¿Por qué mi término de 4 divergencias agregado a un Lagrangiano modifica la ecuación de movimiento?

Tomo este Lagrangiano:

L = L 0 + α F ( ϕ , m ϕ ) .

En este tema, ¿un término adicional de cuatro divergencias en una densidad lagrangiana es importante para las ecuaciones de campo? , se dice que cualquier término de 4 divergencias añadido a un Lagrangiano no modifica la ecuación de movimiento.

En mi ejemplo agrego α F ( ϕ , m ϕ ) a L 0 (no es una divergencia 4 pero la mecánica detrás es exactamente la misma). Y remarco que puede modificar la ecuación de movimiento si F contiene derivadas temporales de ϕ . Entonces no entiendo.

Escribo la variación infinitesimal de la acción en L :

d S = d 4 X   d L ,

d S = d 4 X   [ L 0 ϕ d ϕ + L 0 ( m ϕ ) d ( m ϕ ) + α [ F ϕ d ϕ + F ( m ϕ ) d ( m ϕ ) ]   ] .

Como de costumbre, sé que: d ( m ϕ ) = m d ( ϕ ) . Así puedo integrar por partes:

d S = d 4 X   [ L 0 ϕ m L 0 ( m ϕ ) ) d ϕ + d 4 X   m [ L 0 ( m ϕ ) d ϕ ] + d 4 X   α [ F ϕ d ϕ + F ( m ϕ ) d ( m ϕ ) ] .

Tenemos:

d 4 X   m [ L 0 ( m ϕ ) d ϕ ] = d 3 X   [ L 0 ( m ϕ ) d ϕ ] X i X i + = 0.

En efecto, d ϕ = 0 en los límites por hipótesis ( X i + = + para coordenadas espaciales y t F para el tiempo).

También tenemos:

d 4 X   α [ F ϕ d ϕ + F ( m ϕ ) d ( m ϕ ) ] = d 3 X   [ F ϕ d ϕ + F ( m ϕ ) d ( m ϕ ) ] X i X i + = d 3 X   [ F ( m ϕ ) d ( m ϕ ) ] X i X i + .

** Y aquí está mi problema **.

El hecho d ϕ ( X i + ) = d ϕ ( X i ) = 0 no implica que m d ϕ ( X i + ) = m d ϕ ( X i ) = 0 .

Para ser más precisos, podría ser cierto si X i + = X i = + (*) pero si tomo las coordenadas de tiempo, tengo X i + = t F . Así que al menos no es cierto para m = t .

Por lo tanto, el término adicional α F ( ϕ , m ϕ ) modifica la extremalidad de la acción. Así no tendré la misma ecuación de movimiento.

Pero en este tema: ¿ Un término adicional de cuatro divergencias en una densidad lagrangiana es importante para las ecuaciones de campo? el libro del autor dice que cualquier cuatro divergencia no afecta la ecuación de movimientos.

Pero hemos visto aquí (si no me equivoco, lo que no es nada seguro) que si el término adicional es una derivada total que contiene derivadas temporales del campo, puede cambiar las ecuaciones de movimiento.

¿Dónde estoy equivocado?


(*) : es cierto porque preguntamos ϕ para ir a cero en el infinito, por lo que solo permitimos variaciones de ϕ que desaparecen en el infinito (de lo contrario, terminaríamos con ϕ + d ϕ no integrable). Y como ( X , y , z ) d ϕ ( X , y , z , t ) va a 0 en el infinito, toda su derivada también.

