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分数阶非保守Lagrange系统的一类新型绝热不变量

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

摘要:为了更加准确地描述复杂非保守系统的动力学行为, 将Herglotz变分原理推广到分数阶模型, 研究分数阶非保守Lagrange系统的绝热不变量. 首先, 基于Herglotz变分问题, 导出分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz型微分变分原理并进一步得到分数阶非保守Lagrange系统的运动微分方程; 其次, 引进无限小单参数变换, 由等时变分和非等时变分的关系, 导出了分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz型精确不变量; 再次, 研究小扰动对分数阶Lagrange系统的影响, 建立了基于Caputo导数的分数阶Lagrange系统的绝热不变量存在的条件, 得到了该系统的Herglotz型绝热不变量; 最后, 举例说明结果的应用.
关键词: 非保守Lagrange系统/
Herglotz广义变分原理/
不变量/
分数阶微积分

English Abstract


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Herglotz广义变分原理是由Herglotz[1]提出来的, 它的作用量是由微分方程定义的. 与经典的变分原理相比, 它有如下几点特征: 其一, 给出了非保守动力学过程的变分描述. 然而, 经典变分原理不能将非保守系统表示为泛函的极值; 其二, 经典的哈密顿原理是Herglotz广义变分原理的一个特例. 因此, Herglotz广义变分原理不仅可以描述所有可以用经典变分原理描述的物理过程, 还可以描述经典变分原理不能应用的问题; 其三, Herglotz广义变分原理将保守过程和非保守过程统一为同一动力学模型, 从而能够系统地处理实际动力学问题. 由于这一优势, Herglotz广义变分原理被广泛地应用于研究非保守系统和耗散系统的Noether定理. Georgieva和Gueuther[2]和Georgieva等[3]基于Herglotz广义变分原理得到了Noether定理. Santos等[4,5]研究了高阶Herglotz变分问题和含时滞的Herglotz变分问题的Noether定理. Zhang和Tian[6-12]基于Herglotz广义变分原理在非保守非完整系统、Birkhoff系统、非保守Lagrange系统、相空间以及分数阶模型上分别研究了Noether对称性与守恒量. 但是关于Herglotz型绝热不变量的研究还处于起步阶段, 尚未引起重视.
研究非保守或非线性动力学的对称性和不变量具有重要的意义, 也是分析力学的前沿研究领域. 当力学系统受到小扰动时, 系统的对称性和守恒量都会发生改变, 我们称之为对称性摄动与绝热不变量. 近年来, 关于绝热不变量的研究已经取得了许多成果, 包括Noether型[13-16]、Hojman型[17-20]和Mei型[21]的绝热不变量. 最近, 绝热不变量的研究还被推广到了分数阶微积分的框架下[22-24]. 可以发现这些绝热不变量都是通过研究对称性得到的. 实际上, 绝热不变量也可以通过微分变分原理得到. 本文将基于Herglotz型微分变分原理, 给出分数阶非保守Lagrange系统的一类新型绝热不变量, 并证明该绝热不变量存在的条件及其形式.
在这一节中, 回顾本文中所用到的分数阶导数的一些基本定义和性质, 可参考文献[25].
左Riemann-Liouville分数阶导数定义如下:
${}_a^{\rm{RL}}D{}_t^\alpha f(t) = \frac{1}{{\Gamma (k \!-\! \alpha )}}{\left( {\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}} t}}} \right)^k}{\int_a^t {\left( {t \!-\! \xi } \right)} ^{k \!-\! \alpha \!-\! 1}}f\left( \xi \right){\rm{d}} \xi , $
右Riemann-Liouville分数阶导数定义如下:
${}_t^{\rm{RL}}D{}_b^\alpha f(t) = \frac{1}{{\Gamma (k \!-\! \alpha )}}{\left( { \!-\! \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}} t}}} \right)^k}{\int_t^b {\left( {\xi \!-\! t} \right)} ^{k \!-\! \alpha - 1}}f\left( \xi \right){\rm{d}} \xi , $
左Caputo分数阶导数定义如下:
${}_a^{\rm{C}}D{}_t^\alpha f(t) = \frac{1}{{\Gamma (k - \alpha )}}{\int_a^t {\left( {t - \xi } \right)} ^{k - \alpha - 1}}{\left( {\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}} \xi }}} \right)^k}f\left( \xi \right){\rm{d}} \xi , $
