经典力学与天体力学中的数学问题

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出版者:科学出版社
作者:阿诺德
出品人:
页数:518
译者:
出版时间:2009-1
价格:96.00元
装帧:
isbn号码:9787030235077
丛书系列:国外数学名著系列(影印版)
图书标签:
  • 数学
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具体描述

This work describes the fundamental principles, problems, and methods of classical mechanics. The main attention is devoted to the mathematical side of the subject. The authors have endeavored to give an exposition stressing the working apparatus of classical mechanics. The book is significantly expanded compared to the previous edition. The authors have added two chapters on the variational principles and methods of classical mechanics as well as on tensor invariants of equations of dynamics. Moreover, various other sections have been revised, added or expanded. The main purpose of the book is to acquaint the reader with classical mechanics as a whole, in both its classical and its contemporary aspects.The book addresses all mathematicians, physicists and engineers.

《经典力学与天体力学中的数学问题》 一、 引言 经典力学作为物理学的基石,其发展历程与数学的进步息息相关。从牛顿的万有引力定律到拉格朗日和哈密顿的分析力学,数学工具的引入极大地深化了我们对物体运动规律的理解。天体力学,作为经典力学的重要分支,更是将数学的严谨性与宇宙的浩瀚之美融为一体。本书旨在深入探讨经典力学与天体力学中所蕴含的精妙数学问题,勾勒出这两大学科领域是如何借助数学的语言和方法,不断揭示宇宙运行的奥秘,并引领着人类对自然界的认识走向更深层次。 本书并非对经典力学和天体力学所有知识点的全面罗列,而是聚焦于其中那些尤为倚重数学思想、富有挑战性且极具启发性的核心问题。我们将从基础概念出发,逐步深入到更复杂的理论框架,展示数学在概念构建、模型建立、问题求解以及理论预测中的关键作用。通过对这些数学问题的细致剖析,读者不仅能领略力学和天体运动的优雅,更能体会到数学的强大力量和无穷魅力。 二、 经典力学中的数学核心问题 经典力学的核心在于描述和预测宏观物体的运动。在这一过程中,数学扮演了不可或缺的角色,尤其体现在以下几个方面: 1. 运动学与微积分的黎明: 经典力学的诞生与微积分的成熟几乎同步。牛顿在《自然哲学的数学原理》中,正是借助他独立发明的微积分(流数术),才得以严谨地描述物体的瞬时速度、加速度以及位置随时间的变化。 位移、速度与加速度的数学描述: 瞬时速度是位移对时间的导数,加速度则是速度对时间的导数。