Comentario a la publicación (v2): Tenga en cuenta que el problema con la dependencia de derivados en el fF la función es en principio la misma en el caso de la mecánica de puntos y en el caso de la teoría de campos. En particular, la conclusión debe ser la misma, no opuesta.
Punto menor: necesitamos un α superiorα índice en fF . Además, la tt dependencia de fF es en general una xX dependencia.
para la xX dependencia estoy de acuerdo ( x , t )( x , t ) en el caso más general. Pero no entiendo por qué quieres una α superiorα ? Por cierto, estoy leyendo la publicación relacionada.
@Qmechanic: leí los temas relacionados. En el que trata sobre escalar lagrangiano, entendí que puedo agregar una función ( d / d t ) [ f ( q , ˙ q , t ) ]( re/ díat ) [ f( q,q˙, t ) ] a mi Lagrangiano y no cambiará las ecuaciones de movimiento si también tengo condiciones de contorno en ˙ qq˙ (porque en la prueba necesitamos hacer la integración por partes y para evitar el término superficial necesitamos condiciones de contorno). Por lo tanto, este mismo argumento se aplica a la teoría de campos. Podría tener un término extra α f ( ϕ , μ ϕ , x )αF( ϕ ,mϕ , x ) , pero para que mi problema provenga del principio variacional, necesitaría una condición de contorno en...
... α ϕαϕ . De acuerdo. Pero no entiendo el otro tema. En éste la 4 divergencia contiene una corriente que tiene derivada del campo. Por lo tanto, necesitaría la condición de contorno de todos los términos μ A μmAm hacer que provenga de un principio variacional, y así ser físicamente válido. Pero, ¿por qué tendríamos esas condiciones de contorno en la derivada del campo? Y no entiendo por qué el autor se centró en 00 , existe el mismo problema con todos los ii ?? Gracias
Edité mucho mi publicación para aclarar mis preguntas después de leer los temas vinculados.
En el ejemplo de la teoría de campos, la condición límite sería simplemente que el campo tiende a cero en el infinito. La integral del segundo término da por lo tanto exactamente cero. Eso es diferente de los términos de mecánica clásica donde tienes f ( q , t 1 ) f ( q , t 0 )F( q,t1) - f( q,t0) .
Con lo que dijiste, creo que entiendo por qué el autor de la publicación relacionada se centró en los derivados en el tiempo del campo. Es porque mi derivada del campo no puede ser 00 en ti _ti y tf _tF (es diferente de las coordenadas espaciales donde integramos en R 3 ) . Pero, ¿entonces todavía hay un problema en un caso general con una corriente que depende de las derivadas del tiempo del campo?
Para un campo escalar de densidad lagrangiana L = 1  2μϕμϕ-V(ϕ)  , es suficiente para imponer Dirichlet BC en el límite del espacio-tiempo (posiblemente compactado).
Comentario a la publicación (v3): Considere definir j μ En el título.
Estoy de acuerdo en que para el Lagrangiano que diste Dirichlet BC son suficientes. Pero si tengo un término como L = L 0 + μ ( ϕ ν ν ϕ μ ) (por ejemplo) No estoy seguro de que Dirichlet BC sea suficiente para la invariante de acción porque tiene una derivada temporal del campo y no integramos el tiempo en R . La cita del libro en el post enlazado, permite tal término. Esto es lo que no entiendo. j m es la corriente 4 dentro de mi divergencia 4.
La acción también se integra en el tiempo. j m generalmente se llama f μ no confundir con, digamos, una corriente de Noether.
Sí, pero las derivadas de campo no son necesariamente 0 en ti _ y tf _ en el opuesto de son 0 en x va al infinito por ejemplo.
@ user3183950 ¿puede vincular a "la publicación" y "el otro tema", etc.? Es difícil de seguir sin contexto.
Edité totalmente la publicación de nuevo. Si lo lees, creo que ahora está mucho más claro.

Respuestas (2)

La afirmación correcta es que un término límite (BT) en la acción (o, de manera equivalente, un término de divergencia total en la densidad lagrangiana) no cambia la derivada funcional/variacional si existen tanto la derivada funcional antigua como la nueva. Preste atención a la palabra importante si en la oración anterior: esto no excluye la posibilidad de que no exista un funcional/variacional.

Para que existan derivadas funcionales, es necesario imponer condiciones de contorno (BC) adecuadas. Un término de frontera/divergencia total puede cambiar el conjunto adecuado de BC.

En el ejemplo de OP, ha observado correctamente que los BC de Dirichlet no son suficientes para eliminar los BT en la variación.

Para resumir: OP no ha demostrado que existan 2 conjuntos diferentes de ecuaciones de Euler-Lagrange, cf. la pregunta del título (v6). Solo que algunas opciones de BT y BC pueden hacer que el problema variacional esté mal definido.

Para el caso mecánico puntual, consulte también esta publicación de Phys.SE. El caso teórico de campo es una generalización directa.

Perdón por mi comentario tardío pero para resumir, si entendí bien, para agregar algunas dependencias en la derivada del campo en V m implica que tengo que cambiar mis condiciones de contorno. Así, cuando el autor del libro dijo una 4-divergencia m V m no cambia la ecuación de movimiento, si solo tengo BC en el campo, la función en el término de 4 div solo debe contener ϕ . Si ahora añado BC a las derivadas de ϕ , puedo tener derivados de ϕ en el término de 4 divergencias. Estoy en lo correcto ? Sólo para estar seguro
En cuanto a la existencia de derivados funcionales: sí. Pero puede haber otros problemas: el sistema con todos los BC ahora puede estar demasiado restringido, de modo que los EL eqs. no tienen soluciones.

en el límite, d ϕ ( X ) = 0 d ( m ϕ ( X ) ) = 0 .

Piense en términos del principio de variación unidimensional. En este caso, se encuentra la equivalencia d ϕ ( X ) = d ( ϕ ˙ ( X ) d t ) = d ( ϕ ˙ ( X ) ) d t . Así cuando uno toma d ϕ ( X ) = 0 en el límite, obtenemos inmediatamente d ( ϕ ˙ ( X ) ) = 0 también.

Esto es válido para cualquier principio variacional con la condición límite dada en cualquier dimensión. Espero que esto resuelva tu confusión.

No estoy seguro de seguir esto. Se siente como afirmar que si d F d X es cero en algún punto X = a , entonces necesariamente d 2   F d X 2 = d d X ( d F d X ) = d d X ( 0 ) = 0 en ese punto. Lo cual, por supuesto, no es correcto.