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IGNOU MPH-006 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU MPH-006 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU MPH-006 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. (a) एक सरल आवर्ती दोलक का हैमिल्टोनियन इस प्रकार दिया गया है : H = p²/2m + ½mω²q² दिखाएँ कि वेग सदिश हैमिल्टोनियन द्वारा परिभाषित वक्र के स्पर्शरेखीय होता है। (b) दो लैग्रैन्जियन L(q, q̇, t) और L'(q, q̇, t) पर विचार करें, जैसे कि : L'(q, q̇, t) = L(q, q̇, t) + dF(q,t)/dt दिखाएँ कि दोनों लैग्रैन्जियन के लिए क्रिया की भिन्नता समान है, अर्थात δS = δS’.

Ans. (a) किसी निकाय के लिए, प्रावस्था समष्टि (phase space) में प्रक्षेपवक्र एक स्थिर ऊर्जा की सतह पर स्थित होता है, जिसे H(q, p) = E = नियतांक द्वारा परिभाषित किया जाता है। प्रावस्था समष्टि में वेग सदिश v phase = (q̇, ṗ) द्वारा दिया जाता है। हैमिल्टन के गति के समीकरण हैं: q̇ = ∂H/∂p ṗ = -∂H/∂q

दिए गए सरल आवर्ती दोलक के हैमिल्टोनियन के लिए: H = p²/2m + ½mω²q² हम आंशिक अवकलज की गणना करते हैं: ∂H/∂p = p/m ∂H/∂q = mω²q

अतः, प्रावस्था समष्टि में वेग सदिश है: v phase = (q̇, ṗ) = (p/m, -mω²q)

स्थिर ऊर्जा H = E सतह के किसी भी बिंदु पर अभिलंब (normal) सदिश, हैमिल्टोनियन के ग्रेडिएंट द्वारा दिया जाता है: ∇H = (∂H/∂q, ∂H/∂p) = (mω²q, p/m)

यह दिखाने के लिए कि वेग सदिश वक्र के स्पर्शरेखीय है, हमें यह दिखाना होगा कि वेग सदिश, अभिलंब सदिश के लंबवत है। यह उनके अदिश गुणनफल (dot product) की गणना करके किया जा सकता है: v phase ⋅ ∇H = (p/m)(mω²q) + (-mω²q)(p/m) v phase ⋅ ∇H = pω²q – pω²q = 0

चूंकि अदिश गुणनफल शून्य है, वेग सदिश (q̇, ṗ) ग्रेडिएंट सदिश (∇H) के लंबवत है। क्योंकि ग्रेडिएंट सदिश हमेशा सतह के अभिलंब होता है, इसका तात्पर्य है कि वेग सदिश निश्चित रूप से सतह के स्पर्शरेखीय है । इस प्रकार, प्रावस्था समष्टि में प्रक्षेपवक्र हैमिल्टोनियन द्वारा परिभाषित स्थिर-ऊर्जा वक्र के स्पर्शरेखीय होता है।

(b) क्रिया (action) S को लैग्रैन्जियन L के समय समाकलन के रूप में परिभाषित किया गया है: S = ∫[t₁ to t₂] L(q, q̇, t) dt दूसरे लैग्रैन्जियन L’ के लिए संबंधित क्रिया S’ है: S’ = ∫[t₁ to t₂] L'(q, q̇, t) dt

दिए गए संबंध L’ = L + dF/dt को प्रतिस्थापित करने पर: S’ = ∫[t₁ to t₂] (L + dF/dt) dt S’ = ∫[t₁ to t₂] L dt + ∫[t₁ to t₂] (dF/dt) dt

पहला पद मूल क्रिया S है। दूसरे पद का समाकलन किया जा सकता है: ∫[t₁ to t₂] (dF/dt) dt = F(q(t₂), t₂) – F(q(t₁), t₁) अतः, S’ = S + [F] t₂ t₁

अब, हम क्रिया की भिन्नता (variation) की गणना करते हैं, δS’। भिन्नता सिद्धांत के अनुसार, पथ के अंतिम बिंदुओं पर भिन्नता शून्य हो जाती है, अर्थात δq(t₁) = 0 और δq(t₂) = 0 । δS’ = δ(S + F(q(t₂), t₂) – F(q(t₁), t₁)) δS’ = δS + δF(q(t₂), t₂) – δF(q(t₁), t₁)

F(q,t) की भिन्नता है δF = (∂F/∂q)δq। अंतिम बिंदुओं पर: δF(q(t₂), t₂) = (∂F/∂q)| t₂ δq(t₂) = 0 δF(q(t₁), t₁) = (∂F/∂q)| t₁ δq(t₁) = 0

क्योंकि अंतिम बिंदुओं पर δF शून्य है, हमें प्राप्त होता है: δS’ = δS + 0 – 0 δS’ = δS

यह दर्शाता है कि दोनों लैग्रैन्जियन L और L’ एक ही गति के समीकरण की ओर ले जाते हैं, क्योंकि हैमिल्टन का सिद्धांत यह बताता है कि δS = 0। यदि δS = 0 है, तो δS’ = 0 भी है।

Q2. (a) एकसमान बल F = F₀k̂ के तहत गतिमान m द्रव्यमान के एक कण पर विचार करें। यदि लैग्रैन्जियन इस प्रकार दिया गया है : L = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) – F₀z घूर्णन के तहत संरक्षण नियमों का निर्धारण करें। (b) m द्रव्यमान के एक कण का लैग्रैन्जियन है : L = ½m(ẋ² – kx²) + ½aẋ⁴। निकाय का हैमिल्टोनियन और गति के संगत हैमिल्टन समीकरण प्राप्त करें। k और a को स्थिरांक मानें।

Ans. (a) दिया गया लैग्रैन्जियन L = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) – F₀z एक कण का वर्णन करता है जो z-अक्ष की ऋणात्मक दिशा में एक समान बल (जैसे गुरुत्वाकर्षण) के तहत गति कर रहा है। यहाँ, गतिज ऊर्जा T = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) और स्थितिज ऊर्जा V = F₀z है।

हम नोएथर के प्रमेय (Noether’s theorem) का उपयोग करके घूर्णन के तहत संरक्षण नियमों की जांच करते हैं, जो बताता है कि यदि एक लैग्रैन्जियन एक सतत समरूपता के तहत अपरिवर्तनीय है, तो एक संगत मात्रा संरक्षित रहती है।

z-अक्ष के परितः घूर्णन: आइए z-अक्ष के परितः एक कोण φ द्वारा घूर्णन पर विचार करें। निर्देशांक इस प्रकार रूपांतरित होते हैं: x’ = x cosφ – y sinφ y’ = x sinφ + y cosφ z’ = z

वेगों के वर्गों का योग अपरिवर्तनीय रहता है: ẋ’² + ẏ’² = (ẋ cosφ – ẏ sinφ)² + (ẋ sinφ + ẏ cosφ)² = ẋ² + ẏ² चूंकि z’ = z और ż’ = ż, गतिज ऊर्जा T’ = ½m(ẋ’² + ẏ’² + ż’²) = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) = T, अपरिवर्तनीय है।

स्थितिज ऊर्जा V = F₀z केवल z पर निर्भर करती है। चूंकि घूर्णन के तहत z’ = z, स्थितिज ऊर्जा भी अपरिवर्तनीय है: V’ = F₀z’ = F₀z = V।

क्योंकि T और V दोनों z-अक्ष के परितः घूर्णन के तहत अपरिवर्तनीय हैं, लैग्रैन्जियन L = T – V भी अपरिवर्तनीय है। नोएथर के प्रमेय के अनुसार, इस समरूपता के अनुरूप एक संरक्षित मात्रा होनी चाहिए। z-अक्ष के परितः घूर्णन के लिए संरक्षित मात्रा z-अक्ष के अनुदिश कोणीय संवेग का घटक (L z ) है। L z = x p y – y p x = m(xẏ – yẋ)

x- या y-अक्ष के परितः घूर्णन: यदि हम x-अक्ष या y-अक्ष के परितः घूर्णन करते हैं, तो z निर्देशांक बदल जाएगा (उदाहरण के लिए, x-अक्ष के परितः घूर्णन के लिए z’ = y sinθ + z cosθ)। चूँकि स्थितिज ऊर्जा V = F₀z, z पर निर्भर करती है, V और इसलिए L इन घूर्णनों के तहत अपरिवर्तनीय नहीं है। नतीजतन, कोणीय संवेग के x और y घटक, L x और L y , संरक्षित नहीं हैं।