这一基础概念的引入,使得对变加速运动的精确分析成为可能,而此前只能依赖于平均量的粗略估算。本书将详细阐述如何利用导数来刻画物体的运动状态,以及这些数学概念如何直接对应于物理直觉。 积分在路径求解中的应用: 反过来,求解物体的运动轨迹,即已知加速度和初始条件,求位移,则需要用到积分。从基本的匀变速直线运动到更复杂的曲线运动,积分成为连接力和运动的桥梁。我们将展示如何通过定积分和不定积分来计算物体在一段时间内的位移,以及如何通过求解微分方程来确定物体的运动轨迹。 微分方程:力学定律的数学语言: 经典力学的基本定律,如牛顿第二定律(F=ma),本身就是一个微分方程。这个方程将作用在物体上的力与物体的运动状态(加速度)联系起来。本书将深入探讨二阶线性常微分方程在描述简单谐振子、阻尼振动、受迫振动等核心力学模型中的应用。读者将看到,理解和求解这些微分方程,便是理解和预测相应物理现象的关键。 2. 动力学与向量分析的统一: 牛顿力学将“力”引入运动的描述,使得运动的因果关系得以建立。向量的引入则为力的合成、分解提供了强大的工具,极大地简化了三维空间中的运动分析。 力的合成与分解: 力的叠加原理是向量加法的直接体现。在描述物体受到多个力作用时的运动时,向量分析能够高效地将复杂问题化为若干简单问题。本书将详细介绍向量的加减法、点积(内积)和叉积(外积)在力学问题中的应用,例如计算功、判断力是否产生力矩等。 功、能与动能定理的数学表达: 功是力在位移方向上的投影与位移的乘积,它引入了能量守恒的初步概念。动能定理(功等于动能的变化)更是能量概念在动力学中的具体体现。本书将从数学上推导这些定理,展示积分在功的计算中的重要性,并探讨保守力与非保守力的概念如何通过势能的数学描述来区分。 动量守恒定律与冲量: 动量(质量乘以速度)及其守恒定律是描述碰撞等相互作用问题的有力工具。冲量(力乘以作用时间)与动量变化的关系,为分析瞬时大力的作用提供了简洁的数学框架。本书将从向量的角度阐述动量守恒定律,并结合积分和微分方程,分析动量变化在各种情境下的物理意义。 3. 分析力学:从牛顿力学到更抽象的数学框架: 拉格朗日力学和哈密顿力学是经典力学在数学上更为精妙和普适的表述。它们摆脱了对力的直接依赖,转而关注系统的能量(拉格朗日量或哈密顿量),并在更抽象的数学空间中描述系统的演化。 变分原理与最小作用量原理: 拉格朗日力学的一个核心是最小作用量原理,即物理系统的运动路径是使得某个积分(作用量)取极值的路径。本书将介绍变分法的基本思想,以及如何通过欧拉-拉格朗日方程来导出系统的运动方程。这将展现数学的优美性和普适性,即从一个普适性的原理出发,可以推导出所有经典力学方程。 拉格朗日量与广义坐标: 拉格朗日量(T-V,动能减势能)的引入,使得系统动力学方程的导出不再受限于笛卡尔坐标系,而是可以在任意广义坐标系下进行。本书将深入讲解广义坐标、广义速度和广义动量的概念,以及如何利用拉格朗日方程在不同坐标系下求解复杂的力学问题,例如摆的运动、质点系的运动等。 哈密顿力学与相空间: 哈密顿力学则将系统描述置于一个更一般的“相空间”(由广义坐标和广义动量构成的空间)中。泊松括号和哈密顿方程构成了相空间中系统演化的基本规则。本书将重点介绍哈密顿方程的结构,以及泊松括号在描述守恒量和系统演化中的作用。读者将看到,哈密顿力学不仅是经典力学的一种更强大的表述,更是通往量子力学和统计力学的重要桥梁。 三、 天体力学中的数学奇迹 天体力学是将经典力学原理应用于研究天体运动的学科。其核心问题,如行星的轨道运动、月球的摄动、星系的形成与演化,都蕴含着深刻的数学挑战。 1. 万有引力定律与微分几何的雏形: 牛顿的万有引力定律是天体力学的基石。该定律的数学形式(引力与质量乘积成正比,与距离平方成反比)及其积分形式(计算任意分布的质量产生的引力)是经典的数学物理问题。 引力势能与守恒律: 引力是保守力,因此可以引入引力势能的概念。