右Caputo分数阶导数定义如下:
${}_t^{\rm{C}}D{}_b^\alpha f(t) = \frac{1}{{\Gamma (k \!-\! \alpha )}}{\int_t^b {\left( {\xi \!-\! t} \right)} ^{k \!-\! \alpha \!-\! 1}}{\left( { \!-\! \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}} \xi }}} \right)^k}f\left( \xi \right){\rm{d}} \xi , $
其中$\Gamma \left( * \right)$是Euler-Gamma函数, 阶$\alpha $满足$k - 1 \leqslant \alpha < k$. 如果$\alpha $为整数, 上述分数阶导数成为整数阶导数
假设函数$f\left( \xi \right)$$g\left( \xi \right)$在区间$\left( {a, b} \right)$上是连续可积的, 则Caputo导数下的分数阶分部积分公式为
$\begin{split}&\int_a^b {g\left( t \right)} {}_a^{\rm{C}}D{}_t^\alpha f(t){\rm{d}}t = \int_a^b {f\left( t \right)} {}_t^{\rm{RL}}D{}_b^\alpha g\left( t \right){\rm{d}}t \\&+ \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} {{}_t^{\rm{RL}}D_b^{\alpha + j - k}} g\left( t \right){D^{k - 1 - j}}f\left( t \right)\left| {_a^b} \right., \end{split}$
$\begin{split}&\int_a^b {g\left( t \right)} {}_t^{\rm{C}}D{}_b^\alpha f(t){\rm{d}}t = \int_a^b {f\left( t \right)} {}_a^{\rm{RL}}D{}_t^\alpha g\left( t \right){\rm{d}}t \\&+ \sum\limits_{j = 0}^{k - 1} {{{\left( { - 1} \right)}^{k + j}}{}_a^{\rm{RL}}D_t^{\alpha + j - n}} g\left( t \right){D^{k - 1 - j}}f\left( t \right)\left| {_a^b} \right..\end{split}$

基于Caputo导数的分数阶Herglotz变分问题为: 确定函数${q_s}\left( t \right)$, 使由微分方程:
$\dot z\left( t \right) = L\left( {t,{q_s}\left( t \right),{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}\left( t \right),z\left( t \right)} \right), ~ \alpha \in \left( {0,1} \right), $
定义的泛函z, 在给定的边界条件:
$q_s(t)|_{t = a} = {q_a},\; q_s(t)|_{t = b} = {q_b},\; (s = 1,2, \cdots,n ),$
及初始条件:
$z\left( a \right) = {z_a}, $
下, $z\left( t \right)$取得极值. 其中$L\left( t, {q_s}\left( t \right), {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}\left( t \right), z\left( t \right) \right)$可称为Herglotz意义下的分数阶Lagrange函数; ${q_s}\left( {s = 1, 2, \cdots, n} \right)$为系统的广义坐标; ${q_a}$, ${q_b}$${z_a}$均为固定常数. 考虑到黏弹性体的力学性质是介于弹性体和黏性流体之间, 其本构关系应为$\sigma \left( t \right) \sim {{{{\rm{d}}^\beta }\varepsilon \left( t \right)} / {{\rm{d}}{t^\beta }}}{\kern 1 pt} {\kern 1 pt} {\kern 1 pt} \left( {0 < \beta < 1} \right)$, 而黏性和弹性则为黏弹性的两个极限状态[26], 因此这里将$\alpha $的范围取为$\left( {0, 1} \right)$.
可称由(7)式确定的泛函z为Hamilton-Herglotz作用量, 上述变分问题称为分数阶Herglotz变分原理.
对(7)式取等时变分, 有
${\rm{\delta }}\dot z = {\rm{\delta}} L = \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{\rm{\delta}} {q_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{\rm{\delta}} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{\delta}} z, $
由交换关系:
$\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}{\rm{\delta}} z = {\rm{\delta}} \dot z, $
则(10)式可表为
$\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}{\rm{\delta}} z = A + \frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{\delta}} z, $
其中
$A = \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{\rm{\delta}} {q_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{\rm{\delta}} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}, $
由(9)式, 则${\rm{\delta}} z\left( a \right) = 0$, 所以上述初值问题的解为
${\rm{\delta}} z\left( t \right)\exp \left( { \!-\! \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right) = \int_a^t \!\!{A\exp } \!\left( { \!-\! \int_a^\tau {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right){\rm{d}}\tau .$
并考虑到$z\left( t \right)$$t = b$取得极值, 因此有
${\rm{\delta}} z\left( b \right) = 0.$
由于(14)式对任意$t \in \left[ {a, b} \right]$上都成立, 若取$t = b$, 则有
$\int_a^b {A\exp } \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right){\rm{d}}t = 0.$
将(13)式代入(16)式, 可得到
$\begin{split}&\int_a^b {\exp } \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\\&\times\left( {\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{\rm{\delta}} {q_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{\rm{\delta}} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\rm{d}}t = 0.\end{split}$
$0 < \alpha < 1$时, 根据Caputo导数下的分数阶分部积分公式((5)式)、边界条件${\rm{\delta}} {\left. {{q_s}\left( t \right)} \right|_{t = a}} = {\rm{\delta}} {\left. {{q_s}\left( t \right)} \right|_{t = b}} = 0$以及交换关系${\rm{\delta}} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} = {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {\rm{\delta}} {q_s}$, 对含${\rm{\delta}} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}$的项进行分部积分运算:
$\begin{split}&\int_a^b {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)} \cdot \dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{\rm{\delta}} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}{\rm{d}}t\\ =\;& \int_a^b {\exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)} \cdot \dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {\rm{\delta}} {q_s}} \right){\rm{d}}t\\ =\;& \int_a^b {{\rm{\delta}} {q_s}{}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha } \left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right]{\rm{d}}t\\ &+ {}_t^{\rm{RL}}D_b^{\alpha - 1}\left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right]{\rm{\delta}} {q_s}\left| {_a^b} \right.\\ = \;&\int_a^b {{\rm{\delta}} {q_s}{}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha } \left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right]{\rm{d}}t.\end{split}$
由(18)式, 则 (17)式成为
$\begin{split}&\int_a^b \Bigg\{ \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} \\&+ {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right] \Bigg\} {\rm{\delta}} {q_s}{\rm{d}}t = 0.\end{split}$
由积分区间的任意性, 得到
$\begin{split}&\Bigg\{ \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}\\&+ {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right] \Bigg\}{\rm{\delta}} {q_s} = 0,\\&{\left( {0 < \alpha < 1,{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} s = 1,2, \cdots,n} \right).}\\[-10pt]\end{split}$
(20)式是我们得到的分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz型微分变分原理.
${\rm{\delta}} {q_s}$的独立性, 则导出系统的运动微分方程为
$\begin{split}&\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} + {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \Bigg[ \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\\&\times\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}} \Bigg] = 0,\left( {s = 1,2, \cdots,n} \right).\\[-10pt]\end{split}$
如果Lagrange函数不显含z, 即$L = L( t, {q_s}\left( t \right), {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} )$, 则(21)式成为
${}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^CD_t^\alpha {q_s}}} + \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} = 0.$
(22)式是经典分数阶的非保守Lagrange系统的运动微分方程.
$ \alpha \to 1$时, 则(7)式成为
$\dot z\left( t \right) = L\left( {t,{q_s}\left( t \right),{{\dot q}_s}\left( t \right),z\left( t \right)} \right).$
(21)式成为
$\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\left( {\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} - \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\frac{{\partial L}}{{\partial {{\dot q}_s}}} + \frac{{\partial L}}{{\partial z}}\frac{{\partial L}}{{\partial {{\dot q}_s}}}} \right) = 0.$
(24)式是非保守Lagrange系统的Herglotz型运动微分方程[2].
引进时间t和广义坐标${q_s}$的单参数无穷小变换:
${t^ * } = t + \Delta t,{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} q_s^ * \left( {{t^ * }} \right) = {q_s}\left( t \right) + \Delta {q_s},{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \left( {s = 1,2, \cdots,n} \right), $
或其展开式:
$\begin{split}&v{t^ * } = t + \varepsilon {\tau ^0}\left( {t,{q_k},{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_k}} \right),\\&q_s^ * \left( {{t^ * }} \right) = {q_s}\left( t \right) + \varepsilon \xi _s^0\left( {t,{q_k},{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_k}} \right),\\&\left( {s,k = 1,2, \cdots,n} \right).\end{split}$
对任意的函数F, 等时变分${\rm{\delta}} F$和非等时变分$\Delta F$之间存在如下关系[27]:
$\Delta F = {\rm{\delta}} F + \dot F\Delta t, $
则可以得到
$\begin{split}&{\rm{\delta}} {q_s} = \varepsilon \left[ {\xi _s^0\left( {t,{q_k},{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_k}} \right) - {{\dot q}_s}{\tau ^0}\left( {t,{q_k},{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_k}} \right)} \right],\\& \qquad \left( {s,k = 1,2, \cdots,n} \right),\\[-10pt] \end{split}$
其中$\varepsilon $为无限小参数; ${\tau ^0}$$\xi _s^0$称为无穷小变换的生成函数.
值得指出, 在整数阶微积分的框架下, 从理论物理和微分几何的角度, 生成函数一般取为时间和广义坐标的函数, 即${\tau ^0}\left( {t, {q_k}} \right)$$\xi _s^0\left( {t, {q_k}} \right)$, 这样的变换构成一个Lie群, 且变换是保几何结构的[27]. Sarlet和Cantrijn[28]曾详细讨论生成函数的函数依赖性问题. 由于我们现在研究的是分数阶非保守系统及其不变量, 从应用的角度考虑生成函数也依赖于分数阶导数项, 这样拓宽了生成函数的取值范围.
