解析力学の問題

$q>0$ の範囲で 1 次元の運動をする質量 $m$ の質点のハミルトニアンが、正準座標 $q$ と共役な正準運動量 $p$ を用いて
$$H=\frac{p^2}{2m}+\frac{1}{2}m{\omega }^2{q}^2+\frac{\alpha }{q^2}$$
で与えられる。ここで $m$, $\omega$, $\alpha$ は正の定数である。ポアソン括弧を $\{f,g\}=\frac{\partial f}{\partial q}\frac{\partial g}{\partial p}-\frac{\partial f}{\partial p}\frac{\partial g}{\partial q}$ と定義する。

時刻 $t=0$ に $q=a(a>0)$, $p=0$ であった。$D=q^2$, $A=qp$ とおき、$D$, $A$, $H$ のあいだのポアソン括弧を用いて $D(t)$ の満たす微分方程式を導くことにより、時刻 $t=\frac{\pi }{6\omega }$ における $q$ の値を、$a$, $m$, $\omega$, $\alpha$ を用いて表せ。

$xy$ 平面内を運動する質量 $m$ の質点のハミルトニアンが、正準座標 $(x,y)$ と共役な正準運動量 $(p_x,p_y)$ を用いて
$$H=\frac{p_x^2+p_y^2}{2m}+\frac{k}{2}\left(x^2+4y^2\right)(m>0,k>0)$$
で与えられる（$x$ 方向と $y$ 方向の角振動数の比が $1:2$ の非等方調和振動子）。ポアソン括弧を
$$\{f,g\}=\sum _{q=x,y}\left(\frac{\partial f}{\partial q}\frac{\partial g}{\partial p_q}-\frac{\partial f}{\partial p_q}\frac{\partial g}{\partial q}\right)$$
で定義する。$\beta ,\gamma$ を定数（$x,y,p_x,p_y,t$ によらない実数）として、相空間上の関数
$$G=x{p}_x{p}_y+\beta y{p}_x^2+\gamma x^{2}y$$
を考える。$G$ が任意の運動について保存量となる（すなわち $\{G,H\}=0$ が相空間のすべての点で成り立つ）ような $\beta ,\gamma$ を、$m,k$ を用いて表し、組 $(\beta ,\gamma )$ の形で答えよ。

一様な重力のもとで鉛直方向に運動する質量 $m$ の質点を考える。鉛直上向きを正として高さを $q$、それに共役な運動量を $p$ とすると、ハミルトニアンは
$$H=\frac{p^2}{2m}+mgq$$
である（$g>0$ は重力加速度の大きさ）。時間をあらわに含む物理量
$$f(q,p,t)=q-\frac{pt}{m}-\alpha t^2$$
（$\alpha$ は定数）が保存量となるように、$\alpha$ を $g$ で表せ。ただし、2 つの物理量 $A$, $B$ のポアソン括弧は $\{A,B\}=\frac{\partial A}{\partial q}\frac{\partial B}{\partial p}-\frac{\partial A}{\partial p}\frac{\partial B}{\partial q}$ と定義する。

平面内を運動する質量 $m$ の粒子を、正準座標 $(x,y)$ とそれに共役な正準運動量 $(p_x,p_y)$ で記述する。正の定数 $\omega$ を用いて、相空間上の 2 つの関数
$$K=\frac{p_x^2-p_y^2}{2m}+\frac{1}{2}m{\omega }^2\left(x^2-y^2\right),M=\frac{p_x{p}_y}{m}+m{\omega }^{2}xy$$
を定める。関数 $f,g$ のポアソン括弧を
$$\{f,g\}=\sum _{q=x,y}\left(\frac{\partial f}{\partial q}\frac{\partial g}{\partial p_q}-\frac{\partial f}{\partial p_q}\frac{\partial g}{\partial q}\right)$$
で定義するとき、ポアソン括弧 $\{K,M\}$ を $x,y,p_x,p_y,\omega$ を用いて表せ。

質量 $m$、電荷 $q(>0)$ の粒子が $xy$ 平面内を運動する。$z$ 軸正の向きに一様な磁束密度 $B(>0)$ の磁場と、$x$ 軸正の向きに一様な大きさ $E(>0)$ の電場がかかっている。ベクトルポテンシャルを $\mathbf{A}=\left(-\frac{By}{2},\frac{Bx}{2},0\right)$、スカラーポテンシャルを $\varphi =-Ex$ にとると、正準変数 $(x,y,p_x,p_y)$ によるハミルトニアンは
$$H=\frac{1}{2m}\left[{\left(p_x+\frac{qBy}{2}\right)}^2+{\left(p_y-\frac{qBx}{2}\right)}^2\right]-qEx$$
である（SI 単位系、非相対論的に扱い、放射は無視する）。ポアソン括弧は $\{f,g\}=\sum _{i=x,y}\left(\frac{\partial f}{\partial q_i}\frac{\partial g}{\partial p_i}-\frac{\partial f}{\partial p_i}\frac{\partial g}{\partial q_i}\right)$ と定義する。

運動学的運動量を ${\pi }_x=p_x+\frac{qBy}{2}$、${\pi }_y=p_y-\frac{qBx}{2}$ とし、量
$$X=x+\frac{{\pi }_y}{qB},Y=y-\frac{{\pi }_x}{qB}$$
（円運動の中心、すなわち案内中心の座標）を考える。正準方程式（ポアソン括弧による時間発展 $\dot{f}=\{f,H\}$）を用いて、$X$ と $Y$ の時間変化率 $\left(\dot{X},\dot{Y}\right)$ をこの順に組で求め、$E,B$ を用いて表せ。