本书将详细讨论引力势能的数学定义,以及如何利用它来表述能量守恒定律,并以此分析天体的轨道能量。 开普勒定律的数学推导: 从万有引力定律出发,通过求解二体问题的运动方程(本质上是微分方程),可以严格地推导出开普勒行星运动三大定律。本书将展示这一关键的推导过程,揭示牛顿万有引力理论的预测能力和数学的严谨性。 中心力场的数学特性: 引力是一种典型的中心力场,其特点是力沿径向,大小仅与距离有关。本书将分析中心力场的数学性质,以及这类力场如何导致轨道运动的平面性和封闭性(椭圆轨道)。 2. 二体问题与解析解的辉煌: 描述两个质点之间相互作用(如太阳和地球)的二体问题,是天体力学中最基本也最成功的模型。其运动方程是可积的,存在完整的解析解。 轨道方程与极坐标: 在极坐标系下,二体问题的轨道方程可以得到一个非常简洁的数学形式。本书将详细展示如何利用微分方程的求解技巧,以及一些三角恒等式,来得到描述椭圆、抛物线和双曲线轨道的方程。 轨道的参数与轨道根数: 轨道的形状、大小、方向以及天体在轨道上的位置,都可以由一组称为“轨道根数”的参数来唯一确定。本书将介绍这些参数的数学意义,例如半长轴、偏心率、倾角、升交点黄经、近点幅角等,并展示如何从观测数据中计算出这些根数。 3. 三体问题与混沌的曙光: 当系统中的天体数量增加到三个或更多时,问题将变得异常复杂,其解析解往往不存在。三体问题是导致现代数学许多分支(如混沌理论)发展的催化剂。 三体问题的不可解性: 尽管存在一些特殊解(如拉格朗日点),但一般意义上的三体问题是不可积的,其运动轨迹在长期演化中难以精确预测。本书将简要介绍三体问题的数学困难,以及它为何成为天体力学的“瓶颈”。 数值模拟的重要性: 由于解析解的缺乏,天体力学中的多体问题严重依赖于数值计算和模拟。本书将讨论数值积分方法在求解复杂天文动力学问题中的作用,以及误差累积和稳定性等数学挑战。 混沌动力学在天体演化中的显现: 即使在经典力学框架下,三体及以上系统的动力学也可能呈现出混沌的特性——对初始条件极其敏感,长期演化轨迹不可预测。本书将初步探讨混沌理论在解释一些天文现象(如行星轨道的不稳定性、小行星的轨道迁移)中的潜在应用。 4. 摄动理论与近似方法的艺术: 实际的天体运动很少是完美的二体运动,它们受到其他天体引力的影响,产生“摄动”。摄动理论是研究这些微小偏差的数学工具。 摄动函数与平均运动: 引入“摄动函数”,可以量化其他天体对目标天体运动的影响。本书将介绍如何通过微扰方法(如小参数展开)来处理摄动项,并分析平均运动以及轨道根数随时间的变化。 周期性与非周期性摄动: 摄动可以是周期性的(如周期性的日地引力变化),也可以是非周期性的(如星际尘埃的摩擦)。本书将讨论不同类型摄动所带来的数学处理方式的差异。 数学模型与预测的精度: 摄动理论的发展,极大地提高了天体轨道预测的精度,为航天任务、导航和天文观测提供了坚实的基础。本书将展示,通过精妙的数学建模,人类得以窥探天体运动的深层规律,并做出准确的预测。 四、 结论 《经典力学与天体力学中的数学问题》系列,旨在通过对一系列具有代表性的数学问题的深入探讨,展现数学在理解和描述宏观世界以及宇宙运行规律中的核心地位。从微积分描述的瞬时运动,到向量分析统一的力的作用,再到分析力学抽象的运动规律;从牛顿万有引力定律的普适性,到二体问题的解析优雅,再到三体问题的混沌挑战,本书将力学与天体运动的精髓,借由数学的语言得以淋漓尽致地展现。 本书并非是枯燥的公式堆砌,而是通过梳理历史脉络,剖析关键概念,引导读者理解数学思维如何孕育物理洞见,以及物理问题如何驱动数学创新。我们希望通过本书,能够激发读者对数学和物理学的更深层次的兴趣,理解这两门学科之间密不可分的关系,并认识到,正是数学的严谨与创造力,帮助我们不断拓展认知的边界,揭示宇宙深邃的奥秘。学习这些数学问题,不仅仅是在学习物理,更是在学习一种理解世界、分析问题的强大思维方式。

