彭 姣，朱建青

(蘇州科技大學數(shù)理學院，江蘇 蘇州 215009)

1961年Lur’e給出完整力學系統(tǒng)相對于非慣性系的方程，根據(jù)分析力學方法給出了相對于非慣性系各類動力學方程，同時對相對于非慣性系系統(tǒng)的Noether對稱性[1-3]等進行了相關探究.1979年，Lutzky在力學系統(tǒng)上從全新的角度來探究Lie對稱性和守恒量[4-7]，緊接著這一研究方法被迅速傳播，取得了很多顯著成果[8-10].同時，關于相對于非慣性系Lie對稱性的研究，已有了許多工作，梅鳳翔在分析力學專題[11]中研究載體與被載體相對于非慣性系的運動微分方程.他又在非Chetaev型非完整系統(tǒng)[12]中建立了相對于非慣性系的Lie理論.岳楠和張毅則對關于相對于非慣性系的Lie對稱性及其逆問題在事件空間中進行了研究[13].

1988年，德國學者Stefan Hilger在他的博士論文中第一次提到時間尺度理論[14]，是為了同時解決連續(xù)和離散分析并且將它們的理論擴展到“介于兩者之間”的案例[15].近年來時間尺度理論上關于數(shù)學研究應用于統(tǒng)計學、金融學、工程學等科學分支，同時關于對稱性與守恒量的探究在動力學系統(tǒng)中也得到了一些重要成果[16-25].2012年，蔡平平運用時間尺度理論對約束力學系統(tǒng)的對稱性進行了詳細的研究，給出了計算約束力學系統(tǒng)第一積分方法[26].然而關于時間尺度上相對于非慣性系Lie對稱性研究還較少，本文基于時間尺度理論研究非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的Lie對稱性及守恒量.

1 時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的運動方程

若相對于非慣性系的運動受g個理想雙面非完整約束

(1)

(2)

時間尺度上相對于非慣性系系統(tǒng)的Hamilton原理為

(3)

(4)

由(2)式，則原理(3)可表為

其中γβ為Lagrange乘子.

根據(jù)Dubois-Reymond引理，可得

(5)

對上式求Δ導數(shù)可得

(j=1，2，…，n;β=1，2，…，g)，

(6)

方程(6)稱為時間尺度上Lagrange方程非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的運動方程.

假設系統(tǒng)非奇異，即

(7)

由方程(1)和(6)可求出γβ的函數(shù)，并將其代入方程(6)可得

(j=1，2，…，n)，

(8)

其中，

(9)

通過(8)式可進一步求解出所有廣義加速度

(10)

2 時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的Lie對稱性與守恒量

引入無限小變換

t*=t+εζ0(t，κ)，

(11)

取生成元向量[28]

(12)

它的一次擴展

(13)

以及它的二次擴展

(14)

即方程(10)在時間尺度上的無限小變換(11)下的不變性可表為

(15)

進而歸結為如下確定方程

(16)

定義1對于符合確定方程(16)的生成元ζ0，ζj，則對稱性為時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的Lie對稱性.

約束方程(1)由(11)式性質可得限制方程

Ζ(1)(ψβ(t，κσ，κΔ))=0 (β=1，2，…，g).

(17)

考慮到方程(2)對ζ0，ζj的限制，得到附加限制方程

(18)

定義2對于同時符合確定方程(16)、限制方程(17)和附加限制方程(18)的ζ0，ζj，則對稱性為時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的強Lie對稱性.

定理1如果生成元ζ0，ζj在確定方程(16)中成立，并且存在符合結構方程

(19)

的規(guī)范函數(shù)R=R(t，κσ，κΔ)，則時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的守恒量

(20)

證明由文獻[29]可推得時間尺度上公式如下

(21)

定理2如果生成元ζ0，ζj在確定方程(16)、限制方程(17)和附加限制方程(18)中同時成立，并且存在符合結構方程(19)的規(guī)范函數(shù)R=R(t，κσ，κΔ)，則時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系存在形如(20)的強Lie對稱性守恒量.

(22)

相應式(20)為經典的非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的Lie對稱性守恒量

(23)

3 算例

設時間尺度

(24)

相對于非慣性系的Lagrange函數(shù)為

(25)

Τ3=0 (j=1，2，3)，

(26)

其中載體以勻角速度ω繞某鉛垂軸轉動，被載系統(tǒng)為一單位質量的質點.所受非完整約束為

(27)

研究系統(tǒng)的對稱性與守恒量.

首先，由(6)式可得系統(tǒng)的運動方程為

(28)

由方程(27)、(28)求得約束乘子

(29)

將(29)式代入方程(28)可得

(30)

其次，根據(jù)(16)式建立Lie對稱性的確定方程可得一組解為

ζ0=1，ζ1=ζ2=ζ3=0.

(31)

然后，判斷是否是強Lie對稱性，由(17)式和(18)式可得

(32)

(33)

顯然，生成元(31)滿足(32)式和(33)式，于是它相應為該系統(tǒng)的強Lie對稱性.

最后，由結構方程求解規(guī)范函數(shù)及其相應守恒量，將(31)式代入(19)式可得

R=0，

根據(jù)式(20)可得時間尺度上非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的守恒量

4 結論

本文基于Hamilton原理和Dubois-Reymond引理，研究了時間尺度上Chetaev型非完整系統(tǒng)相對于非慣性系的Lie對稱性與守恒量.通過不變性原理推導出了確定方程和限制方程，進而得出了結構方程和相應的守恒量，并通過算例說明了結果的應用，其思想方法可推廣研究到相對于非慣性系的非Chetaev型非完整力學系統(tǒng).