将(28)式代入(20)式, 整理得
$\begin{split}&\varepsilon \Bigg\{ \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} + {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \\&\times\left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right] \Bigg\}\left( {\xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right) = 0, \end{split}$
由于
$\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}L = \frac{{\partial L}}{{\partial t}} + \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{\dot q_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right) + \frac{{\partial L}}{{\partial z}}L, $
在(29)式中加上并减去$\varepsilon \dfrac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\bigg[ {G^0}\exp \bigg( \!-\! \displaystyle\int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } \bigg) \bigg]$函数得
$\begin{split}&\varepsilon \bigg\{ {\exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)} \bigg[ \dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\bigg( \dfrac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\tau ^0}\\&+ {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( \xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0} \right) \bigg) + L{\dot \tau ^0} + \dfrac{{\partial L}}{{\partial t}}{\tau ^0} + \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}\xi _s^0 + {{\dot G}^0} \\&- \frac{{\partial L}}{{\partial z}}{G^0} \bigg] - \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\left( {L{\tau ^0} + {G^0}} \right)} \right]\\&{ - \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right)}\\&{\left. { + ( {\xi _s^0 \!-\! {{\dot q}_s}{\tau ^0}} ){}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \!\!\left(\!\! {\exp \!\left(\! { \!-\! \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \!\right)\!\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right)}\!\! \right\} \!=\! 0,}\end{split}$
其中${G^0} = {G^0}\left( {t, {q_s}, {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right)$称为规范函数. (31)式是分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz型微分变分原理不变性条件的变换. 我们得到如下定理:
定理1 对于分数阶非保守Lagrange系统(21), 如果存在规范函数${G^0}$使无限小生成元${\tau ^0}$$\xi _s^0$满足如下条件:
$\begin{split}&\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\left[ {\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\tau ^0} + {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right)} \right] + L{\dot \tau ^0} \\&+ \frac{{\partial L}}{{\partial t}}{\tau ^0} + \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}\xi _s^0 + {\dot G^0} - \frac{{\partial L}}{{\partial z}}{G^0} = 0,\\[-15pt]\end{split}$
则系统存在守恒量
$\begin{split}\;& I = \exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\left( {L{\tau ^0} + {G^0}} \right) \\&+ \!\int_a^t \!{\left[\! {\exp\!\! \left(\! { \!-\! \int_a^t\! {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta }\! \right)} \right.} \!\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^0 \!-\! {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right)\\&\left. { - \!\left( {\xi _s^0 \!-\! {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right)\!{}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \!\!\left( \!{\exp\!\! \left( \!-\!\! \int_a^t \!\!{\frac{{\partial L}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta \!\right)\!\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}}\! \right)}\! \right]\!{\rm{d}}\theta .\end{split}$
守恒量((33)式)也称作精确不变量. 当$\alpha \to 1$, (33)式退化为经典非保守Lagrange系统的Herglotz型守恒量[9]:
$\begin{split}I =\;& \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\bigg[ \frac{{\partial L}}{{\partial {{\dot q}_s}}}\xi _s^0 \\& + \left( {L - {{\dot q}_s}\frac{{\partial L}}{{\partial {{\dot q}_s}}}} \right){\tau ^0} + {G^0} \bigg] = {\rm{const}}.\end{split}$
如果令
$H\left( {t,{q_s},{p_s},z} \right) = {p_s}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} - L\left( {t,{q_s},{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s},z} \right), $
${p_s} = \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}},\,\,\left( {s = 1,2, \cdots,n} \right), $
则(21)式可写成