作者简介

目录信息

1 Basic Principles of Classical Mechanics
1.1 Newtonian Mechanics
1.1.1 Space, Time, Motion
1.1.2 Newton-Laplace Principle of Determinacy
1.1.3 Principle of Relativity
1.1.4 Principle of Relativity and Forces of Inertia
1.1.5 Basic Dynamical Quantities. Conservation Laws
1.2 Lagrangian Mechanics
1.2.1 Preliminary Remarks
1.2.2 Variations and Extremals
1.2.3 Lagranges Equations
1.2.4 Poincares Equations
1.2.5 Motion with Constraints
1.3 Hamiltonian Mechanics
1.3.1 Symplectic Structures and Hamiltons Equations
1.3.2 Generating Functions
1.3.3 Symplectic Structure of the Cotangent Bundle
1.3.4 The Problem of n Point Vortices
1.3.5 Action in the Phase Space
1.3.6 Integral Invariant
1.3.7 Applications to Dynamics of Ideal Fluid
1.4 Vakonomic Mechanics
1.4.1 Lagranges Problem
1.4.2 Vakonomic Mechanics
1.4.3 Principle of Determinacy
1.4.4 Hamiltons Equations in Redundant Coordinates
1.5 Hamiltonian Formalism with Constraints
1.5.1 Diracs Problem
1.5.2 Duality
1.6 Realization of Constraints
1.6.1 Various Methods of Realization of Constraints
1.6.2 Holonomic Constraints
1.6.3 Anisotropic Friction
1.6.4 Adjoint Masses
1.6.5 Adjoint Masses and Anisotropic Friction
1.6.6 Small Masses
2 The n-Body Problem
2.1 The Two-Body Problem
2.1.1 Orbits
2.1.2 Anomalies
2.1.3 Collisions and Regularization
2.1.4 Geometry of Keplers Problem
2.2 Collisions and Regularization
2.2.1 Necessary Condition for Stability
2.2.2 Simultaneous Collisions
2.2.3 Binary Collisions
2.2.4 Singularities of Solutions of the n-Body Problem
2.3 Particular Solutions
2.3.1 Central Configurations
2.3.2 Homographic Solutions
2.3.3 Effective Potential and Relative Equilibria
2.3.4 Periodic Solutions in the Case of Bodies cf Equal Masses
2.4 Final Motions in the Three-Body Problem
2.4.1 Classification of the Final Motions According to Chazy.
2.4.2 Symmetry of the Past and Future
2.5 Restricted Three-Body Problem
2.5.1 Equations of Motion. The Jacobi Integral
2.5.2 Relative Equilibria and Hill Regions
2.5.3 Hills Problem
2.6 Ergodic Theorems of Celestial Mechanics
2.6.1 Stability in the Sense of Poisson
2.6.2 Probability of Capture
2.7 Dynamics in Spaces of Constant Curvature
2.7.1 Generalized Bertrand Problem
2.7.2 Keplers Laws
2.7.3 Celestial Mechanics in Spaces of Constant Curvature
2.7.4 Potential Theory in Spaces of Constant Curvature
3 Symmetry Groups and Order Reduction.
3.1 Symmetries and Linear Integrals
3.1.1 NSthers Theorem
3.1.2 Symmetries in Non-Holonomic Mechanics
3.1.3 Symmetries in Vakonomic Mechanics
3.1.4 Symmetries in Hamiltonian Mechanics
3.2 Reduction of Systems with Symmetries
3.2.1 Order Reduction (Lagrangian Aspect)
3.2.2 Order Reduction (Hamiltonian Aspect)
3.2.3 Examples: Free Rotation of a Rigid Body and the Three Body Problem
3.3 Relative Equilibria and Bifurcation of Integral Manifolds
3.3.1 Relative Equilibria and Effective Potential
3.3.2 Integral Manifolds, Regions of Possible Motion, and Bifurcation Sets
3.3.3 The Bifurcation Set in the Planar Three-Body Problem
3.3.4 Bifurcation Sets and Integral Manifolds in the Problem of Rotation of a Heavy Rigid Body with a Fixed Point
4 Variational Principles and Methods
4.1 Geometry of Regions of Possible Motion
4.1.1 Principle of Stationary Abbreviated Action
4.1.2 Geometry of a Neighbourhood of the Boundary
4.1.3 Riemannian Geometry of Regions of Possible Motion with Boundary
4.2 Periodic Trajectories of Natural Mechanical Systems
4.2.1 Rotations and Librations
4.2.2 Librations in Non-Simply-Connected Regions of Possible Motion
4.2.3 Librations in Simply Connected Domains and Seiferts Conjecture
4.2.4 Periodic Oscillations of a Multi-Link Pendulum
4.3 Periodic Trajectories of Non-Reversible Systems
4.3.1 Systems with Gyroscopic Forces and Multivalued Functionals
4.3.2 Applications of the Generalized Poincare Geometric Theorem
4.4 Asymptotic Solutions. Application to the Theory of Stability of Motion
4.4.1 Existence of Asymptotic Motions
4.4.2 Action Function in a Neighbourhood of an Unstable Equilibrium Position
4.4.3 Instability Theorem
4.4.4 Multi-Link Pendulum with Oscillating Point of Suspension
4.4.5 Homoclinic Motions Close to Chains of Homoclinic Motions
5 Integrable Systems and Integration Methods
5.1 Brief Survey of Various Approaches to Integrability of Hamiltonian Systems
5.1.1 Quadratures
5.1.2 Complete Integrability
5.1.3 Normal Forms
5.2 Completely Integrable Systems
5.2.1 Action-Angle Variables
5.2.2 Non-Commutative Sets of Integrals
5.2.3 Examples of Completely Integrable Systems
5.3 Some Methods of Integration of Hamiltonian Systems
5.3.1 Method of Separation of Variables
5.3.2 Method of L-A Pairs
5.4 Integrable Non-Holonomic Systems
5.4.1 Differential Equations with Invariant Measure
5.4.2 Some Solved Problems of Non-Holonomic Mechanics.
6 Perturbation Theory for Integrable Systems
6.1 Averaging of Perturbations
6.1.1 Averaging Principle
6.1.2 Procedure for Eliminating Fast Variables. Non-Resonant Case
6.1.3 Procedure for Eliminating Fast Variables. Resonant ase
6.1.4 Averaging in Single-Frequency Systems
6.1.5 Averaging in Systems with Constant Frequencies
6.1.6 Averaging in Non-Resonant Domains
6.1.7 Effect of a Single Resonance
6.1.8 Averaging in Two-Frequency Systems
6.1.9 Averaging in Multi-Frequency Systems
6.1.10 Averaging at Separatrix Crossing
6.2 Averaging in Hamiltonian Systems
6.2.1 Application of the Averaging Principle
6.2.2 Procedures for Eliminating Fast Variables
6.3 KAM Theory
6.3.1 Unperturbed Motion. Non-Degeneracy Conditions
6.3.2 Invariant Tori of the Perturbed System
6.3.3 Systems with Two Degrees of Freedom
6.3.4 Diffusion of Slow Variables in Multidimensional Systems and its Exponential Estimate
6.3.5 Diffusion without Exponentially Small Effects
6.3.6 Variants of the Theorem on Invariant Tori
6.3.7 KAM Theory for Lower-Dimensional Tori
6.3.8 Variational Principle for Invariant Tori. Cantori
6.3.9 Applications of KAM Theory
6.4 Adiabatic Invariants
6.4.1 Adiabatic Invariance of the Action Variable in Single-Frequency Systems
……
7 Non-Integrable Systems
8 Theory of Small Oscillations
9 Tensor Invariants of Equations of Dynamics
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用户评价