अतः, घूर्णन के तहत एकमात्र संरक्षण नियम कोणीय संवेग का z-घटक का संरक्षण है।

(b) दिया गया लैग्रैन्जियन है: L = ½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴। यह một गैर-मानक लैग्रैन्जियन है क्योंकि इसमें वेग की चौथी घात (ẋ⁴) का पद है।

1. कैनोनिकल संवेग (Canonical Momentum) प्राप्त करें: सामान्यीकृत निर्देशांक x है। x के संगत कैनोनिकल संवेग p है: p = ∂L/∂ẋ = ∂/∂ẋ (½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴) p = mẋ + 2aẋ³

2. हैमिल्टोनियन (Hamiltonian) प्राप्त करें: हैमिल्टोनियन H को लेजेंड्रे रूपांतरण द्वारा परिभाषित किया गया है: H = pẋ – L. H = (mẋ + 2aẋ³)ẋ – (½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴) H = mẋ² + 2aẋ⁴ – ½mẋ² + ½mkx² – ½aẋ⁴ H = ½mẋ² + (3/2)aẋ⁴ + ½mkx²

यह ऊर्जा फलन है। हैमिल्टोनियन को सामान्यतः निर्देशांक और संवेग (x, p) के फलन के रूप में व्यक्त किया जाना चाहिए। हालाँकि, समीकरण p = mẋ + 2aẋ³ ẋ के लिए आसानी से हल नहीं किया जा सकता है। इसलिए, हम H को x और ẋ के रूप में छोड़ सकते हैं, यह समझते हुए कि ẋ को p के एक निहित फलन ẋ(p) के रूप में माना जाता है।

3. हैमिल्टन के गति के समीकरण: हैमिल्टन के समीकरण हैं: ẋ = ∂H/∂p ṗ = -∂H/∂x

ṗ की गणना करने के लिए, हम H(x, p) = pẋ(p) – L(x, ẋ(p)) का उपयोग करते हैं। ṗ = -∂H/∂x = -[∂(pẋ)/∂x – ∂L/∂x] = ∂L/∂x (क्योंकि H(x, p) में, x और p स्वतंत्र चर हैं, इसलिए ∂ẋ/∂x = 0 और ∂p/∂x = 0) ∂L/∂x = ∂/∂x (½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴) = -mkx अतः, ṗ = -mkx ।

ẋ समीकरण के लिए: ẋ = ∂H/∂p = ∂/∂p (pẋ – L) श्रृंखला नियम का उपयोग करके: ∂H/∂p = ẋ + p(∂ẋ/∂p) – (∂L/∂ẋ)(∂ẋ/∂p) चूंकि p = ∂L/∂ẋ, हमें मिलता है: ∂H/∂p = ẋ + p(∂ẋ/∂p) – p(∂ẋ/∂p) = ẋ अतः, ẋ = ẋ(p) , जहाँ p = mẋ + 2aẋ³ ।

संक्षेप में, गति के समीकरण हैं:

  • ẋ = ẋ(p) , जो निहित रूप से p = mẋ + 2aẋ³ द्वारा परिभाषित है।
  • ṗ = -mkx

Q3. (a) कैनोनिकल रूपांतरण के लिए द्विरेखीय निश्चर स्थिति (bilinear invariant condition) लिखें। इस स्थिति का उपयोग करके, दिखाएँ कि क्या रूपांतरण: Q = -p/√2, P = q²/√2 एक कैनोनिकल रूपांतरण है। (b) एक हैमिल्टोनियन द्वारा वर्णित एक गतिशील प्रणाली पर विचार करें : H = p²/2m + ½mω²q²। जनरेटिंग फलन, F₁ = (mω/2)q² cot(Q) का उपयोग करके नया हैमिल्टोनियन K(Q, P) प्राप्त करें।

Ans. (a) द्विरेखीय निश्चर स्थिति (Bilinear Invariant Condition): एक रूपांतरण (q, p) → (Q, P) कैनोनिकल होता है यदि जैकोबियन आव्यूह M के लिए M T JM = J होता है, जहाँ J मानक सिम्प्लेक्टिक आव्यूह है। एक वैकल्पिक स्थिति, जिसे द्विरेखीय निश्चर स्थिति कहा जाता है, यह है कि व्यंजक ∑ᵢ (pᵢδqᵢ – PᵢδQᵢ) एक फलन F का पूर्ण अवकलज (exact differential) होना चाहिए। एक स्वतंत्रता की कोटि के लिए, यह शर्त बन जाती है: pδq – PδQ = dF

इस रूपांतरण का परीक्षण करने का एक अधिक सीधा तरीका मौलिक पॉइसन ब्रैकेट (fundamental Poisson bracket) का उपयोग करना है। एक रूपांतरण कैनोनिकल होता है यदि और केवल यदि {Q, P} q,p = 1। {Q, P} q,p = (∂Q/∂q)(∂P/∂p) – (∂Q/∂p)(∂P/∂q)

दिए गए रूपांतरण के लिए: Q = -p/√2 P = q²/√2

हम आवश्यक आंशिक अवकलज की गणना करते हैं: ∂Q/∂q = 0 ∂Q/∂p = -1/√2 ∂P/∂q = 2q/√2 = √2q ∂P/∂p = 0

इन मानों को पॉइसन ब्रैकेट सूत्र में प्रतिस्थापित करने पर: {Q, P} = (0)(0) – (-1/√2)(√2q) {Q, P} = q

चूंकि {Q, P} = q ≠ 1 (यह q का एक फलन है और 1 के बराबर नहीं है), दिया गया रूपांतरण कैनोनिकल नहीं है ।

(b) [नोट: प्रश्न पत्र में जनरेटिंग फलन अस्पष्ट रूप से मुद्रित है। एक मानक जनरेटिंग फलन जो सरल आवर्ती दोलक समस्या को सरल बनाता है, वह F₁ प्रकार का F₁(q,Q) = (mω/2)q² cot(Q) है। हम इस फलन के साथ आगे बढ़ेंगे क्योंकि यह सबसे संभावित इरादा है।]

दिया गया हैमिल्टोनियन है: H = p²/2m + ½mω²q² जनरेटिंग फलन है: F₁(q, Q)

F₁ प्रकार के जनरेटिंग फलन के लिए, रूपांतरण समीकरण हैं: p = ∂F₁/∂q P = -∂F₁/∂Q

दिए गए F₁(q,Q) = (mω/2)q² cot(Q) के लिए: p = ∂/∂q [(mω/2)q² cot(Q)] = mωq cot(Q) P = -∂/∂Q [(mω/2)q² cot(Q)] = -(mω/2)q² [-csc²(Q)] = (mω/2)q² csc²(Q)

अब हम पुराने चरों (q, p) को नए चरों (Q, P) के रूप में व्यक्त करते हैं: P के लिए समीकरण से: q² = 2P / (mω csc²(Q)) = (2P/mω) sin²(Q)। p के लिए समीकरण से, p² = m²ω²q² cot²(Q)। q² के लिए व्यंजक को प्रतिस्थापित करने पर: p² = m²ω² [(2P/mω) sin²(Q)] cot²(Q) p² = 2mωP sin²(Q) (cos²(Q)/sin²(Q)) = 2mωP cos²(Q)

अब हम q² और p² के इन व्यंजकों को मूल हैमिल्टोनियन H में प्रतिस्थापित करते हैं: H = p²/2m + ½mω²q² K = (2mωP cos²(Q)) / (2m) + ½mω² [(2P/mω) sin²(Q)] K = ωP cos²(Q) + ωP sin²(Q) K = ωP (cos²(Q) + sin²(Q)) K(Q, P) = ωP

चूंकि जनरेटिंग फलन F₁ में स्पष्ट रूप से समय पर निर्भरता नहीं है, नया हैमिल्टोनियन K पुराने हैमिल्टोनियन H के बराबर है, जिसे नए निर्देशांक में व्यक्त किया गया है। नया हैमिल्टोनियन K = ωP है। इस नए रूप में, Q एक चक्रीय निर्देशांक (cyclic coordinate) है क्योंकि यह K में प्रकट नहीं होता है, और गति के समीकरण अत्यंत सरल हो जाते हैं: Ṗ = -∂K/∂Q = 0 (P एक नियतांक है) और Q̇ = ∂K/∂P = ω (Q समय के साथ रैखिक रूप से बढ़ता है)।

Q4. दो फलनों f(q, p, t) और g(q, p, t) के लिए मौलिक पॉइसन ब्रैकेट लिखें। यदि फलन f(q, p, t) और g(q, p, t) गति के नियतांक हैं, तो दिखाएँ कि दो नियतांकों का पॉइसन ब्रैकेट भी गति का एक नियतांक है।

Ans.

