Une transformation canonique est une transformation
de l'espace des phases qui conserve les équations canoniques :
.
(On note
où
.)
On peut montrer qu'une transformation est canonique si et seulement si elle préserve les crochets de Poisson fondamentaux :
L'action peut s'écrire en fonction des variables de l'espace des phases :
Or les équations canoniques vérifiées par
impliquent que
vérifie les équations d'Euler-Lagrange :
On a donc stationnarité de l'action si et seulement si
vérifie les équations canoniques, et de même pour
.
On en déduit que si H et K vérifient leurs équations canoniques, on a stationnarité des actions correspondantes, soit :
d'où la condition dite d'invariance :
Une telle fonction F est appelée fonction génératrice de la transformation
.
Fonction principale de Hamilton, équation de Hamilton-Jacobi
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On note N le nombre de degrés de liberté du système,
représentent 4N variables, qui sont reliées entre elles par les 2N relations de la transformation
. On a donc 2N variables indépendantes, et donc plusieurs choix pour les variables de la fonction génératrice.
Si on choisit d'utiliser les variables
, on a une fonction génératrice
que l'on appelle fonction principale de Hamilton. Pour avoir effectivement une fonction de
, il faut appliquer une transformation de Legendre à
:
.
On a alors
et la condition d'invariance devient
On a choisi
comme variables indépendantes, on peut donc identifier et l'on obtient :
;
;
.
Les deux premières équations permettent de déterminer la transformation
à partir de la donnée de la fonction
, et en combinant la première et la dernière équation, on a l'équation de Hamilton-Jacobi :
![{\displaystyle H\left({\vec {q}},{\frac {\partial S}{\partial {\vec {q}}}},t\right)+{\frac {\partial S}{\partial t}}=K}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/beb441bc72ed8257c520bf0087186e8f814b1443)
.
Le but d'une telle transformation est de simplifier la résolution des équations du mouvement. Par exemple, en imposant
, on a simplement
et
, soit
et
constants.
Il reste alors à déterminer
pour obtenir la solution
, or la transformation est entièrement déterminée par la donnée de la fonction génératrice, qui est solution de l'équation aux dérivées partielles
- Remarque
- Dans ce cas, la condition d'invariance devient
. La fonction génératrice
est alors simplement l'action du système.
Cette équation n'est pas a priori plus simple à résoudre que les équations de départ (en particulier s'il s'agit d'un Hamiltonien classique
, on a alors des termes non linéaires).
Cependant, si l'Hamiltonien ne dépend pas explicitement du temps, il est conservé (d'après le théorème de Noether), on a donc directement :
d'où
et l'équation à résoudre est simplifiée :