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这本书的深度和广度,着实让我这个自认为对经典物理有一定了解的读者感到震撼。我原本以为,经典力学无非就是牛顿定律和少数几个守恒量的问题,但这本书彻底颠覆了我的认知。它将数学的抽象性与物理的实在性完美地结合起来,展示了如何用群论的视角去审视对称性和守恒律之间的深刻联系。特别是当涉及到刚体运动的欧拉方程部分,作者没有仅仅停留在求解层面,而是深入探讨了李群和李代数在描述旋转对称性上的威力。那种将纯粹的代数结构与具体的物理运动精确映射的瞬间,带来的智力上的满足感是无与伦比的。我甚至忍不住停下来,查阅了许多作者在脚注中提到的参考资料,因为作者的叙述总是在恰到好处的地方留下一个悬念或一个更深层次的暗示,激发读者主动探索的欲望。这种“授人以渔”的教学风格,远比填鸭式的灌输要高明得多,它培养的不是记忆力,而是物理直觉和数学建模的能力。

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这本书的行文风格是一种非常内敛而精确的理性美学。作者的语言极其克制,每一个词语的选择似乎都经过了反复的推敲,以确保其表达的无歧义性。它不像有些科普读物那样,为了吸引眼球而使用过多夸张的修辞,而是保持着一种学者特有的严谨和淡定。即便是讨论到那些已经被历史证明的伟大理论,作者也保持着一种批判性的眼光,例如在对比牛顿体系和解析力学体系的优劣时,作者清晰地指出了各自的适用范围和潜在的哲学差异,而非盲目崇拜。这种客观和公正的叙述态度,让我感到无比信赖。读这本书,就像是跟一位技艺精湛的老匠人一起打磨一件精密仪器,你不仅学会了工具的使用方法,更重要的是,体会到了制造这件工具背后的哲学和对完美的不懈追求。它教会我的,是如何以一种更加审慎和深入的方式去面对科学问题。

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我发现这本书的价值远超出了“教材”的范畴,它更像是一部关于“物理学家思维方式”的导论。作者似乎有意地在书中嵌入了许多历史性的思考脉络,让你能感受到知识是如何一步步被“发现”和“完善”的。例如,在讲述变分原理时,作者没有直接跳到欧拉-拉格朗日方程,而是先回顾了费马的光学原理,再引出牛顿的力学原理,最终汇聚到哈密顿的最小作用量表述,这使得整个理论体系的建立过程充满了历史的厚重感和必然性。这种将理论置于其历史发展背景中的做法,极大地增强了学习的代入感和趣味性。它让读者明白,那些看似天经地义的公式,背后是无数先驱者智慧的结晶和思想的碰撞。读完这本书,我感觉自己不仅掌握了一套强大的数学工具,更重要的是,我的思维框架似乎也得到了某种程度的重塑和升级,对物理世界的认知维度被拓宽了许多。

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这本书的封面设计简洁却又不失庄重感,那种深邃的蓝色调配合着烫金的书名,让人一眼就能感受到它所蕴含的厚重学术气息。初次翻开时,那种纸张特有的微黄和印刷的清晰度,都透露出一种匠心。我尤其欣赏作者在章节安排上的逻辑性,它并非简单地罗列知识点,而是构建了一个从基础概念到复杂应用的完整知识体系。例如,在介绍拉格朗日量和哈密顿量时,作者并未急于展示那些令人望而却步的微分方程,而是先用非常直观的物理图像和类比,将“作用量最小原理”这个核心思想刻画得淋漓尽致。这对于我这种基础相对薄弱,但对物理思想又充满好奇心的读者来说,简直是福音。它成功地搭建了一座坚实的桥梁,让那些原本看似高高在上的数学工具,变得触手可及,仿佛作者正耐心地在耳边讲解,引导着我们一步步深入那个优雅而精确的力学世界。这种循序渐进的引导方式,极大地降低了初学者的畏难情绪,让人有信心将整本书读完并真正领悟其中精髓。

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阅读过程中,我发现这本书的插图和图解质量极高,这在很多理工科教材中是难以企及的。它们并非简单的示意图,而是经过精心设计的,旨在帮助读者理解那些空间上难以想象的抽象概念。譬如,在讲解相空间轨迹和庞加莱截面时,作者提供的三维图示,清晰地展示了系统的稳定性和混沌行为的临界点。这种视觉辅助的效力是惊人的,它将原本需要花费大量时间在脑海中构建的复杂图像,直接呈现在眼前,极大地加速了理解过程。更值得称道的是,书中提供的例题和习题设置,其难度梯度设计得非常巧妙。前面的习题侧重于对基本公式的熟练运用,而后面的挑战性题目,则往往需要读者综合运用多章节的知识,甚至需要一些创新性的数学技巧才能攻克。我花了两周时间才完全理清了其中一个关于微扰理论应用的习题,过程虽然艰辛,但最终的豁然开朗感,完全值回票价。

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这本书轨道力学老师讲过,太偏理论。

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