मौलिक पॉइसन ब्रैकेट (Fundamental Poisson Brackets): कैनोनिकल निर्देशांक qᵢ और संवेग pᵢ के लिए, मौलिक पॉइसन ब्रैकेट को इस प्रकार परिभाषित किया गया है:

  • {qᵢ, qⱼ} = 0
  • {pᵢ, pⱼ} = 0
  • {qᵢ, pⱼ} = δᵢⱼ

जहाँ δᵢⱼ क्रोनकर डेल्टा है (यदि i = j हो तो 1, अन्यथा 0)।

दो फलनों का पॉइसन ब्रैकेट: प्रावस्था समष्टि में किन्हीं दो फलनों f(q, p, t) और g(q, p, t) के लिए, पॉइसन ब्रैकेट को इस प्रकार परिभाषित किया गया है: {f, g} = ∑ᵢ (∂f/∂qᵢ ∂g/∂pᵢ – ∂f/∂pᵢ ∂g/∂qᵢ)

प्रमेय का प्रमाण (Poisson’s Theorem): हमें यह दिखाना है कि यदि f और g गति के नियतांक हैं, तो उनका पॉइसन ब्रैकेट {f, g} भी गति का एक नियतांक है।

एक फलन F के गति का नियतांक होने का अर्थ है कि इसका कुल समय अवकलज शून्य है: dF/dt = 0

किसी भी फलन F(q, p, t) का कुल समय अवकलज इस प्रकार दिया जाता है: dF/dt = ∂F/∂t + {F, H} जहाँ H निकाय का हैमिल्टोनियन है।

चूंकि f और g गति के नियतांक हैं, हमारे पास है: 1. df/dt = ∂f/∂t + {f, H} = 0 2. dg/dt = ∂g/∂t + {g, H} = 0

हमें यह दिखाना है कि d{f,g}/dt = 0। पॉइसन ब्रैकेट {f, g} का कुल समय अवकलज है: d{f,g}/dt = ∂{f,g}/∂t + {{f, g}, H}

अब, हम प्रत्येक पद का अलग-अलग मूल्यांकन करते हैं। पहला पद, समय के संबंध में आंशिक अवकलज है: ∂{f,g}/∂t = ∂/∂t [∑ᵢ(∂f/∂qᵢ ∂g/∂pᵢ – ∂f/∂pᵢ ∂g/∂qᵢ)] उत्पाद नियम का उपयोग करने और पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर, यह दिखाया जा सकता है कि: ∂{f,g}/∂t = {∂f/∂t, g} + {f, ∂g/∂t}

दूसरा पद, {{f, g}, H}, जैकोबी पहचान (Jacobi identity) का उपयोग करके विस्तारित किया जा सकता है: {{A,B},C} + {{B,C},A} + {{C,A},B} = 0 A=f, B=g, C=H रखने पर: {{f,g},H} + {{g,H},f} + {{H,f},g} = 0 इसे पुनर्व्यवस्थित करने पर: {{f,g},H} = -{{g,H},f} – {{H,f},g} = {f, {g,H}} + {g, {f,H}} (चूंकि {A,B} = -{B,A})

अब इन दोनों परिणामों को d{f,g}/dt के व्यंजक में संयोजित करें: d{f,g}/dt = (∂{f,g}/∂t) + ({{f,g},H}) d{f,g}/dt = [{∂f/∂t, g} + {f, ∂g/∂t}] + [{f, {g,H}} + {g, {f,H}}]

पदों को पुनर्समूहित करने पर: d{f,g}/dt = [{∂f/∂t + {f,H}}, g] + [{f, ∂g/∂t + {g,H}}]

यह पॉइसन ब्रैकेट की रैखिकता के कारण है। अब हम पहचानते हैं कि कोष्ठक में दिए गए पद df/dt और dg/dt हैं: d{f,g}/dt = {df/dt, g} + {f, dg/dt}

चूंकि f और g गति के नियतांक हैं, df/dt = 0 और dg/dt = 0। इसलिए: d{f,g}/dt = {0, g} + {f, 0} = 0 + 0 = 0

यह सिद्ध करता है कि {f, g} भी गति का एक नियतांक है। यह परिणाम पॉइसन के प्रमेय के रूप में जाना जाता है।

Q5. दो स्वतंत्रता की कोटि वाली एक प्रणाली के लिए हैमिल्टोनियन इस प्रकार दिया गया है : H(q₁, q₂, p₁, p₂) = (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂)। Q, P चरों में निकाय के लिए गति के नियतांक प्राप्त करें। अतः Q₁ = q₁ + 4q₂ और Q₂ = q₂ के लिए नया हैमिल्टोनियन प्राप्त करें।

Ans. दिया गया हैमिल्टोनियन है: H = (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂)।

गति के नियतांक (Constants of Motion): सबसे पहले, हम देखते हैं कि हैमिल्टोनियन H स्पष्ट रूप से समय पर निर्भर नहीं करता है (∂H/∂t = 0)। इसलिए, कुल ऊर्जा E = H स्वयं गति का एक नियतांक है।

दूसरा, हम एक और नियतांक की तलाश के लिए एक कैनोनिकल रूपांतरण का उपयोग करते हैं। निर्देशांक q₁ या q₂ व्यक्तिगत रूप से चक्रीय नहीं हैं क्योंकि वे दोनों विभव पद cos(q₁ + 4q₂) में दिखाई देते हैं।

हम दिए गए रूपांतरण के साथ नए निर्देशांक परिभाषित करते हैं: Q₁ = q₁ + 4q₂ Q₂ = q₂

हमें संगत नए संवेग P₁ और P₂ खोजने होंगे ताकि रूपांतरण (q₁,q₂,p₁,p₂) → (Q₁,Q₂,P₁,P₂) कैनोनिकल हो। हम पॉइसन ब्रैकेट शर्तों {Qᵢ, Pⱼ} = δᵢⱼ का उपयोग करते हैं। आइए P₁ और P₂ को पुराने संवेग के रैखिक संयोजन के रूप में मान लें: P₁ = ap₁ + bp₂, P₂ = cp₁ + dp₂।

  • {Q₁, P₁} = {q₁+4q₂, ap₁+bp₂} = a{q₁,p₁} + 4b{q₂,p₂} = a+4b = 1
  • {Q₂, P₁} = {q₂, ap₁+bp₂} = b{q₂,p₂} = b = 0
  • {Q₁, P₂} = {q₁+4q₂, cp₁+dp₂} = c{q₁,p₁} + 4d{q₂,p₂} = c+4d = 0
  • {Q₂, P₂} = {q₂, cp₁+dp₂} = d{q₂,p₂} = d = 1

इन समीकरणों को हल करने पर हमें मिलता है: b=0, d=1, a=1, c=-4। तो, नए संवेग हैं: P₁ = p₁ P₂ = p₂ – 4p₁

इस रूपांतरण से, हम देखते हैं कि P₂ = p₂ – 4p₁ एक संरक्षित मात्रा है। हम इसे हैमिल्टन के समीकरणों का उपयोग करके सत्यापित कर सकते हैं: Ṗ₂ = {P₂, H}। {P₂, H} = {p₂ – 4p₁, (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂)} = {p₂, cos(q₁+4q₂)} – 4{p₁, cos(q₁+4q₂)} = -∂/∂q₂(cos(q₁+4q₂)) + 4∂/∂q₁(cos(q₁+4q₂)) = -(-sin(q₁+4q₂) 4) + 4(-sin(q₁+4q₂) 1) = 4sin(q₁+4q₂) – 4sin(q₁+4q₂) = 0 चूंकि {P₂, H} = 0 और P₂ में कोई स्पष्ट समय निर्भरता नहीं है, P₂ गति का एक नियतांक है।

नया हैमिल्टोनियन K(Q, P) प्राप्त करें: हमें पुराने चरों (q, p) को नए चरों (Q, P) के रूप में व्यक्त करने के लिए रूपांतरण को उलटना होगा: q₂ = Q₂ q₁ = Q₁ – 4q₂ = Q₁ – 4Q₂ p₁ = P₁ p₂ = P₂ + 4p₁ = P₂ + 4P₁

अब इन व्यंजकों को मूल हैमिल्टोनियन H में प्रतिस्थापित करें। चूँकि रूपांतरण समय-स्वतंत्र है, नया हैमिल्टोनियन K केवल H है जिसे नए निर्देशांक में व्यक्त किया गया है। K = (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂) K = (P₁²/2m + (P₂ + 4P₁)²/2m) + cos(Q₁) K = (1/2m) [P₁² + (P₂² + 8P₁P₂ + 16P₁²)] + cos(Q₁) K = (1/2m) [17P₁² + P₂² + 8P₁P₂] + cos(Q₁)

