ランダウ力学 §42問題4 解説

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物理学 力学

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ランダウ゠リフシッツ理論物理学教程の力学(増訂第3版)の§42の問題4の解説です.

問題

つぎのことを示せ: \begin{align} \left\{ \bm{f}, M_z \right\} &= \bm{f} \times \bm{n} . \nonumber \end{align} ここで$\bm{f}$は粒子の座標および運動量のベクトル関数, $\bm{n}$は$z$軸方向の単位ベクトルである.

解答作成

ベクトル関数$\bm{f}$がベクトル$\bm{r}$, $\bm{p}$に依存するのは,

  • $\bm{r}$
  • $\bm{p}$
  • $\bm{r} \times \bm{p}$

の形を通してだけである($\bm{f}$がベクトル関数であるから, 成り立つ). ゆえに, $\bm{f}$はあるスカラー関数$\varphi_1$, $\varphi_2$, $\varphi_3$を用いて

\begin{align} \bm{f} &= \varphi_1 \bm{r} + \varphi_2 \bm{p} + \varphi_3 \bm{r} \times \bm{p} \label{eq_42-ex4-1} \end{align}

と書ける.

\eqref{eq_42-ex4-1}および§42問題3の結果を用いて$\left\{ \bm{f}, M_z \right\}$を計算すると,

\begin{align} \left\{ \bm{f}, M_z \right\} &= \left\{ \varphi_1 \bm{r} + \varphi_2 \bm{p} + \varphi_3 \bm{r} \times \bm{p} , M_z \right\} \nonumber \\ &= \left\{ \varphi_1 \bm{r} , M_z \right\} + \left\{ \varphi_2 \bm{p} , M_z \right\} + \left\{ \varphi_3 \bm{r} \times \bm{p} , M_z \right\} \nonumber \\ &= \left\{ \varphi_1 , M_z \right\} \bm{r} + \left\{ \bm{r} , M_z \right\} \varphi_1 \nonumber \\ &\quad + \left\{ \varphi_2 , M_z \right\} \bm{p} + \left\{ \bm{p} , M_z \right\} \varphi_2 \nonumber \\ &\quad + \left\{ \varphi_3 , M_z \right\} \bm{r} \times \bm{p} + \left\{ \bm{r} \times \bm{p} , M_z \right\} \varphi_3 \nonumber \\ &= \left\{ \bm{r} , M_z \right\} \varphi_1 + \left\{ \bm{p} , M_z \right\} \varphi_2 + \left\{ \bm{M} , M_z \right\} \varphi_3 \nonumber \\ &= \begin{pmatrix} -y \\ x \\ 0 \end{pmatrix} \varphi_1 + \begin{pmatrix} - p_y \\ p_x \\ 0 \end{pmatrix} \varphi_2 + \begin{pmatrix} - M_y \\ M_x \\ 0 \end{pmatrix} \varphi_3 \nonumber \\ &= \begin{pmatrix} - y \varphi_1 - p_y \varphi_2 - M_y \varphi_3 \\ x \varphi_1 + p_x \varphi_2 + M_x \varphi_3 \\ 0 \end{pmatrix} \nonumber \\ &= \begin{pmatrix} - f_y \\ f_x \\ 0 \end{pmatrix} \nonumber \\ &= \bm{f} \times \bm{n} \end{align}

となる. $\left\{ \bm{r} , M_z \right\}$, $\left\{ \bm{p} , M_z \right\}$, $\left\{ \bm{M} , M_z \right\}$の計算は, §42問題1および§42問題2を参照されたい.

参考文献

Landau, L. D.; Lifshitz, E. M. 力学. 広重徹, 水戸巌訳, 増訂第3版, 東京図書, 1974, 214p.

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