Eichtransformation der Lagrangefunktion

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Uneindeutigkeit der Lagrangefunktion

Die Lagarangefunktion wird duch die Lagrangegleichung nicht eindeutig festgelegt.

Betrachten wir beispielsweise ein geladenes Teilchen im elektrischen Feld:



e sei die Ladung

Bewegungsgleichung:



Die Lorentzkraft ist typischerweise nicht konservativ

Die Darstellung des elektrischen und magnetischen Feldes erfolgt über die Potenziale:



Dabei ist Skalar und A ein Vektorpotenzial (MKSA- System)

Ziel: Suche eine Lagrangefunktion in der Art, dass


Die Bewegungsgleichung ergeben.

Ansatz:



Probe:



Weiter:



Somit:



Somit erfüllt unser Ansatz die Bewegungsgleichungen

Eichtransformationen

Die Potenziale lassen sich umeichen mit Hilfe der Eichfunktion



Durch Eisnetzen sieht man schnell, dass sich die Felder nicht ändern:



Betrachten wir die Lagrangefunktion, so ergibt sich:



Einsetzen zeigt: L´ führt zu denselben Lagrangegleichungen wie L.

Die Eichtransformation



Mit einer beliebigen Eichfunktion M ( skalar) läßt die Lagrangegleichungen invariant.

Allgemein gilt:

Sei beliebig

und


dann erfüllen die


das hamiltonsche Prinzip

Also:



Das bedeutet, die Euler- Lagrangegleichungen sind invariant unter Transformationen der Art



mit beliebig.

Beweis:



mit



Einzige Nebenbedingung:


darf nicht explizit von abhängen.


Beispiel: eindimensionaler Oszi



Beispielhafte Eichfunktion:




Die Lagrangegleichungen lauten:



Es folgt als Bewegungsgleichung



Forminvarianz der Lagrangegleichung

Eine schwächere Form der Invarianz ( als die Eichinvarianz) ist die Forminvarianz.

Dabei gilt als Forminvarianz:



Für welche Trnsformationen der generalisierten Koordinaten



sind nun die Lagrangegleichungen forminvariant ?

Satz:

Sei ein C²- Diffeomorphismus,

also eine umkehrbare und eindeutige Abbildung und sind


beide zweimal stetig differenzierbar, dann ist


Lösung der Lagrangegleichung zur transformierten Lagrangefunktion:



mit



Diese Aussage ist äquivalent zur Aussage:


sind Lösung der Lagrangegleichungen zu


Beweis:


wegen



Nun:



und auf der anderen Seite:



Somit:



Dabei bildet


die Transformationsmatrix, die nichtsingulär sein muss, also


Daher die Bedingung, dass

Sei ein C²- Diffeomorphismus,

also eine umkehrbare und eindeutige Abbildung und


beide zweimal stetig differenzierbar.

Nur dann ist Lösung der Lagrangegleichung zur transformierten Lagrangefunktion.

Denn diese Aussage ist äquivalent zu



Man sagt, die Variationsableitung


ist kovariant unter diffeomorphen Transformationen der generalisierten Koordinaten

Also gibt es auch unendlich viele äquivalente Sätze generalisierter Koordinaten.