अतः, नया हैमिल्टोनियन है: K(Q₁, Q₂, P₁, P₂) = (17P₁² + P₂² + 8P₁P₂)/2m + cos(Q₁)

जैसा कि अपेक्षित था, नया हैमिल्टोनियन Q₂ पर निर्भर नहीं करता है, यह पुष्टि करता है कि Q₂ एक चक्रीय निर्देशांक है और इसका संगत संवेग P₂ एक संरक्षित मात्रा (गति का नियतांक) है।

Q6. एक अवमंदित आवर्ती दोलक का लैग्रैन्जियन इस प्रकार दिया गया है : L = e γt (½mẋ² – ½mω²x²)। (a) निकाय का हैमिल्टोनियन प्राप्त करें और हैमिल्टन-जैकोबी (H-J) समीकरण लिखें। (b) जनरेटिंग फलन : F₂(q, P, t) = e γt/2 qP का उपयोग करके, नया हैमिल्टोनियन K(Q, P) प्राप्त करें। अतः नए हैमिल्टोनियन से संबंधित H-J समीकरण लिखें।

Ans. (a) हैमिल्टोनियन और हैमिल्टन-जैकोबी समीकरण

दिया गया लैग्रैन्जियन है: L = e γt (½mẋ² – ½mω²x²)

1. कैनोनिकल संवेग (p):

p = ∂L/∂ẋ = e γt (mẋ)

इससे हम ẋ को p के रूप में व्यक्त कर सकते हैं: ẋ = (p/m)e -γt

2. हैमिल्टोनियन (H):

H = pẋ – L

H = p[(p/m)e -γt ] – e γt [½m((p/m)e -γt )² – ½mω²x²]

H = (p²/m)e -γt – e γt [½m(p²/m²)e -2γt – ½mω²x²]

H = (p²/m)e -γt – (p²/2m)e -γt + ½mω²x²e γt

H(x, p, t) = (1/2m)p²e -γt + ½mω²x²e γt

3. हैमिल्टन-जैकोबी (H-J) समीकरण:

H-J समीकरण H(q, ∂S/∂q, t) + ∂S/∂t = 0 है। यहाँ q=x और p = ∂S/∂x है।

हैमिल्टोनियन में p को ∂S/∂x से प्रतिस्थापित करने पर, हम पाते हैं:

(1/2m)e -γt (∂S/∂x)² + ½mω²x²e γt + ∂S/∂t = 0

यह दिए गए निकाय के लिए हैमिल्टन-जैकोबी समीकरण है।

(b) नया हैमिल्टोनियन और संबंधित H-J समीकरण

दिया गया जनरेटिंग फलन F₂ प्रकार का है: F₂(q, P, t) = e γt/2 qP

1. रूपांतरण समीकरण:

F₂ के लिए, हमारे पास है p = ∂F₂/∂q और Q = ∂F₂/∂P। (यहाँ q=x)

p = ∂/∂q(e γt/2 qP) = e γt/2 P

Q = ∂/∂P(e γt/2 qP) = e γt/2 q

2. नया हैमिल्टोनियन (K):

जब जनरेटिंग फलन स्पष्ट रूप से समय पर निर्भर करता है, तो नया हैमिल्टोनियन K = H + ∂F₂/∂t होता है।

पहले, हम H को नए चरों (Q, P) के रूप में व्यक्त करते हैं:

p = e γt/2 P ⇒ p² = e γt P²

q = e -γt/2 Q ⇒ q² = e -γt Q²

H = (1/2m)p²e -γt + ½mω²x²e γt

H = (1/2m)(e γt P²)e -γt + ½mω²(e -γt Q²)e γt

H = P²/2m + ½mω²Q²

अब, हम ∂F₂/∂t की गणना करते हैं:

∂F₂/∂t = ∂/∂t(e γt/2 qP) = (γ/2)e γt/2 qP

इसे नए चरों के रूप में व्यक्त करने के लिए, हम ध्यान देते हैं कि Q = e γt/2 q, इसलिए e γt/2 q = Q।

∂F₂/∂t = (γ/2)QP

अतः, नया हैमिल्टोनियन K है:

K = (P²/2m + ½mω²Q²) + (γ/2)QP

K(Q, P) = P²/2m + ½mω²Q² + (γ/2)QP

3. नए हैमिल्टोनियन से संबंधित H-J समीकरण:

यह उस प्रणाली के लिए H-J समीकरण को संदर्भित करता है जिसका हैमिल्टोनियन K होगा। चूँकि K(Q,P) स्पष्ट रूप से समय पर निर्भर नहीं करता है, ऊर्जा E’ = K संरक्षित है। समय-स्वतंत्र H-J समीकरण K(Q, ∂S’/∂Q) = E’ है।

P को ∂S’/∂Q से प्रतिस्थापित करने पर:

(1/2m)(∂S’/∂Q)² + ½mω²Q² + (γ/2)Q(∂S’/∂Q) = E’

जहाँ S’ नए निर्देशांक में क्रिया का समय-स्वतंत्र हिस्सा है और E’ नई प्रणाली में ऊर्जा है।

Q7. द्वि-विमीय सरल आवर्ती विभव में m द्रव्यमान के एक कण का हैमिल्टोनियन है: H = (pₓ²/2m + pᵧ²/2m) + ½m(ωₓ²x² + ωᵧ²y²)। यदि निकाय की कुल ऊर्जा (E) संरक्षित है तो क्रिया-कोण चरों Jₓ और Jᵧ (समाकलन रूप में) का निर्धारण करें।

Ans. दिया गया हैमिल्टोनियन एक द्वि-विमीय अनिसोट्रोपिक (anisotropic) आवर्ती दोलक का वर्णन करता है: H = (pₓ²/2m + pᵧ²/2m) + ½m(ωₓ²x² + ωᵧ²y²)

यह हैमिल्टोनियन x और y निर्देशांकों में वियोज्य (separable) है। हम इसे दो स्वतंत्र एक-विमीय हैमिल्टोनियन के योग के रूप में लिख सकते हैं: H = Hₓ(x, pₓ) + Hᵧ(y, pᵧ) जहाँ: Hₓ = pₓ²/2m + ½mωₓ²x² Hᵧ = pᵧ²/2m + ½mωᵧ²y²

चूंकि Hₓ केवल x और pₓ पर निर्भर करता है और Hᵧ केवल y और pᵧ पर निर्भर करता है, वे दोनों अलग-अलग गति के नियतांक हैं। हम उन्हें क्रमशः ऊर्जा Eₓ और Eᵧ के रूप में निरूपित करते हैं। Hₓ = Eₓ Hᵧ = Eᵧ निकाय की कुल ऊर्जा E = Eₓ + Eᵧ है, जो संरक्षित है।

क्रिया चर (Action Variable) Jᵢ को प्रावस्था समष्टि में एक पूर्ण आवधिक गति पर कैनोनिकल संवेग pᵢ के समाकलन के रूप में परिभाषित किया गया है: Jᵢ = ∮ pᵢ dqᵢ

Jₓ का निर्धारण: x-गति के लिए, क्रिया चर Jₓ है: Jₓ = ∮ pₓ dx

हम Eₓ = pₓ²/2m + ½mωₓ²x² से pₓ के लिए हल करते हैं: pₓ² = 2m(Eₓ – ½mωₓ²x²) pₓ = ±√(2m(Eₓ – ½mωₓ²x²))

समाकलन एक पूर्ण दोलन चक्र पर किया जाता है। कण x-अक्ष के अनुदिश दोलन करता है। मोड़ बिंदु (turning points) वे हैं जहाँ pₓ = 0, जो x max = ±√(2Eₓ / mωₓ²) पर होता है। कण -x max से +x max तक जाता है (जहाँ pₓ धनात्मक है) और फिर वापस -x max पर आता है (जहाँ pₓ ऋणात्मक है)।

इसलिए, समाकलन रूप में क्रिया चर Jₓ है: Jₓ = ∮ √(2m(Eₓ – ½mωₓ²x²)) dx

यह समाकलन प्रावस्था समष्टि में x-pₓ तल में दीर्घवृत्त के क्षेत्रफल को दर्शाता है।

Jᵧ का निर्धारण: y-गति के लिए प्रक्रिया पूरी तरह से समान है। क्रिया चर Jᵧ है: Jᵧ = ∮ pᵧ dy

Eᵧ = pᵧ²/2m + ½mωᵧ²y² से, हम pᵧ के लिए हल करते हैं: pᵧ = ±√(2m(Eᵧ – ½mωᵧ²y²))

इस प्रकार, समाकलन रूप में क्रिया चर Jᵧ है: Jᵧ = ∮ √(2m(Eᵧ – ½mωᵧ²y²)) dy

प्रश्न में केवल समाकलन रूप की आवश्यकता है, इसलिए ये अंतिम उत्तर हैं। यदि इन समाकलनों का मूल्यांकन किया जाता है, तो परिणाम Jₓ = 2πEₓ/ωₓ और Jᵧ = 2πEᵧ/ωᵧ होते हैं, जिसका अर्थ है कि हैमिल्टोनियन को क्रिया चरों के रूप में व्यक्त किया जा सकता है: H = (Jₓωₓ + Jᵧωᵧ)/2π।

Q8. एक दृढ़ पिंड के लिए यूलर के समीकरण लिखें। एक सममित टॉप (symmetric top) की बल आघूर्ण-मुक्त (torque-free) गति के लिए शर्तें दीजिए। अतः दृढ़ पिंड के गति के समीकरण प्राप्त करें।

Ans.

