9.1 La Transformada de Legendre

La formulación lagrangiana usa variables $(q_i, \dot{q}_i)$ en el espacio de configuración. La formulación hamiltoniana usa variables $(q_i, p_i)$ en el espacio de fases. El paso de una a otra se realiza mediante la transformada de Legendre.

El hamiltoniano $H$ se define como:

$$ H(q, p, t) = \sum_i p_i \dot{q}_i - L(q, \dot{q}, t) $$

donde las velocidades $\dot{q}_i$ deben expresarse en función de $(q, p, t)$ invirtiendo $p_i = \partial L / \partial \dot{q}_i$.

Para sistemas estándar con $L = T - V$ y $T$ cuadrática en velocidades:

$$ H = T + V = E $$

El hamiltoniano coincide con la energía total del sistema (cuando las ligaduras son esclerónomas y el potencial no depende de velocidades).

9.2 Ecuaciones Canónicas de Hamilton

Tomando diferenciales de la definición $H = \sum p_i \dot{q}_i - L$:

$$ dH = \sum_i \left( \dot{q}_i \, dp_i - \dot{p}_i \, dq_i \right) - \frac{\partial L}{\partial t} dt $$

Pero también, como $H = H(q, p, t)$:

$$ dH = \sum_i \left( \frac{\partial H}{\partial q_i} dq_i + \frac{\partial H}{\partial p_i} dp_i \right) + \frac{\partial H}{\partial t} dt $$

Comparando coeficientes se obtienen las ecuaciones canónicas de Hamilton:

$$ \dot{q}_i = \frac{\partial H}{\partial p_i}, \qquad \dot{p}_i = -\frac{\partial H}{\partial q_i} $$

Estructura simpléctica

Las ecuaciones de Hamilton revelan una estructura geométrica profunda: la evolución en el espacio de fases preserva la forma simpléctica $\omega = \sum_i dq_i \wedge dp_i$. Esto es el Teorema de Liouville: el volumen en el espacio de fases se conserva bajo la dinámica hamiltoniana.

9.3 Comparación: Lagrangiano vs. Hamiltoniano

AspectoLagrangianoHamiltoniano
Variables$(q_i, \dot{q}_i)$ — $n$ ecuaciones de 2° orden$(q_i, p_i)$ — $2n$ ecuaciones de 1° orden
EspacioEspacio de configuración ($n$-dim)Espacio de fases ($2n$-dim)
Función central$L(q, \dot{q}, t)$$H(q, p, t)$
SimetríaNo evidente entre $q$ y $p$Simetría $q \leftrightarrow p$ (salvo signo)
Extensión a cuánticaIntegral de camino (Feynman)Cuantización canónica

9.4 Paréntesis de Poisson

Para dos funciones $f(q, p, t)$ y $g(q, p, t)$ en el espacio de fases, se define el paréntesis de Poisson:

$$ \{f, g\} = \sum_i \left( \frac{\partial f}{\partial q_i}\frac{\partial g}{\partial p_i} - \frac{\partial f}{\partial p_i}\frac{\partial g}{\partial q_i} \right) $$

Propiedades

  • Antisimetría: $\{f, g\} = -\{g, f\}$
  • Bilinealidad: $\{af+bg, h\} = a\{f,h\} + b\{g,h\}$
  • Identidad de Jacobi: $\{f, \{g, h\}\} + \{g, \{h, f\}\} + \{h, \{f, g\}\} = 0$

Paréntesis fundamentales

$$ \{q_i, q_j\} = 0, \quad \{p_i, p_j\} = 0, \quad \{q_i, p_j\} = \delta_{ij} $$

La evolución temporal de cualquier función dinámica se expresa elegantemente:

$$ \frac{df}{dt} = \{f, H\} + \frac{\partial f}{\partial t} $$

Una cantidad se conserva si $\{f, H\} = 0$ (y $\partial f / \partial t = 0$).

9.5 Ejemplo: Oscilador Armónico en Formalismo Hamiltoniano

Lagrangiano: $L = \frac{1}{2}m\dot{x}^2 - \frac{1}{2}kx^2$.

Momento conjugado: $p = \partial L / \partial \dot{x} = m\dot{x}$.

Invirtiendo: $\dot{x} = p/m$.

Hamiltoniano:

$$ H = p\dot{x} - L = \frac{p^2}{m} - \left(\frac{1}{2}\frac{p^2}{m} - \frac{1}{2}kx^2\right) = \frac{p^2}{2m} + \frac{1}{2}kx^2 $$

Ecuaciones de Hamilton:

$$ \dot{x} = \frac{\partial H}{\partial p} = \frac{p}{m}, \qquad \dot{p} = -\frac{\partial H}{\partial x} = -kx $$

Combinándolas: $\ddot{x} = \dot{p}/m = -kx/m$, la ecuación del oscilador armónico.

9.6 Resumen del Capítulo

  • La transformada de Legendre convierte $(q, \dot{q}) \to (q, p)$.
  • El hamiltoniano $H(q,p,t)$ gobierna la dinámica en el espacio de fases.
  • Las ecuaciones de Hamilton son $2n$ ecuaciones de primer orden.
  • Los paréntesis de Poisson son la estructura algebraica fundamental de la mecánica clásica.
  • $\dot{f} = \{f, H\} + \partial f / \partial t$ unifica la evolución temporal.

Evaluación - Capítulo 9

Pregunta 1: El hamiltoniano se define como:

Pregunta 2: Las ecuaciones canónicas de Hamilton son:

Pregunta 3: ¿Cuántas ecuaciones diferenciales de primer orden produce la formulación hamiltoniana para $n$ grados de libertad?

Pregunta 4: El paréntesis de Poisson $\{q_i, p_j\}$ es igual a:

Pregunta 5: La evolución temporal de una función $f(q,p,t)$ se expresa como:

Pregunta 6: El espacio de fases tiene dimensión:

Pregunta 7: El Teorema de Liouville establece que:

Pregunta 8: El paréntesis de Poisson es antisimétrico, es decir:

Pregunta 9: En el oscilador armónico, el hamiltoniano es:

Pregunta 10: La identidad de Jacobi para paréntesis de Poisson es: