Demostración del teorema de Noether en mecánica clásica

Estoy tratando de probar el teorema de Noether en el contexto de la mecánica clásica (partícula puntual), sin embargo, no estoy seguro de algunas cosas.

Para mantener las cosas lo más simples posible, solo estoy considerando el caso unidimensional. Como tal, estoy comenzando con la variación completa del camino.

(0.1) q ( t ) q ( t ) = q ( t ) + q ˙ ( t ) d t = q ( t ) + d q ( t ) + q ˙ ( t ) d t q ˙ ( t ) q ˙ ( t ) = q ˙ ( t ) + q ¨ ( t ) d t = q ˙ ( t ) + d q ˙ ( t ) + q ¨ ( t ) d t ,
de primer orden en d t . Esto conduce a las siguientes variaciones (a primer orden)
(0.2) d T q = q ( t ) q ( t ) = d q ( t ) + q ˙ ( t ) d t d T q ˙ = q ˙ ( t ) q ˙ ( t ) = d q ˙ ( t ) + q ¨ ( t ) d t ,
donde el subíndice T es recordarnos que estamos deformando el tiempo, t t + d t así como la ruta (la llamada variación "total" o "completa" ). Ahora, asumiendo que esta es una simetría de la acción clásica
(1) S [ q ( t ) ] = d t L ( q ( t ) , q ˙ ( t ) , t )
tenemos eso ( 1 ) cambia a lo sumo en un término superficial, es decir
(2) d T S = d t d d t GRAMO ( q ( t ) , t )
Ahora, el lado izquierdo de ( 2 ) es dado por
(3) d T S = d T ( d t ) L + d t d T ( L ) = d t d ( d t ) d t L + d t [ L q d T q + L q ˙ d T q ˙ + L t d t ] = d t d ( d t ) d t L + d t [ L q ( d q ( t ) + q ˙ ( t ) d t ) + L q ˙ ( d q ˙ ( t ) + q ¨ ( t ) d t ) + L t d t ] = d t [ ( L q d d t ( L q ˙ ) ) d q + ( L q q ˙ + L q ˙ q ¨ + L t ) d t + d d t ( L q ˙ d q ) + L d ( d t ) d t ] = d t [ ( L q d d t ( L q ˙ ) ) d q + d L d t d t + d d t ( L q ˙ d q ) + L d ( d t ) d t ] = d t [ ( L q d d t ( L q ˙ ) ) d q + d d t ( L q ˙ d q + L d t ) ]
Asumiendo que q ( t ) satisface la ecuación de Euler-Lagrange entonces tenemos que
(4) d T S = d t [ d d t ( L q ˙ d q + L d t ) ] = d t d d t GRAMO ( q ( t ) , t )
lo que implica que
(5) d t d d t ( L q ˙ d q + L d t GRAMO ) = 0 L q ˙ d q + L d t GRAMO = constante
Es decir, la cantidad:
(6) Λ ( q ( t ) , q ˙ ( t ) , t ) = L q ˙ d q + L d t GRAMO ,
es una constante de movimiento .

Sin embargo, tengo algunas dudas sobre lo que he hecho hasta ahora, y esto me ha llevado a hacerme las siguientes preguntas:

1. ¿ He usado la variación total correcta de la ruta en primer lugar?

2. Si he usado la variación correcta, ¿son correctos los pasos de la prueba?

3. Mi motivación original para tratar de replicar una prueba del teorema de Noether fue demostrar la conservación de la energía como consecuencia de la traslación del tiempo. Parece que en este caso se supone que la variación total desaparece, es decir

(7) d T q = q ( t ) q ( t ) = 0
(cf respuesta de QMechanic aquí ). ¿Por qué es este el caso? ¿Cuál es la justificación?

Me doy cuenta de que este tipo de pregunta se ha hecho varias veces antes, pero después de leer las publicaciones que pude encontrar, no encontré que ninguna de ellas haya respondido completamente a mis preguntas. Cualquier ayuda será muy apreciada.

He editado mi pregunta para reflejar las sugerencias de Qmechanic y he intentado una prueba más general del teorema de Noether.

Respuestas (1)

La publicación de OP parece tener un doble propósito:

  1. Demostrar el teorema de Noether (NT) en general: entonces las suposiciones de OP de que

    • (i) L no tiene una dependencia temporal explícita y
    • (ii) d t no depende de t

    debería ser removido. Para ver un ejemplo que viola la suposición (ii), consulte, por ejemplo, esta publicación de Phys.SE.

    También tenga en cuenta la sutileza que d T y d d t no conmutar , que OP parece asumir en eq. (3).

  2. Demostrar vía NT que un Lagrangiano sin dependencia temporal explícita conduce a la conservación de la energía: En este caso es natural intentar la transformación

    q ( t )   =   q ( t )
    para asegurar una simetría de la acción
    S [ t q ( t ) ]   =   S [ t q ( t ) ] ,
    que luego puede usarse en el NT, cf. esta publicación Phys.SE.

Gracias por su respuesta. Idealmente, me gustaría probarlo en general, pero no estaba muy seguro de cómo hacerlo, así que por ahora me he restringido a ninguna dependencia temporal explícita en el Lagrangiano y d t tiempo independiente. Además, ¿por qué es natural intentar q ( t ) = q ( t ) en el caso de la traducción del tiempo? ¿Es porque uno define que las coordenadas cambian como q ( t ) = q ( t + d t ) bajo traducción de tiempo, y luego uno puede simplemente hacer un cambio de variables, t t d t tal que q ( t ) = q ( t ) ?
He actualizado mi OP para reflejar las ediciones sugeridas.