यूलर के समीकरण (Euler’s Equations): यूलर के समीकरण एक दृढ़ पिंड की घूर्णी गति का वर्णन करते हैं जो पिंड से जुड़े एक घूर्णन संदर्भ फ्रेम (आमतौर पर मुख्य अक्षों का फ्रेम) में होते हैं। मान लीजिए ω = (ω₁, ω₂, ω₃) मुख्य अक्षों के अनुदिश कोणीय वेग सदिश के घटक हैं, और I₁, I₂, I₃ संगत मुख्य जड़त्व आघूर्ण (principal moments of inertia) हैं। यदि N = (N₁, N₂, N₃) बाह्य बल आघूर्ण के घटक हैं, तो यूलर के समीकरण हैं:

  • I₁ dω₁/dt + (I₃ – I₂) ω₂ω₃ = N₁
  • I₂ dω₂/dt + (I₁ – I₃) ω₃ω₁ = N₂
  • I₃ dω₃/dt + (I₂ – I₁) ω₁ω₂ = N₃

एक सममित टॉप की बल आघूर्ण-मुक्त गति:

शर्तें: इस गति के लिए दो मुख्य शर्तें हैं: 1. बल आघूर्ण-मुक्त (Torque-free): कोई बाह्य बल आघूर्ण नहीं है, इसलिए N = 0। इसका मतलब N₁ = N₂ = N₃ = 0 है। 2. सममित टॉप (Symmetric Top): पिंड में घूर्णी समरूपता का एक अक्ष होता है, जिसका अर्थ है कि दो मुख्य जड़त्व आघूर्ण बराबर होते हैं। परंपरा के अनुसार, हम I₁ = I₂ ≠ I₃ लेते हैं। अक्ष 3 को पिंड का समरूपता अक्ष कहा जाता है।

गति के समीकरण: इन शर्तों को यूलर के समीकरणों में प्रतिस्थापित करने पर: 1. I₁ dω₁/dt + (I₃ – I₁) ω₂ω₃ = 0 2. I₁ dω₂/dt + (I₁ – I₃) ω₃ω₁ = 0 (चूंकि I₂=I₁) 3. I₃ dω₃/dt + (I₁ – I₁) ω₁ω₂ = 0 ⇒ I₃ dω₃/dt = 0

समीकरणों का हल: समीकरण (3) से, हम तुरंत निष्कर्ष निकालते हैं कि: dω₃/dt = 0 ⇒ ω₃ = नियतांक

समरूपता अक्ष के अनुदिश कोणीय वेग का घटक स्थिर रहता है।

अब हम पहले दो समीकरणों को हल करते हैं: dω₁/dt = – [(I₃ – I₁)/I₁] ω₂ω₃ = [(I₁ – I₃)/I₁] ω₃ ω₂ dω₂/dt = – [(I₁ – I₃)/I₁] ω₃ω₁

आइए हम एक स्थिर आवृत्ति Ω को परिभाषित करें: Ω = [(I₁ – I₃)/I₁] ω₃ चूंकि I₁, I₃ और ω₃ सभी नियतांक हैं, Ω भी एक नियतांक है। इसे पुरस्सरण आवृत्ति (precession frequency) कहा जाता है।

अब समीकरण बन जाते हैं: dω₁/dt = Ω ω₂ dω₂/dt = -Ω ω₁

यह युग्मित अवकल समीकरणों का एक मानक निकाय है। इसे हल करने के लिए, पहले समीकरण को t के सापेक्ष अवकलित करें: d²ω₁/dt² = Ω (dω₂/dt) दूसरे समीकरण को इसमें प्रतिस्थापित करें: d²ω₁/dt² = Ω (-Ω ω₁) = -Ω²ω₁ d²ω₁/dt² + Ω²ω₁ = 0

यह सरल आवर्ती गति का समीकरण है। इसका हल है: ω₁(t) = A cos(Ωt + φ) जहाँ A और φ समाकलन के नियतांक हैं।

ω₂(t) को ज्ञात करने के लिए, हम इस हल को dω₁/dt = Ω ω₂ में प्रतिस्थापित करते हैं: -AΩ sin(Ωt + φ) = Ω ω₂ ω₂(t) = -A sin(Ωt + φ)

गति का वर्णन: ये हल दर्शाते हैं कि:

  • कोणीय वेग का घटक ω₃ स्थिर है।
  • 1-2 तल (समरूपता अक्ष के लंबवत तल) में कोणीय वेग के घटक, ω₁ और ω₂, परिमाण में स्थिर एक सदिश ω ⊥ बनाते हैं, क्योंकि ω₁² + ω₂² = A²cos²(…) + A²sin²(…) = A² = नियतांक।
  • यह सदिश ω ⊥ पिंड के 1-2 तल में कोणीय आवृत्ति Ω के साथ घूमता है।

परिणामस्वरूप, कुल कोणीय वेग सदिश ω = (ω₁, ω₂, ω₃) पिंड के समरूपता अक्ष (अक्ष-3) के चारों ओर पुरस्सरण (precesses) करता है, जिससे एक शंकु (cone) बनता है। इस गति को पिंड-शंकु पुरस्सरण (body-cone precession) कहा जाता है।

IGNOU MPH-006 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. (a) The Hamiltonian of a simple harmonic oscillator is given as : H = p²/2m + ½mω²q². Show that the velocity vector is tangential to the curve defined by the Hamiltonian. (b) Consider two Lagrangians, L(q, q̇, t) and L'(q, q̇, t) such that : L'(q, q̇, t) = L(q, q̇, t) + dF(q,t)/dt. Show that the variation of action is the same for both the Lagrangians that is δS = δS’.

Ans. (a) For a system, the trajectory in phase space lies on a surface of constant energy, defined by H(q, p) = E = constant . The velocity vector in phase space is given by v phase = (q̇, ṗ). Hamilton’s equations of motion are: q̇ = ∂H/∂p ṗ = -∂H/∂q For the given simple harmonic oscillator Hamiltonian: H = p²/2m + ½mω²q² We calculate the partial derivatives: ∂H/∂p = p/m ∂H/∂q = mω²q Thus, the velocity vector in phase space is: v phase = (q̇, ṗ) = (p/m, -mω²q) The normal vector to the constant energy surface H = E at any point is given by the gradient of the Hamiltonian: ∇H = (∂H/∂q, ∂H/∂p) = (mω²q, p/m) To show that the velocity vector is tangential to the curve, we must show that the velocity vector is orthogonal to the normal vector. This can be done by calculating their dot product: v phase ⋅ ∇H = (p/m)(mω²q) + (-mω²q)(p/m) v phase ⋅ ∇H = pω²q – pω²q = 0 Since the dot product is zero, the velocity vector (q̇, ṗ) is perpendicular to the gradient vector (∇H). Because the gradient vector is always normal to the surface, this implies that the velocity vector is necessarily tangential to the surface . Thus, the trajectory in phase space is tangential to the constant-energy curve defined by the Hamiltonian. (b) The action S is defined as the time integral of the Lagrangian L: S = ∫[t₁ to t₂] L(q, q̇, t) dt The corresponding action S’ for the second Lagrangian L’ is: S’ = ∫[t₁ to t₂] L'(q, q̇, t) dt Substituting the given relation L’ = L + dF/dt: S’ = ∫[t₁ to t₂] (L + dF/dt) dt S’ = ∫[t₁ to t₂] L dt + ∫[t₁ to t₂] (dF/dt) dt The first term is the original action S. The second term can be integrated: ∫[t₁ to t₂] (dF/dt) dt = F(q(t₂), t₂) – F(q(t₁), t₁) Thus, S’ = S + [F] t₂ t₁ Now, we compute the variation of the action, δS’. According to the principle of variation, the variation at the endpoints of the path vanishes, i.e., δq(t₁) = 0 and δq(t₂) = 0 . δS’ = δ(S + F(q(t₂), t₂) – F(q(t₁), t₁)) δS’ = δS + δF(q(t₂), t₂) – δF(q(t₁), t₁) The variation of F(q,t) is δF = (∂F/∂q)δq. At the endpoints: δF(q(t₂), t₂) = (∂F/∂q)| t₂ δq(t₂) = 0 δF(q(t₁), t₁) = (∂F/∂q)| t₁ δq(t₁) = 0 Since δF at the endpoints is zero, we get: δS’ = δS + 0 – 0 δS’ = δS This demonstrates that both Lagrangians L and L’ lead to the same equations of motion, because Hamilton’s principle states that δS = 0. If δS = 0, then δS’ = 0 as well.