$\begin{split}\frac{{\partial H}}{{\partial {p_s}}} =\;& {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s},{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \exp \left( {\int_a^t {\frac{{\partial H}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right){\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} \frac{{\partial H}}{{\partial {q_s}}} \\=\;& {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \left[ {{\kern 1pt} \exp \left( {\int_a^t {\frac{{\partial H}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right){p_s}} \right].\end{split}$
取无穷小变换为
$\begin{split}&{t^*} = t + \varepsilon {\tau ^0}\left( {t,{q_k},{p_k}} \right),\,\,\\&q_s^*\left( {{t^*}} \right) = {q_s}\left( t \right) + \varepsilon \xi _s^0\left( {t,{q_k},{p_k}} \right),\\&p_s^*\left( {{t^*}} \right) = {p_s}\left( t \right) + \varepsilon \eta _s^0\left( {t,{q_k},{p_k}} \right),\,\,{\kern 1pt} \\&\left( {s,k = 1,2, \cdots,n} \right).\end{split}$
得到如下定理:
定理2 对于分数阶非保守Hamilton系统(37), 如果无限小变换生成元$\xi _s^0$, $\eta _s^0$, ${\tau ^0}$和规范函数${G^0}$满足下列条件:
$\begin{split}&\exp \left( {\int_a^t {\dfrac{{\partial H}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\left\{ \eta _s^0{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} + {p_s}\bigg[ {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right)\right.\\&+ \dfrac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\tau ^0} \bigg] + \left( {{p_s}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} - H} \right){\dot \tau ^0} - \frac{{\partial H}}{{\partial t}}{\tau ^0} \\&- \frac{{\partial H}}{{\partial {q_s}}}\xi _s^0 - \frac{{\partial H}}{{\partial {p_s}}}\eta _s^0 + \frac{{\partial H}}{{\partial z}}{G^0} + {{\dot G}^0} \bigg\} = 0,\\[-10pt]\end{split}$
则存在守恒量:
$ \begin{split}I =\;& \exp \left( {\int_a^t {\dfrac{{\partial H}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \right)\left[ {\left( {{p_s}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} - H} \right){\tau ^0} + {G^0}} \right]\\&+ \int_a^t {\left[ {\exp \left( {\int_a^t {\frac{{\partial H}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \right){p_s}} \right.} {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right)\\&{\left. { - \left( {\xi _s^0 - {{\dot q}_s}{\tau ^0}} \right){}_t^{{RL}}D_b^\alpha \left( {\exp \left( {\int_a^t {\frac{{\partial H}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \right){p_s}} \right)} \right]{\rm{d}}\theta .}\end {split}$
${G^0} = 0$时, 得到了文献[12]的结果.
根据动力学系统绝热不变量的概念[13], 我们给出分数阶非保守系统的高阶绝热不变量的定义.
如果${I_m}\left( {t, {q_s}, {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}, z, \nu } \right)$是分数阶非保守Lagrange系统的一个含有$\nu $的最高次幂为m的物理量, 它对时间t的一阶导数正比于${\nu ^{m + 1}}$, 那么${I_m}$称为该系统的m阶绝热不变量.
假设分数阶非保守Lagrange系统(21)受到了一个小扰动$\nu {Q_s}$的作用, 则(21)式成为
$\begin{split}&\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} + {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \\&\times\left[ {\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right] = \nu {Q_s}.\end{split}$
由于小扰动$\nu {Q_s}$的作用, 该系统原有的对称性和不变量都会发生改变. 假设受扰系统的无限小生成函数$\tau \left( {t, {q_k}, {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_k}} \right)$, ${\xi _s}\left( {t, {q_k}, {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_k}} \right)$可表示为
$\tau = {\tau ^0} + \nu {\tau ^1} + {\nu ^2}{\tau ^2} + \cdots ,\;{\xi _s} = \xi _s^0 + \nu \xi _s^1 + {\nu ^2}\xi _s^2 + \cdots,$
并满足
$\begin{split}&\exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\bigg\{ \dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\bigg[ {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {{\xi _s} - {{\dot q}_s}\tau } \right)\\&+ \dfrac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right)\tau \bigg] + \dfrac{{\partial L}}{{\partial t}}\tau + \dfrac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{\xi _s} \end{split}$
$\begin{split}{+ L\dot \tau \left. { - \dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}G + \dot G} \right\} - \nu {Q_s}\left( {{\xi _s} - {{\dot q}_s}\tau } \right) = 0,}\end{split}$
其中G为规范函数, 记为
$G = {G^0} + \nu {G^1} + {\nu ^2}{G^2} + \cdots .$
定理3 对于受到小扰动作用的分数阶非保守Lagrange系统(21), 如果无穷小变换的生成函数${\tau ^j}$, $\xi _s^j$满足
