Theorem von Noether

Mechanikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD

Der Artikel Theorem von Noether basiert auf der Vorlesungsmitschrift von Franz- Josef Schmitt des 3.Kapitels (Abschnitt 1) der Mechanikvorlesung von Prof. Dr. E. Schöll, PhD.

Theorem von Noether	Symmetrien und Erhaltungsgrößen
	Theorem von Noether Räumliche Translationsinvarianz Räumliche Isotropie Zeitliche Translationsinvarianz Das Zweikörperproblem	Das d'Alembertsche Prinzip Das Hamiltonsche Prinzip Symmetrien und Erhaltungsgrößen Der Hamiltonsche kanonische Formalismus Die Hamilton-Jacobi-Theorie Mechanik des starren Körpers Dynamische Systeme und deterministisches Chaos

Voraussetzung: Autonomes, das heißt, nicht explizit zeitabhängiges System mit f Freiheitsgraden und einer Lagrangefunktion

$L({{q}_{1}},...,{{\dot {q}}_{1}},...,t)$

Theorem ( E.Noether, 1882-1935)

Die Lagrangefunktion $L({{q}_{1}},...,{{\dot {q}}_{1}},...,t)$ eines autonomen Systems sei unter der Transformation

${\bar {q}}\to {{h}^{s}}({\bar {q}})$ invariant. Dabei ist s ein eindimensionaler Parameter und ${{h}^{s=0}}({\bar {q}})={\bar {q}}$ die Identität.

Dann gibt es ein Integral der Bewegung

$I({\bar {q}},{\dot {\bar {q}}})=\sum \limits _{i=1}^{f}{{\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}{{\left({\frac {d}{ds}}{{h}^{s}}({{q}_{i}})\right)}_{s=0}}}$

Beweis:

Sei ${\bar {q}}={\bar {q}}(t)$ eine Lösung der Lagrangegleichung. Dann ist auch ${\bar {q}}(s,t):={{h}^{s}}({\bar {q}},t)$ Lösung, das heißt:

${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L({\bar {q}}(s,t),{\dot {\bar {q}}}(s,t))}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}={\frac {\partial L({\bar {q}}(s,t),{\dot {\bar {q}}}(s,t))}{\partial {{q}_{i}}}}$

Invarianz der Lagrangefunktion für beliebige s:

${\begin{aligned}&{\frac {d}{ds}}L({\bar {q}}(s,t),{\dot {\bar {q}}}(s,t))=\sum \limits _{i=1}^{f}{\left({\frac {\partial L}{\partial {{q}_{i}}}}\left({\frac {d{{q}_{i}}}{ds}}\right)+{\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}{{\left({\frac {d{{\dot {q}}_{i}}}{ds}}\right)}_{}}\right)=}0\\&\Rightarrow {\frac {d}{dt}}I({\bar {q}},{\dot {\bar {q}}})=\sum \limits _{i=1}^{f}{{\frac {d}{dt}}\left({\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}{{\left({\frac {d}{ds}}{{h}^{s}}({{q}_{i}})\right)}_{s=0}}\right)=}\sum \limits _{i=1}^{f}{\left({\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}\left({\frac {d{{q}_{i}}}{ds}}\right)+{\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}{\frac {d}{dt}}{{\left({\frac {d{{q}_{i}}}{ds}}\right)}_{}}\right)}\\\end{aligned}}$

Mit

${\begin{aligned}&{\frac {d}{dt}}{\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}={\frac {\partial L}{\partial {{q}_{i}}}}\\&{\frac {d}{dt}}\left({\frac {d{{q}_{i}}}{ds}}\right)=\left({\frac {d{{\dot {q}}_{i}}}{ds}}\right)\\\end{aligned}}$

und mit Hilfe von

${\frac {d}{ds}}L({\bar {q}}(s,t),{\dot {\bar {q}}}(s,t))=\sum \limits _{i=1}^{f}{\left({\frac {\partial L}{\partial {{q}_{i}}}}\left({\frac {d{{q}_{i}}}{ds}}\right)+{\frac {\partial L}{\partial {{\dot {q}}_{i}}}}{{\left({\frac {d{{\dot {q}}_{i}}}{ds}}\right)}_{}}\right)=}0$

folgt dann:

${\frac {d}{dt}}I({\bar {q}},{\dot {\bar {q}}})={\frac {d}{ds}}L=0$