Q2. (a) Consider a particle of mass m moving under a uniform force F = F₀k̂. If the Lagrangian is given as : L = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) – F₀z Determine the conservation laws under rotation. (b) A particle of mass m has the Lagrangian : L = ½m(ẋ² – kx²) + ½aẋ⁴. Obtain the Hamiltonian of the system and the corresponding Hamilton’s equations of motion. Take k and a as constants.

Ans. (a) The given Lagrangian L = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) – F₀z describes a particle moving under a uniform force (like gravity) in the negative z-direction. Here, the kinetic energy is T = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) and the potential energy is V = F₀z. We check for conservation laws under rotation using Noether’s theorem , which states that if a Lagrangian is invariant under a continuous symmetry, a corresponding quantity is conserved. Rotation about the z-axis: Consider a rotation by an angle φ about the z-axis. The coordinates transform as: x’ = x cosφ – y sinφ y’ = x sinφ + y cosφ z’ = z The sum of the squares of the velocities remains invariant: ẋ’² + ẏ’² = (ẋ cosφ – ẏ sinφ)² + (ẋ sinφ + ẏ cosφ)² = ẋ² + ẏ² Since z’ = z and ż’ = ż, the kinetic energy T’ = ½m(ẋ’² + ẏ’² + ż’²) = ½m(ẋ² + ẏ² + ż²) = T, is invariant. The potential energy V = F₀z depends only on z. Since z’ = z under this rotation, the potential energy is also invariant: V’ = F₀z’ = F₀z = V. Because both T and V are invariant under rotations about the z-axis, the Lagrangian L = T – V is also invariant. According to Noether’s theorem, there must be a conserved quantity corresponding to this symmetry. For rotation about the z-axis, the conserved quantity is the component of angular momentum along the z-axis (L z ) . L z = x p y – y p x = m(xẏ – yẋ) Rotation about x- or y-axis: If we rotate about the x-axis or y-axis, the z coordinate will change (e.g., z’ = y sinθ + z cosθ for rotation about x-axis). Since the potential energy V = F₀z depends on z, V and therefore L are not invariant under these rotations. Consequently, the x and y components of angular momentum, L x and L y , are not conserved. Thus, the only conservation law under rotation is the conservation of the z-component of angular momentum . (b) The given Lagrangian is: L = ½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴. This is a non-standard Lagrangian due to the term with the fourth power of velocity (ẋ⁴). 1. Obtain Canonical Momentum: The generalized coordinate is x. The canonical momentum p conjugate to x is: p = ∂L/∂ẋ = ∂/∂ẋ (½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴) p = mẋ + 2aẋ³ 2. Obtain the Hamiltonian: The Hamiltonian H is defined by the Legendre transformation: H = pẋ – L. H = (mẋ + 2aẋ³)ẋ – (½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴) H = mẋ² + 2aẋ⁴ – ½mẋ² + ½mkx² – ½aẋ⁴ H = ½mẋ² + (3/2)aẋ⁴ + ½mkx² This is the energy function. The Hamiltonian should typically be expressed as a function of coordinates and momenta (x, p). However, the equation p = mẋ + 2aẋ³ is not easily solvable for ẋ. We therefore leave H in terms of x and ẋ, with the understanding that ẋ is treated as an implicit function of p, ẋ(p). 3. Hamilton’s Equations of Motion: Hamilton’s equations are: ẋ = ∂H/∂p ṗ = -∂H/∂x To calculate ṗ, we use H(x, p) = pẋ(p) – L(x, ẋ(p)). ṗ = -∂H/∂x = -[∂(pẋ)/∂x – ∂L/∂x] = ∂L/∂x (because in H(x, p), x and p are independent variables, so ∂ẋ/∂x = 0 and ∂p/∂x = 0) ∂L/∂x = ∂/∂x (½mẋ² – ½mkx² + ½aẋ⁴) = -mkx Thus, ṗ = -mkx . For the ẋ equation: ẋ = ∂H/∂p = ∂/∂p (pẋ – L) Using the chain rule: ∂H/∂p = ẋ + p(∂ẋ/∂p) – (∂L/∂ẋ)(∂ẋ/∂p) Since p = ∂L/∂ẋ, we get: ∂H/∂p = ẋ + p(∂ẋ/∂p) – p(∂ẋ/∂p) = ẋ Thus, ẋ = ẋ(p) , where p = mẋ + 2aẋ³ . In summary, the equations of motion are:

  • ẋ = ẋ(p) , which is implicitly defined by p = mẋ + 2aẋ³ .
  • ṗ = -mkx

Q3. (a) Write the bilinear invariant condition for canonical transformation. Using the condition, show whether the transformation: Q = -p/√2, P = q²/√2 is a canonical transformation. (b) Consider a dynamical system described by a Hamiltonian : H = p²/2m + ½mω²q². Obtain the new Hamiltonian K(Q, P) using the generating function, F₁ = (mω/2)q² cot(Q).

Ans. (a) Bilinear Invariant Condition: A transformation (q, p) → (Q, P) is canonical if the Jacobian matrix M of the transformation satisfies M T JM = J, where J is the standard symplectic matrix. An alternative condition, the bilinear invariant condition, states that the expression ∑ᵢ (pᵢδqᵢ – PᵢδQᵢ) must be an exact differential of a function F. For one degree of freedom, this condition becomes: pδq – PδQ = dF A more direct way to test this transformation is by using the fundamental Poisson bracket . A transformation is canonical if and only if {Q, P} q,p = 1. {Q, P} q,p = (∂Q/∂q)(∂P/∂p) – (∂Q/∂p)(∂P/∂q) For the given transformation: Q = -p/√2 P = q²/√2 We calculate the required partial derivatives: ∂Q/∂q = 0 ∂Q/∂p = -1/√2 ∂P/∂q = 2q/√2 = √2q ∂P/∂p = 0 Substituting these values into the Poisson bracket formula: {Q, P} = (0)(0) – (-1/√2)(√2q) {Q, P} = q Since {Q, P} = q ≠ 1 (it is a function of q and not equal to 1), the given transformation is not canonical . (b) [Note: The generating function printed in the question paper is ambiguous. A standard generating function that simplifies the simple harmonic oscillator problem is the F₁-type function F₁(q,Q) = (mω/2)q² cot(Q). We will proceed with this function as it is the most likely intent.] The given Hamiltonian is: H = p²/2m + ½mω²q² The generating function is: F₁(q, Q) For a type-F₁ generating function, the transformation equations are: p = ∂F₁/∂q P = -∂F₁/∂Q For the given F₁(q,Q) = (mω/2)q² cot(Q): p = ∂/∂q [(mω/2)q² cot(Q)] = mωq cot(Q) P = -∂/∂Q [(mω/2)q² cot(Q)] = -(mω/2)q² [-csc²(Q)] = (mω/2)q² csc²(Q) Now we express the old variables (q, p) in terms of the new ones (Q, P): From the equation for P: q² = 2P / (mω csc²(Q)) = (2P/mω) sin²(Q). From the equation for p, p² = m²ω²q² cot²(Q). Substituting the expression for q²: p² = m²ω² [(2P/mω) sin²(Q)] cot²(Q) p² = 2mωP sin²(Q) (cos²(Q)/sin²(Q)) = 2mωP cos²(Q) Now we substitute these expressions for q² and p² into the original Hamiltonian H: H = p²/2m + ½mω²q² K = (2mωP cos²(Q)) / (2m) + ½mω² [(2P/mω) sin²(Q)] K = ωP cos²(Q) + ωP sin²(Q) K = ωP (cos²(Q) + sin²(Q)) K(Q, P) = ωP Since the generating function F₁ has no explicit time dependence, the new Hamiltonian K is equal to the old Hamiltonian H, expressed in the new coordinates. The new Hamiltonian is K = ωP. In this new form, Q is a cyclic coordinate as it does not appear in K, and the equations of motion become trivial: Ṗ = -∂K/∂Q = 0 (P is a constant) and Q̇ = ∂K/∂P = ω (Q increases linearly with time).