$\begin{split}&\exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\bigg\{ \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\bigg[ {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) \\&+ \frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\tau ^j} \bigg] + \frac{{\partial L}}{{\partial t}}{\tau ^j} + \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}\xi _s^j + L{\dot \tau ^j} - \frac{{\partial L}}{{\partial z}}{G^j} \\& + {\dot G}^j \bigg\} - {Q_s}\left( {\xi _s^{j - 1} - {{\dot q}_s}{\tau ^{j - 1}}} \right) = 0, \\[-16pt]\end{split}$
则系统存在m阶绝热不变量:
$\begin{split}{I_m} = \;&\sum\limits_{j = 0}^m {{\nu ^j}} \bigg\{ \exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\left( {L{\tau ^j} + {G^j}} \right)\\&+ \int_a^t {\bigg[ {\exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \right)} } \dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}} \\& \times {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) - \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right){}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \\&\times\left( {\exp \left( { - \int_a^t {\dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \right)\dfrac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right) \bigg]{\rm{d}}\theta \bigg\}.\end{split}$
证明 $\lambda \left( t \right) = \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)$, 根据(45)式和(41)式可得
$\begin{split}\dfrac{{{\rm{d}}{I_m}}}{{{\rm{d}}t}} =\;& \sum\limits_{j = 0}^m {{\nu ^j}} \left\{ {\lambda (t)\left[ {\left( { - \dfrac{{\partial L}}{{\partial z}}} \right)} \right.L{\tau ^j} + \left( {\frac{{\partial L}}{{\partial t}} + \dfrac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{{\dot q}_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right) + \frac{{\partial L}}{{\partial z}}L} \right){\tau ^j} + {{\dot G}^j}} \right.\\&+ L{\dot \tau ^j}\left. {\left. { + \left( { - \frac{{\partial L}}{{\partial z}}} \right){G^j} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) - \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right){}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \left( {\lambda (t)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right)} \right]} \right\}\\=\;& - \left[ {\lambda \left( t \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}} + {}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \left( {\lambda \left( t \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}} \right)} \right]\left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) + \lambda \left( t \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}\left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right)\\&+ \lambda \left( t \right)\left( { - \frac{{\partial L}}{{\partial z}}} \right)L{\tau ^j} + \lambda \left( t \right)\left( {\frac{{\partial L}}{{\partial t}} + \frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}{{\dot q}_s} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right) + \frac{{\partial L}}{{\partial z}}L} \right){\tau ^j}\\&\left. { + \lambda \left( t \right)\left( { - \frac{{\partial L}}{{\partial z}}} \right){G^j} + \lambda \left( t \right)L{{\dot \tau }^j} + \lambda \left( t \right){{\dot G}^j} + \lambda \left( t \right)\frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right)} \right]\\ =\;& \sum\limits_{j = 0}^m {{\nu ^j}} \left\{ { - \nu {Q_s}\left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) + \lambda \left( t \right)\left[ {\frac{{\partial L}}{{\partial {q_s}}}\xi _s^j} \right. + \frac{{\partial L}}{{\partial t}}{\tau ^j} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\tau ^j} + L{{\dot \tau }^j}} \right.\\&\left. {\left. { - \frac{{\partial L}}{{\partial z}}{G^j} + {{\dot G}^j} + \frac{{\partial L}}{{\partial {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}}}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right)} \right]} \right\} \\ =\;& \sum\limits_{j = 0}^m {{\nu ^j}} \left[ { - \nu {Q_s}\left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) + {Q_s}\left( {\xi _s^{j - 1} - {{\dot q}_s}{\tau ^{j - 1}}} \right)} \right]  =  - {\nu ^{m + 1}}{Q_s}\left( {\xi _s^m - {{\dot q}_s}{\tau ^m}} \right). \end{split}$
因此, ${I_m}$是一个m阶绝热不变量.
(46)式是基于Herglotz微分变分原理导出的一类新型绝热不变量. 特别地, 当$m = 0$时, 绝热不变量为精确不变量.
