ก๐ฟ๐ก
ๅ ไธบๆฏๅจ็ฉบ้ดไธไฝๅๆข๏ผ๐ฟ๐ก=0๏ผๆไปฅๆไปฌๅฏไปฅๅช็ๅ้ข็้กน๏ผ
๐ฟL=โ๐(๐L๐ห๐๐๐ฟห๐๐+๐L๐๐๐๐ฟ๐๐)
่่ๅฐๅจ็ๅฎ่ฟๅจ่ฝจ่ฟนไธ๏ผ๐L๐ห๐๐=๐๐,๐L๐๐๐=ห๐๐
ๆไปฅ
๐ฟL=โ๐(๐๐๐ฟห๐๐+ห๐๐๐ฟ๐๐)=โ๐dd๐ก(๐๐๐ฟ๐๐)=dd๐กโ๐๐๐๐ฟ๐๐
ๅฆๆๅๆขๅ
ณไบ L ๅฏน็งฐ๏ผไนๅฐฑๆฏ ๐ฟL=0๏ผ้ฃไน
dd๐กโ๐๐๐๐๐(๐)=0
ไนๅฐฑๆฏ
Q=โ๐๐๐๐๐(๐)
ๅฎๆใ
ๅฆๆๅๆ ไธ็ปด็๏ผ่ฟๆถๅ ๐ฟ๐๐=๐ฟ ไนๅฐฑๆฏ ๐๐=1๏ผ้ฃไน
Q=โ๐๐๐
ๅ
ถๅฎๅฐฑๆฏๅจ้ๅฎๆใ
ๅฆๆๆฏๆๅๆ (๐,๐)๏ผๆไปฌๆๅฏนไบๆ่ฝฌๅๆข
{๐ฟ๐=0๐ฟ๐=๐ฟ
ไนๅฐฑๆฏ
{๐๐=0๐๐=1
้ฃไน
Q=โ๐๐๐๐๐(๐)=๐๐โ
0+๐๐โ
1=๐๐
ๅฎๆใ
ๅฏนไบๆฎ้ไบ็ปดๅนณ้ขๅ
็็ฒๅญ
L=12๐(ห๐2+๐2ห๐2)โ๐(๐)
ๆไปฅ
๐๐=๐L๐ห๐=๐๐2ห๐
ๆไปฅๅ
ถๅฎๅฐฑๆฏ่งๅจ้ๅฎๆใ
Hamiltonian Mechanics and Time-Translation Invariance
ๆไปฌ็ฐๅจๆฅ็็ๅจๆถ้ดไธๅๆขไผๆฏไปไนๆ ท็็ปๆ๏ผ
dLd๐ก=โ๐(๐L๐๐๐ห๐๐+๐L๐ห๐๐ยจ๐๐)+๐L๐๐ก=โ๐(ห๐๐ห๐๐+๐๐ยจ๐๐)+๐L๐๐ก=dd๐กโ๐๐๐ห๐๐+๐L๐๐ก
ๆไปฅ่ฏดๆไปฌๆ
dd๐ก(โ๐๐๐ห๐๐โL)=โ๐L๐๐ก
ไนๅฐฑๆฏ่ฏด๏ผๅฝ L ๅ
ณไบๆถ้ดๅฏน็งฐๆถ๏ผ
H=โ๐๐๐ห๐๐โL
ๅฎๆใ
่ฟไธช H ๆไปฌๅซไป Hamiltonianใ
ๅฏนไบ็้กฟๅๅญฆ้็
L=๐โ๐=12๐ห๐ฅ2โ๐
ๆไปฌๆ
H=(๐ห๐ฅ)ห๐ฅโ12๐ห๐ฅ2+๐=12๐ห๐ฅ2+๐=๐+๐
ๅ
ถๅฎไนๅฐฑๆฏ่ฝ้ใ