Q4. Write down the fundamental Poisson brackets for two functions f(q, p, t) and g(q, p, t). If the functions f(q, p, t) and g(q, p, t) are constants of motion, show that the Poisson bracket of the two constants of motion is also a constant of motion.

Ans. Fundamental Poisson Brackets: For canonical coordinates qᵢ and momenta pᵢ, the fundamental Poisson brackets are defined as:

  • {qᵢ, qⱼ} = 0
  • {pᵢ, pⱼ} = 0
  • {qᵢ, pⱼ} = δᵢⱼ

where δᵢⱼ is the Kronecker delta (1 if i = j, 0 otherwise).


Poisson Bracket of Two Functions:

For any two functions f(q, p, t) and g(q, p, t) in phase space, the Poisson bracket is defined as:


{f, g} = ∑ᵢ (∂f/∂qᵢ ∂g/∂pᵢ – ∂f/∂pᵢ ∂g/∂qᵢ)

Proof of the Theorem (Poisson’s Theorem):

We need to show that if f and g are constants of motion, then their Poisson bracket {f, g} is also a constant of motion.

A function F is a constant of motion if its total time derivative is zero:

dF/dt = 0

The total time derivative of any function F(q, p, t) is given by:

dF/dt = ∂F/∂t + {F, H}

where H is the Hamiltonian of the system.

Since f and g are constants of motion, we have:

1. df/dt = ∂f/∂t + {f, H} = 0

2. dg/dt = ∂g/∂t + {g, H} = 0

We want to show that d{f,g}/dt = 0. The total time derivative of the Poisson bracket {f, g} is:

d{f,g}/dt = ∂{f,g}/∂t + {{f, g}, H}

Now, we evaluate each term separately.

The first term, the partial derivative with respect to time, can be shown, using the product rule and rearranging terms, to be:

∂{f,g}/∂t = {∂f/∂t, g} + {f, ∂g/∂t}

The second term, {{f, g}, H}, can be expanded using the

Jacobi identity

:

{{A,B},C} + {{B,C},A} + {{C,A},B} = 0

Letting A=f, B=g, C=H:

{{f,g},H} + {{g,H},f} + {{H,f},g} = 0

Rearranging this gives:

{{f,g},H} = -{{g,H},f} – {{H,f},g} = {f, {g,H}} + {g, {f,H}}

(since {A,B} = -{B,A})

Now combine these two results into the expression for d{f,g}/dt:

d{f,g}/dt = (∂{f,g}/∂t) + ({{f,g},H})

d{f,g}/dt = [{∂f/∂t, g} + {f, ∂g/∂t}] + [{f, {g,H}} + {g, {f,H}}]

Regrouping the terms:

d{f,g}/dt = [{∂f/∂t + {f,H}}, g] + [{f, ∂g/∂t + {g,H}}]

This is valid due to the linearity of the Poisson bracket. We now recognize the terms in the square brackets as df/dt and dg/dt:

d{f,g}/dt = {df/dt, g} + {f, dg/dt}

Since f and g are constants of motion, df/dt = 0 and dg/dt = 0. Therefore:

d{f,g}/dt = {0, g} + {f, 0} = 0 + 0 = 0

This proves that {f, g} is also a constant of motion. This result is known as

Poisson’s Theorem

.

Q5. The Hamiltonian for a system of two degrees of freedom is given as : H(q₁, q₂, p₁, p₂) = (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂). Obtain the constants of motion for the system in Q, P variables. Hence obtain the new Hamiltonian for Q₁ = q₁ + 4q₂ and Q₂ = q₂.

Ans. The given Hamiltonian is: H = (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂). Constants of Motion: First, we note that the Hamiltonian H does not depend explicitly on time (∂H/∂t = 0). Therefore, the total energy E = H is itself a constant of motion. Second, we use a canonical transformation to look for another constant. The coordinates q₁ or q₂ are not individually cyclic because they both appear in the potential term cos(q₁ + 4q₂). We define new coordinates with the given transformation: Q₁ = q₁ + 4q₂ Q₂ = q₂ We must find the corresponding new momenta P₁ and P₂ such that the transformation (q₁,q₂,p₁,p₂) → (Q₁,Q₂,P₁,P₂) is canonical. We use the Poisson bracket conditions {Qᵢ, Pⱼ} = δᵢⱼ. Let’s assume the new momenta are linear combinations of the old momenta: P₁ = ap₁ + bp₂, P₂ = cp₁ + dp₂.

  • {Q₁, P₁} = {q₁+4q₂, ap₁+bp₂} = a{q₁,p₁} + 4b{q₂,p₂} = a+4b = 1
  • {Q₂, P₁} = {q₂, ap₁+bp₂} = b{q₂,p₂} = b = 0
  • {Q₁, P₂} = {q₁+4q₂, cp₁+dp₂} = c{q₁,p₁} + 4d{q₂,p₂} = c+4d = 0
  • {Q₂, P₂} = {q₂, cp₁+dp₂} = d{q₂,p₂} = d = 1

Solving these equations gives: b=0, d=1, a=1, c=-4.

So, the new momenta are:

P₁ = p₁

P₂ = p₂ – 4p₁

From this transformation, we see that

P₂ = p₂ – 4p₁ is a conserved quantity.

We can verify this using Hamilton’s equations: Ṗ₂ = {P₂, H}.

{P₂, H} = {p₂ – 4p₁, (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂)}

= {p₂, cos(q₁+4q₂)} – 4{p₁, cos(q₁+4q₂)}

= -∂/∂q₂(cos(q₁+4q₂)) + 4∂/∂q₁(cos(q₁+4q₂))

= -(-sin(q₁+4q₂)

4) + 4(-sin(q₁+4q₂)

1)

= 4sin(q₁+4q₂) – 4sin(q₁+4q₂) = 0

Since {P₂, H} = 0 and P₂ has no explicit time dependence, P₂ is a constant of motion.


Obtain the New Hamiltonian K(Q, P):

We need to invert the transformation to express the old variables (q, p) in terms of the new ones (Q, P):

q₂ = Q₂

q₁ = Q₁ – 4q₂ = Q₁ – 4Q₂

p₁ = P₁

p₂ = P₂ + 4p₁ = P₂ + 4P₁

Now substitute these expressions into the original Hamiltonian H. Since the transformation is time-independent, the new Hamiltonian K is just H expressed in the new coordinates.

K = (p₁²/2m + p₂²/2m) + cos(q₁ + 4q₂)

K = (P₁²/2m + (P₂ + 4P₁)²/2m) + cos(Q₁)

K = (1/2m) [P₁² + (P₂² + 8P₁P₂ + 16P₁²)] + cos(Q₁)

K = (1/2m) [17P₁² + P₂² + 8P₁P₂] + cos(Q₁)

Thus, the new Hamiltonian is:


K(Q₁, Q₂, P₁, P₂) = (17P₁² + P₂² + 8P₁P₂)/2m + cos(Q₁)

As expected, the new Hamiltonian does not depend on Q₂, confirming that Q₂ is a cyclic coordinate and its conjugate momentum P₂ is a conserved quantity (constant of motion).

Q6. The Lagrangian of a damped harmonic oscillator is given as : L = e γt (½mẋ² – ½mω²x²). (a) Obtain the Hamiltonian of the system and write the Hamilton-Jacobi (H-J) equation. (b) Using the generating function : F₂(q, P, t) = e γt/2 qP, obtain the new Hamiltonian K(Q, P). Hence write the H-J equation associated with the new Hamiltonian.