$\alpha \to 1$, 绝热不变量(46)式退化为经典非保守Lagrange系统的Herglotz型绝热不变量[29]:
$\begin{split}{I_m} =\;& \sum\limits_{j = 0}^m {{\nu ^j}} \exp \left( { - \int_a^t {\frac{{\partial L}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\\&\times \left[ {\frac{{\partial L}}{{\partial {{\dot q}_s}}}\xi _s^j + \left( {L - \frac{{\partial L}}{{\partial {{\dot q}_s}}}{{\dot q}_s}} \right){\tau ^j} + {G^j}} \right].\end{split}$
类似地, 我们有:
定理4 对于受到小扰动作用的分数阶非保守Hamilton系统(37)式, 如果无穷小变换的生成函数${\tau ^j}$, $\xi _s^j$$\eta _s^j$满足:
$\begin{split}&\exp \left( {\int_a^t {\dfrac{{\partial H}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \right)\bigg\{ \eta _s^j{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} + {p_s}\bigg[ {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right) \\&+ \dfrac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s}} \right){\tau ^j} \bigg] - \frac{{\partial H}}{{\partial t}}{\tau ^j}\\&- \dfrac{{\partial H}}{{\partial {q_s}}}\xi _s^j + \left( {{p_s}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} - H} \right)\dot \tau ^j - \frac{{\partial H}}{{\partial {p_s}}}\eta _s^j + \frac{{\partial H}}{{\partial z}}{G^j} \\&\;+ {{\dot G}^j} \bigg\} + {Q_s}\left( {\xi _s^{j - 1} - {{\dot q}_s}{\tau ^{j - 1}}} \right) = 0,\\[-14pt]\end{split}$
则系统存在m阶绝热不变量:
$\begin{split}{I_m} =& \sum\limits_{j = 0}^m {{\nu ^j}} \!\left\{ {\exp \!\left( \!{\int_a^t {\dfrac{{\partial H}}{{\partial z}}{\rm{d}}\theta } } \!\right)\!\!\left[ {\left( {{p_s}{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha {q_s} \!-\! H} \right){\tau ^j} \!+\! {G^j}} \right]} \right. \\&+ \int_a^t {\left[ {\exp \left( {\int_a^t {\dfrac{{\partial H}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta } \right){p_s}} \right.} \times {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {\xi _s^j - {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right)\\&\left.\left. { -\! \left( {\xi _s^j \!-\! {{\dot q}_s}{\tau ^j}} \right){}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \!\left( {\exp \!\left( \!{\int_a^t {\frac{{\partial H}}{{\partial z}}} {\rm{d}}\theta }\! \right){p_s}}\! \right)} \!\right]{\rm{d}}\theta \! \right\}.\end{split}$

作为例子, 研究分数阶线性阻尼振子[30,31]. 分数阶振子是粘弹性阻尼系统的分数阶模型, 其动力学方程含有分数阶导数项. 由于分数阶模型具有记忆效应和空间全域性等, 它能更准确地描述系统的动力学行为, 因而分数阶振子的研究得到了广泛关注[32-38].
首先根据文献[39]的方法, Herglotz意义下分数阶振子的Lagrange函数为
$L = \frac{1}{2}m{\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)^2} - \frac{1}{2}k{q^2} - \frac{c}{m}z, $
其中m为质点的质量, k为弹性系数, c为阻尼系数, $m, k, c$为常量; 泛函z满足微分方程:
$\dot z = \frac{1}{2}m{\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)^2} - \frac{1}{2}k{q^2} - \frac{c}{m}z.$
由(21)式, 得到其运动微分方程:
$\begin{split}&{}_{\rm{t}}^{\rm{RL}}D_b^\alpha \left[ {m \cdot {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}} \cdot \left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)} \right]\\&+ {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left( { - kq} \right) = 0, \end{split}$
其中${}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q$在物理上可解释为时间加权广义速度. 显然在忽略记忆特征的情况下, 也就是$\alpha \to 1$时, 方程(53)退化为整数阶线性阻尼振子方程:
$m\ddot q + c\dot q + kq = 0.$
根据(32)式, 则有
$\begin{split}&m{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q\left[ {\frac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right){\tau ^0} + {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {{\xi ^0} - \dot q{\tau ^0}} \right)} \right]\\&+ L{\dot \tau ^0} - kq{\xi ^0} + {\dot G^0} + \frac{c}{m}{G^0} = 0.\end{split}$
方程(55)有解:
${\tau ^0} = 1,{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\xi ^0} = - \frac{c}{{2m}}q,{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {G^0} = \frac{c}{m}z.$
由定理1, 该系统的一个精确不变量为
$\begin{split}I =\;& {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left[ {\dfrac{1}{2}m{{\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)}^2} - \dfrac{1}{2}k{q^2}} \right] \\&+ \displaystyle\int_a^t {\left\{ {{{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left[ {m\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)} \right.} \right.} \\&\times\left. {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( { - \dfrac{c}{{2m}}q - \dot q} \right)} \right] - \left( { - \dfrac{c}{{2m}}q - \dot q} \right){}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \\&\times\left.\left( {m \cdot {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}} \cdot \left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)} \right) \right\}{\rm{d}}\theta \, =\, {\rm{const}}.\end{split}$
$\alpha \to 1$时, 得到整数阶线性阻尼振子的精确不变量:
$I = {{\rm{e}}^{\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left( { - \frac{1}{2}m{{\dot q}^2} - \frac{c}{2}q\dot q - \frac{1}{2}k{q^2}} \right).$
下面研究系统的绝热不变量. 假设系统受到的小扰动为
$\nu Q = - 2\nu q{{\rm{e}}^{\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}.$
方程(45)给出
$\begin{split}&{{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\Big\{ m{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q\!\left[ {\dfrac{{\rm{d}}}{{{\rm{d}}t}}\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right){\tau ^1} \!+\! {}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( {{\xi ^1} \!-\! \dot q{\tau ^1}} \right)}\! \right] \\&+ L{{\dot \tau }^1} - kq{\xi ^1} + {{\dot G}^1} + \dfrac{c}{m}{G^1} \Big\}.{ = Q\left( {{\xi ^0} - \dot q{\tau ^0}} \right)}.\\[-14pt]\end{split}$
方程(60)有解
${\tau ^1} = 1,{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\xi ^1} = 0,{\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {\kern 1pt} {G^1} = {q^2}.$
由定理2, 则该系统有如下一阶绝热不变量:
$\begin{split}I =\;& {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left[ {\dfrac{1}{2}m{{\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)}^2} - \dfrac{1}{2}k{q^2}} \right] \\&+ \displaystyle\int_a^t {\left\{ {{{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left[ {m\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)} \right.} \right.} \\&\times\left. {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha \left( { - \dfrac{c}{{2m}}q - \dot q} \right)} \right] - \left( { - \dfrac{c}{{2m}}q - \dot q} \right){}_t^{\rm{RL}}D_b^\alpha \\&\times\left.\left( {m \cdot {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}} \cdot \left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)} \right) \right\}{\rm{d}}\theta \\&{ + \nu {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t \!-\! a} \right)}}\!\left[ {\dfrac{1}{2}m{{\left( {{}_a^{\rm{C}}D_t^\alpha q} \right)}^2} + {q^2} - \dfrac{1}{2}k{q^2} - \dfrac{c}{m}z} \right]\!.}\end{split}$
$\alpha \to 1$时, 得到整数阶线性阻尼振子的绝热不变量:
$\begin{split}I =\;& {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left( { - \frac{1}{2}m{{\dot q}^2} - \frac{c}{2}q\dot q - \frac{1}{2}k{q^2}} \right) \\&+ \nu {{\rm{e}}^{\textstyle\frac{c}{m}\left( {t - a} \right)}}\left( {\frac{1}{2}m{{\dot q}^2} + {q^2} - \frac{1}{2}k{q^2} - \frac{c}{m}z} \right), \end{split}$
可以进一步地求得系统的更高阶绝热不变量.
Herglotz广义变分原理为研究非保守系统动力学提供了一种新的思路. 本文建立了分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz型微分变分原理, 基于该原理给出了分数阶非保守Lagrange系统的精确不变量和绝热不变量. 主要结果是文中给出的原理(20)和4个定理.
$\alpha \to 1$时, 分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz微分变分原理(20)退化为整数阶的Herglotz微分变分原理, 其方程(21)退化为经典的Heglotz型运动微分方程(24), 与之相应的精确不变量(33)也退化为经典的Herglotz型精确不变量(34). 当受到小扰动时, 根据高阶绝热不变量的定义, 得到了分数阶非保守Lagrange系统的Herglotz型绝热不变量(46). 若Lagrange函数不显含z, 则问题退化为经典分数阶Lagrange系统的变分问题, 方程(21)退化为经典分数阶Lagrange系统的运动微分方程(22).
最近, 文献[40]综述了Herglotz广义变分原理及其Noether对称性与守恒量理论研究的近期发展, 并提出了有待进一步研究的若干问题. 例如, 一般情形下Herglotz型Lagrange函数的物理解释; 对于一般非保守动力学系统, Herglotz型Lagrange函数的构建问题等.
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    摘要:本文利用共振增强的飞秒受激拉曼光谱技术结合瞬态吸收光谱技术研究了光致产酸剂Pyranine发色团分子在水溶液中与醋酸根离子之间的光致激发态质子传递过程.实验中观测到了Pyranine发色团在400—1700cm–1频率范围内去质子化状态下的激发态拉曼振动光谱.同时在920cm–1处也观测到了质 ...
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  • 磁绝缘线振荡器中模式竞争的物理分析和数值模拟
    摘要:作为一种紧凑型高功率微波器件,磁绝缘线振荡器在起振过程中容易出现模式竞争现象,如果不能对其进行有效抑制,可能导致器件的最终输出性能下降.由于磁绝缘线振荡器中波束互作用区通常采用同轴盘荷波导作为其慢波结构,因此本文从同轴盘荷波导中几个可能被相对论电子束激发的低阶本征模与电子束之间的色散关系入手, ...
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  • 耦合光学微腔的频率调谐过程分析
    摘要:不同的频率失谐会在耦合光学微腔激发出不同的工作模式.以两个耦合光场的非线性薛定谔方程为理论模型,分别研究了失谐参量正调谐和负调谐过程中微腔内光场的变化.理论分析结果表明,在正失谐区域中,腔内光场可由多脉冲形式演变为亮孤子,但亮孤子存在范围较小,当失谐参量过大时,腔内光场会演化为直流分布.在负失 ...
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