とね日記

理数系ネタ、パソコン、フランス語の話が中心。
量子テレポーテーションや超弦理論の理解を目指して勉強を続けています!

発売情報:よくわかる解析力学:前野昌弘

2013年10月12日 23時56分01秒 | 物理学、数学
よくわかる解析力学:前野昌弘

内容
解析力学は本来「力学を簡単にする方法」。本書では「ラグランジアンのおかげでこんな問題が簡単になるよ」という点を具体的に語っていく。

著者略歴
前野 昌弘:ホームページ: http://irobutsu.a.la9.jp/
1985年神戸大学理学部物理学科卒業。1990年大阪大学大学院理学研究科博士後期課程修了。1995年より琉球大学理学部教員。現在、琉球大学理学部物質地球科学科准教授


注文していた本書が今日届いた。今の学生は恵まれていると思った。発売されたばかりのとてもわかりやすい解析力学入門書である。本書を読むための前提知識は理数系の大学1年で学ぶ微積分(偏微分を含む)と線形代数。本書に限らず解析力学を学ぶのであれば、いずれにせよ前提知識は同じだ。

解説:NHKスペシャル「神の数式」第1回:この世は何からできているのか」の記事で「素粒子の数式の左辺に書かれているLはラグランジアンと呼ばれている量だ。ラグランジアンについて学ぶ解析力学はニュートン力学から超弦理論まで、あらゆる物理理論で成り立っている普遍的な原理である。」と書いたように解析力学(Wikipediaの記事)はとても重要な位置をしめている。

「無数にある未来の可能性の中から自然はどうやって1つだけを選び取っているのだろうか?そしてそれが繰り返されることで世界の動きが進み、どのように過去の有り様がひとつに決まって「歴史」が作られていくのだろうか?」

解析力学はそこに潜む普遍的な原理を説き明かしてくれる。ニュートン力学を出発点としているから解析力学の示す未来はあらかじめ決まっているという決定論のはずだ。しかし不思議なことに学び終えるころには量子力学の入口が見えてくるのだ。その先にあるのは非決定論的で不確実な世界である。(第12章の「解析力学と物理」でそれはわかる。)

とはいっても初めて学ぶ人には幾分ハードルが高いのも事実。これまで僕がお勧めしていたのは「解析力学(久保謙一著、裳華房)」だった。

しかし今日届いたばかりの「よくわかる解析力学:前野昌弘」の内容をざっと確認した限りでは、こちらのほうがずっとよい。これからは本書を勧めることにしよう。

読んでもいないのに無責任だという声も聞こえてきそうだが、「よくわかる電磁気学:前野昌弘」や「よくわかる量子力学:前野昌弘」の良さは十分知っているので、前野先生の本ならば間違いはない。本書のわかりやすさについても九分九厘保証できる。章立ては次のとおり。

第1章 解析力学入門の準備
第2章 簡単な変分問題
第3章 静力学―仮想仕事の原理から変分原理へ
第4章 ラグランジュ形式の解析力学?導入篇
第5章 ラグランジュ形式の解析力学?発展篇
第6章 ラグランジュ形式の解析力学―実践篇1・振動
第7章 ラグランジュ形式の解析力学―実践篇2・剛体の回転
第8章 保存則と対称性
第9章 ハミルトン形式の解析力学
第10章 正準変換
第11章 ハミルトン・ヤコビ方程式
第12章 おわりに 解析力学と物理
付録A 行列計算
付録B 偏微分に関係するテクニック
付録C 座標系に関して
付録D 問いのヒントと解答


ひととおり学び終えている僕でも近いうちに読んでレビュー記事を書いてみたい。そんな気持ちにさせられた。

前野先生は今年の2月に初等力学の入門書もお出しになっている。解析力学以前に力学も学び直してみたいという方は、合わせてお読みになるとよいだろう。

よくわかる初等力学:前野昌弘
よくわかる解析力学:前野昌弘

 


本書のサポートページ(「はじめに」や「正誤表」が読める。)
http://irobutsu.a.la9.jp/mybook/ykwkrAM/

ネットで解析力学を学んでみたい方は「EMANの解析力学」がお勧め。

EMANの解析力学
http://eman-physics.net/analytic/contents.html


----------------------------
追記:その後、本書を読んでレビュー記事を書いた。

よくわかる解析力学:前野昌弘
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/bd9d328483de3bc3f9a3ad14ec6fe078


余談:

ところでノーベル物理学賞が発表されたばかりだが、前野先生はこんなページもお書きになっている。報道やネット上では不正確な説明がまことしやかに広まってしまっているが、前野先生のご説明が(僕が見た中では)いちばん正確だと思う。ぜひお読みいただきたい。

ヒッグス粒子ってなあに?(高校生以上向け版)
http://irobutsu.a.la9.jp/movingtext/HiggsHS/index.html


関連記事:

よくわかる電磁気学:前野昌弘
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/3f7e34e15a862a7c6471d5eb60be0273

よくわかる量子力学:前野昌弘
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/08beb004bf1a5c9e6f6192439045c120

今度こそ納得する物理・数学再入門:前野昌弘
https://blog.goo.ne.jp/ktonegaw/e/8777ea8175e9c48e0170df5b930f42d9


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よくわかる解析力学:前野昌弘


はじめに

第1章 解析力学入門の準備
 1.1 ニュートン力学の復習
  1.1.1 運動の法則
  1.1.2 保存則
  1.1.3 角運動量の保存
 1.2 力学を簡単にするために
  1.2.1 「仕事」を使いこなす
  1.2.2 より高い視点から「運動」を見る
 1.3 経路
 1.4 座標とその変換
 1.5 章末演習問題

第2章 簡単な変分問題
 2.1 変分による計算
  2.1.1 変分とは
  2.1.2 等しい周で最大面積の長方形
  2.1.3 等しい周の三角形
 2.2 光学におけるフェルマーの原理
  2.2.1 反射の法則
  2.2.2 屈折の法則
  2.2.3 光の直進
  2.2.4 極座標での直線
 2.3 関数の変分に関するまとめと例題
  2.3.1 オイラー・ラグランジュ方程式
  2.3.2 一般的な図形の等周問題
  2.3.3 最速降下線
 2.4 章末演習問題

第3章 静力学―仮想仕事の原理から変分原理へ
 3.1 仮想仕事の原理
  3.1.1 一個の質点の場合
  3.1.2 複数の質点からなる系における仮想仕事の原理
 3.2 剛体に対する仮想仕事
  3.2.1 剛体に起こり得る仮想変位
  3.2.2 剛体に対する仮想仕事
  3.2.3 仮想仕事が0 になるための条件
 3.3 仮想仕事の原理を使う例題
 3.4 位置エネルギー
  3.4.1 仕事とエネルギー
  3.4.2 位置エネルギーを表現する座標を変えてみる
 3.5 3 次元の仮想仕事と位置エネルギー
  3.5.1 積分可能条件とrot
  3.5.2 異なる座標系で計算したポテンシャルの安定点
 3.6 静力学における変分原理
  3.6.1 動力学の変分原理のモデルになる静力学の問題
  3.6.2 懸垂線の方程式
  3.6.3 一般座標におけるラプラシアン
 3.7 章末演習問題

第4章 ラグランジュ形式の解析力学?導入篇
 4.1 「作用」を`作る'
  4.1.1 作用とは何か
  4.1.2 ダランベールの原理による仮想仕事の原理の拡張
  4.1.3 確認:作用は本当に極値を取っているか
  4.1.4 運動方程式としてのオイラー・ラグランジュ方程式
  4.1.5 なぜ位置エネルギーは引かれるのか??
 4.2 1 次元運動の例題
  4.2.1 簡単な例題
  4.2.2 加速する座標系内の自由粒子
  4.2.3 速度に比例する抵抗
 4.3 複合系をラグランジアン形式で
  4.3.1 定滑車
  4.3.2 動滑車
 4.4 多次元のラグランジュ形式
  4.4.1 2 次元以上の変数のラグランジアン
  4.4.2 棒に繋がれた2 物体の平面内運動
  4.4.3 一般的ポテンシャルによる相互作用をする2 物体
 4.5 章末演習問題

第5章 ラグランジュ形式の解析力学?発展篇
 5.1 オイラー・ラグランジュ方程式と座標変換
  5.1.1 オイラー・ラグランジュ方程式の共変性
  5.1.2 2 次元極座標でのオイラー・ラグランジュ方程式
  5.1.3 循環座標
  5.1.4 変数変換に関する注意|ルジャンドル変換の必要性
  5.1.5 2 次元で万有引力が働く場合
 5.2 3次元の直交曲線座標で記述する運動
  5.2.1 直交座標から他の座標系へ
  5.2.2 3次元の極座標
  5.2.3 球対称ポテンシャル内の運動
 5.3 拘束のある系
  5.3.1 拘束条件の分類
  5.3.2 ラグランジュ未定乗数の利用
  5.3.3 変数の消去
 5.4 章末演習問題

第6章 ラグランジュ形式の解析力学―実践篇1・振動
 6.1 単振動
  6.1.1 簡単な単振動
  6.1.2 微小振動
 6.2 連成振動
  6.2.1 二体連成振動
  6.2.2 二体連成振動の行列を使った変数変換
  6.2.3 質量が異なる場合
  6.2.4 二重振り子
 6.3 三体からN 体の連成振動へ
  6.3.1 三体連成振動
  6.3.2 3つのモードの表現
  6.3.3 N 個の物体が連結されている場合の振動
 6.4 連続的な物体への極限
  6.4.1 振動解の物体数を増やす
  6.4.2 作用の書き換え
 6.5 章末演習問題

第7章 ラグランジュ形式の解析力学―実践篇2・剛体の回転
 7.1 剛体の回転運動
  7.1.1 剛体の運動エネルギー
  7.1.2 主軸変換
7.2 オイラー角で表現する回転運動
  7.2.1 物体に固定された座標軸
  7.2.2 オイラー角と角速度ベクトル
  7.2.3 外力が働かない剛体の回転運動
  7.2.4 角運動量の保存
  7.2.5 特定の軸に回りに回っている時の近似計算
 7.3 エネルギー保存と角運動量保存から言えること
  7.3.1 自由に回転する剛体
 7.4 章末演習問題

第8章 保存則と対称性
 8.1 空間並進と運動量保存則
  8.1.1 ハミルトンの主関数
  8.1.2 「ハミルトンの主関数の端点微分」としての運動量
  8.1.3 運動量保存則の導出
 8.2 運動量の一般化
 8.3 時間並進不変性とエネルギー保存則
   8.3.1 作用の時間微分としてのエネルギー
   8.3.2 エネルギー保存則の導出
 8.4 一般論|ネーターの定理
 8.5 角運動量保存則
 8.6 章末演習問題

第9章 ハミルトン形式の解析力学
 9.1 ハミルトン形式(正準形式)とは
  9.1.1 運動量と座標を使った表現
  9.1.2 ハミルトニアン
  9.1.3 簡単な例題
  9.1.4 ラグランジュ未定乗数としての運動量
 9.2 変分原理からの正準方程式
 9.3 位相空間
  9.3.1 位相空間とは
  9.3.2 位相空間で表現した「運動」
 9.4 リウヴィルの定理
 9.5 ポアッソン括弧
  9.5.1 時間微分とハミルトニアン
  9.5.2 ポアッソン括弧の性質
  9.5.3 ヤコビ恒等式の証明
  9.5.4 ポアッソン括弧が0 になることの意味
 9.6 ハミルトン形式で考える角運動量と剛体
  9.6.1 角運動量とのポアッソン括弧
  9.6.2 外力が働かない剛体の回転
  9.6.3 対称コマのハミルトニアン
  9.6.4 軸先が固定された対称コマ
 9.7 章末演習問題

第10章 正準変換
 10.1 1 次元系の時間によらない正準変換
  10.1.1 正準方程式の変換
  10.1.2 位相空間の面積を変えない変換の例
  10.1.3 ポアッソン括弧の変換
  10.1.4 より大胆な正準変換
  10.1.5 ポアッソン括弧を使って無限小正準変換を記述する
 10.2 変分原理と正準変換
  10.2.1 正準変換による作用の変化と母関数
  10.2.2 正準変換の変数の取り方
  10.2.3 母関数を使った正準変換の例
  10.2.4 変換から母関数を作る
 10.3 時間に依存する変換
  10.3.1 作用の変化
  10.3.2 時間に依存する正準変換の例
 10.4 多変数の正準変換
  10.4.1 多変数のポアッソン括弧の変換
  10.4.2 多変数の場合の母関数
  10.4.3 多変数正準変換の例
 10.5 章末演習問題

第11章 ハミルトン・ヤコビ方程式
 11.1 ハミルトン・ヤコビ方程式
  11.1.1 K = 0 となる正準変換の母関数を求める
  11.1.2 作用とハミルトン・ヤコビ方程式
 11.2 ハミルトン・ヤコビ方程式の解
  11.2.1 変数分離
  11.2.2 簡単な例
  11.2.3 2 次元放物運動
 11.3 球対称ポテンシャル内の3 次元運動
 11.4 章末演習問題

第12章 おわりに 解析力学と物理
 12.1 解析力学と相対論
 12.2 解析力学と統計力学
 12.3 解析力学と量子力学

付録A 行列計算
 A.1 行列の基本計算
 A.2 行列を使う利点
 A.3 添字を使った表現
 A.4 直交行列
 A.5 直交行列でない行列の逆行列
 A.6 固有値と固有ベクトル
 A.7 行列式の計算
 A.8 固有ベクトルによる対角化

付録B 偏微分に関係するテクニック
 B.1 多変数の関数の微分
  B.1.1 偏微分
  B.1.2 全微分と変数変換
 B.2 体積積分とヤコビアン
  B.2.1 面積積分
  B.2.2 体積積分
 B.3 ラグランジュ未定乗数の方法の意味
 B.4 オイラー・ラグランジュ方程式
  B.4.1 1変数の場合
  B.4.2 多変数の場合
 B.5 ルジャンドル変換
  B.5.1 必要性?もしルジャンドル変換をしなかったら
  B.5.2 ルジャンドル変換とは

付録C 座標系に関して
 C.1 ベクトルの表現
  C.1.1 直交座標の基底ベクトル
  C.1.2 一般的な直交曲線座標の基底ベクトル
  C.1.3 曲線座標とベクトル
  C.1.4 テンソル
 C.2 回転を記述する方法
  C.2.1 2 次元回転
  C.2.2 オイラー角

付録D 問いのヒントと解答
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2 コメント

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簡単になる (hirota)
2013-10-13 11:52:52
解析力学に初めて触れたのは大学でいきなり問題を解くのに使われた時ですが、定義も基礎も知らない学生相手に応用を見せるという無茶ぶりなのに「簡単に解ける!」という御利益は印象に残りましたねー。
基礎からまともに勉強したのは、仕事に使う為の基礎知識として古在先生の軌道力学を読んでたらブラウアーの論文を読む必要が出て、そのために解析力学が必要になってからですが、前の印象があったおかげで楽に勉強する事が出来ました。
大学の時は「こんな無茶ぶりでいいのかなー」と思ってましたが結局よかったようです。
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Re: 簡単になる (とね)
2013-10-13 12:06:39
hirotaさん

解析力学をめぐるご経験話、ありがとうございます。古在先生の軌道計算までお読みになっていたのですね。先生の著書を読んだのは僕は中学生の頃の一般向け書籍でした。(不思議なことにアマゾンで検索しても見つかりませんでした。)

「定義も基礎も知らない学生相手に応用を見せるという無茶ぶり」というのは物理学科ではきっとそうなのだろうと(数学専攻だった)僕にも思えます。そのあたりは現在でも同じなのでしょうね。

僕の場合、どんな分野か全く知らずに書店で手にとって「あ、おもしろそう!」という感じで読み始めたのです。ラグランジュとかはすでに学んでいた天体力学でお馴染みの学者でしたし。
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