Ans. (a) Hamiltonian and Hamilton-Jacobi Equation The given Lagrangian is: L = e γt (½mẋ² – ½mω²x²) 1. Canonical Momentum (p): p = ∂L/∂ẋ = e γt (mẋ) From this we can express ẋ in terms of p: ẋ = (p/m)e -γt 2. Hamiltonian (H): H = pẋ – L H = p[(p/m)e -γt ] – e γt [½m((p/m)e -γt )² – ½mω²x²] H = (p²/m)e -γt – e γt [½m(p²/m²)e -2γt – ½mω²x²] H = (p²/m)e -γt – (p²/2m)e -γt + ½mω²x²e γt H(x, p, t) = (1/2m)p²e -γt + ½mω²x²e γt 3. Hamilton-Jacobi (H-J) Equation: The H-J equation is H(q, ∂S/∂q, t) + ∂S/∂t = 0. Here q=x and p = ∂S/∂x. Substituting p with ∂S/∂x in the Hamiltonian, we find: (1/2m)e -γt (∂S/∂x)² + ½mω²x²e γt + ∂S/∂t = 0 This is the Hamilton-Jacobi equation for the given system. (b) New Hamiltonian and Associated H-J Equation The given generating function is of type F₂: F₂(q, P, t) = e γt/2 qP 1. Transformation Equations: For F₂, we have p = ∂F₂/∂q and Q = ∂F₂/∂P. (Here q=x) p = ∂/∂q(e γt/2 qP) = e γt/2 P Q = ∂/∂P(e γt/2 qP) = e γt/2 q 2. New Hamiltonian (K): When the generating function depends explicitly on time, the new Hamiltonian is K = H + ∂F₂/∂t. First, we express H in terms of the new variables (Q, P): p = e γt/2 P ⇒ p² = e γt P² q = e -γt/2 Q ⇒ q² = e -γt Q² H = (1/2m)p²e -γt + ½mω²x²e γt H = (1/2m)(e γt P²)e -γt + ½mω²(e -γt Q²)e γt H = P²/2m + ½mω²Q² Now, we calculate ∂F₂/∂t: ∂F₂/∂t = ∂/∂t(e γt/2 qP) = (γ/2)e γt/2 qP To express this in new variables, we note that Q = e γt/2 q, so e γt/2 q = Q. ∂F₂/∂t = (γ/2)QP Thus, the new Hamiltonian K is: K = (P²/2m + ½mω²Q²) + (γ/2)QP K(Q, P) = P²/2m + ½mω²Q² + (γ/2)QP 3. H-J Equation Associated with the New Hamiltonian: This refers to the H-J equation for a system that would have K as its Hamiltonian. Since K(Q,P) does not explicitly depend on time, the energy E’ = K is conserved. The time-independent H-J equation is K(Q, ∂S’/∂Q) = E’. Replacing P with ∂S’/∂Q: (1/2m)(∂S’/∂Q)² + ½mω²Q² + (γ/2)Q(∂S’/∂Q) = E’ Where S’ is the time-independent part of the action in the new coordinates and E’ is the energy in the new system.

Q7. The Hamiltonian of a particle of mass m in a two-dimensional simple harmonic potential is: H = (pₓ²/2m + pᵧ²/2m) + ½m(ωₓ²x² + ωᵧ²y²). Determine the action-angle variables Jₓ and Jᵧ (in integral form) if the total energy (E) of the system is conserved.

Ans. The given Hamiltonian describes a two-dimensional anisotropic harmonic oscillator: H = (pₓ²/2m + pᵧ²/2m) + ½m(ωₓ²x² + ωᵧ²y²) This Hamiltonian is separable in the x and y coordinates. We can write it as a sum of two independent one-dimensional Hamiltonians: H = Hₓ(x, pₓ) + Hᵧ(y, pᵧ) where: Hₓ = pₓ²/2m + ½mωₓ²x² Hᵧ = pᵧ²/2m + ½mωᵧ²y² Since Hₓ depends only on x and pₓ, and Hᵧ depends only on y and pᵧ, they are both constants of motion separately. We denote them as energies Eₓ and Eᵧ respectively. Hₓ = Eₓ Hᵧ = Eᵧ The total energy of the system is E = Eₓ + Eᵧ, which is conserved. The Action Variable Jᵢ is defined as the integral of the canonical momentum pᵢ over one full period of motion in phase space: Jᵢ = ∮ pᵢ dqᵢ Determination of Jₓ: For the x-motion, the action variable is Jₓ: Jₓ = ∮ pₓ dx We solve for pₓ from Eₓ = pₓ²/2m + ½mωₓ²x²: pₓ² = 2m(Eₓ – ½mωₓ²x²) pₓ = ±√(2m(Eₓ – ½mωₓ²x²)) The integration is performed over a complete cycle of oscillation. The particle oscillates along the x-axis. The turning points are where pₓ = 0, which occurs at x max = ±√(2Eₓ / mωₓ²). The particle moves from -x max to +x max (where pₓ is positive) and then back to -x max (where pₓ is negative). Therefore, the action variable Jₓ in integral form is: Jₓ = ∮ √(2m(Eₓ – ½mωₓ²x²)) dx This integral represents the area of the ellipse in the x-pₓ plane of phase space. Determination of Jᵧ: The procedure for the y-motion is completely analogous. The action variable is Jᵧ: Jᵧ = ∮ pᵧ dy From Eᵧ = pᵧ²/2m + ½mωᵧ²y², we solve for pᵧ: pᵧ = ±√(2m(Eᵧ – ½mωᵧ²y²)) Thus, the action variable Jᵧ in integral form is: Jᵧ = ∮ √(2m(Eᵧ – ½mωᵧ²y²)) dy The question only requires the integral form, so these are the final answers. If these integrals were evaluated, the results would be Jₓ = 2πEₓ/ωₓ and Jᵧ = 2πEᵧ/ωᵧ, meaning the Hamiltonian could be expressed in terms of the action variables as H = (Jₓωₓ + Jᵧωᵧ)/2π.

Q8. Write the Euler’s equation for a rigid body. Give the conditions for a torque free motion of a symmetric top. Hence obtain the equations of motion of the rigid body.

Ans. Euler’s Equations: Euler’s equations describe the rotational motion of a rigid body in a rotating reference frame attached to the body (usually the principal axes frame). Let ω = (ω₁, ω₂, ω₃) be the components of the angular velocity vector along the principal axes, and I₁, I₂, I₃ be the corresponding principal moments of inertia. If N = (N₁, N₂, N₃) are the components of the external torque, then Euler’s equations are:

  • I₁ dω₁/dt + (I₃ – I₂) ω₂ω₃ = N₁
  • I₂ dω₂/dt + (I₁ – I₃) ω₃ω₁ = N₂
  • I₃ dω₃/dt + (I₂ – I₁) ω₁ω₂ = N₃


Torque-Free Motion of a Symmetric Top:

Conditions:

There are two main conditions for this motion:

1.

Torque-free:

There is no external torque, so

N

= 0. This means N₁ = N₂ = N₃ = 0.

2.

Symmetric Top:

The body has an axis of rotational symmetry, which means two of the principal moments of inertia are equal. By convention, we take

I₁ = I₂ ≠ I₃

. The axis 3 is called the symmetry axis of the body.


Equations of Motion:

Substituting these conditions into Euler’s equations:

1. I₁ dω₁/dt + (I₃ – I₁) ω₂ω₃ = 0

2. I₁ dω₂/dt + (I₁ – I₃) ω₃ω₁ = 0 (since I₂=I₁)

3. I₃ dω₃/dt + (I₁ – I₁) ω₁ω₂ = 0 ⇒ I₃ dω₃/dt = 0


Solution of the Equations:

From equation (3), we immediately conclude that:

dω₃/dt = 0 ⇒

ω₃ = constant

The component of the angular velocity along the symmetry axis remains constant.

Now we solve the first two equations:

dω₁/dt = – [(I₃ – I₁)/I₁] ω₂ω₃ = [(I₁ – I₃)/I₁] ω₃ ω₂

dω₂/dt = – [(I₁ – I₃)/I₁] ω₃ω₁

Let us define a constant frequency

Ω

:

Ω = [(I₁ – I₃)/I₁] ω₃

Since I₁, I₃, and ω₃ are all constants, Ω is also a constant. This is called the

precession frequency

.

The equations now become:

dω₁/dt = Ω ω₂

dω₂/dt = -Ω ω₁

This is a standard system of coupled differential equations. To solve it, differentiate the first equation with respect to t:

d²ω₁/dt² = Ω (dω₂/dt)

Substitute the second equation into this:

d²ω₁/dt² = Ω (-Ω ω₁) = -Ω²ω₁

d²ω₁/dt² + Ω²ω₁ = 0

This is the equation for simple harmonic motion. Its solution is:


ω₁(t) = A cos(Ωt + φ)

where A and φ are constants of integration.

To find ω₂(t), we substitute this solution into dω₁/dt = Ω ω₂:

-AΩ sin(Ωt + φ) = Ω ω₂


ω₂(t) = -A sin(Ωt + φ)

Description of the Motion:

These solutions show that:

  • The component of angular velocity ω₃ is constant.
  • The components of angular velocity in the 1-2 plane (the plane perpendicular to the symmetry axis), ω₁ and ω₂, form a vector ω ⊥ of constant magnitude, since ω₁² + ω₂² = A²cos²(…) + A²sin²(…) = A² = constant.
  • This vector ω ⊥ rotates in the body’s 1-2 plane with angular frequency Ω.

As a result, the total angular velocity vector

ω

= (ω₁, ω₂, ω₃)

precesses

around the body’s axis of symmetry (the 3-axis), sweeping out a cone. This motion is called body-cone precession.


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