ฟังก์ชันกำเนิด

ในทางฟิสิกส์ ฟังก์ชันกำเนิด (Generating function approach) คือการใช้อนุพันธ์ย่อยสร้างสมการเชิงอนุพันธ์ที่อธิบายถึงพลศาสตร์ของระบบ ตัวอย่างทั่วไป เช่น ฟังก์ชันแบ่งส่วน (Partition function) ของกลศาสตร์สถิติ หรือฮามิลโทเนียน (Hamiltonian) หรือฟังก์ชันที่ทำหน้าที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่าง 2 เซตของตัวแปรคาโนนิคัล (Canonical variable) สำหรับการแปลงแบบบัญญัติ (Canonical transformation)
สำหรับการแปลงแบบบัญญัติ เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการแปลงฟังก์ชันระหว่าง  และ  ซึ่งทั้งสองเซตจะต้องเป็นไปตามหลักการฮามิลตัน (Hamilton's principle) โดยสามารถเขียนสมการลากรานจ์ได้ คือ \mathcal{L}_{qp}=\mathbf{p} \cdot \dot{\mathbf{q}}  - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) และ \mathcal{L}_{QP}=\mathbf{P} \cdot \dot{\mathbf{Q}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) ตามลำดับ โดยที่การแปลงเลอจองก์ (Legendre transform) จะต้องมีค่าคงตัว นั่นคือ :
\begin{align}
\delta \int_{t_{1}}^{t_{2}} \left[ \mathbf{p} \cdot \dot{\mathbf{q}} - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) \right] dt &= 0 \\
\delta \int_{t_{1}}^{t_{2}} \left[ \mathbf{P} \cdot \dot{\mathbf{Q}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) \right] dt &= 0
\end{align}
ทั้งสองสมการจะได้ความสัมพันธ์ ดังนี้
\lambda \left[ \mathbf{p} \cdot \dot{\mathbf{q}}  - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) \right] = \mathbf{P} \cdot \dot{\mathbf{Q}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) + \frac{dG}{dt} 
โดยที่  จะเป็นฟังก์ชันกำเนิด (Generating function) ขึ้นกับพิกัดและโมเมนตัมทั้งในระบบเก่า ( หรือ ) และระบบใหม่ ระบบเก่า ( หรือ ) และ  จะเป็นตัวปรับขนาดของการแปลง (Scale transformation) สำหรับการแปลงแบบบัญญัติจะให้ \lambda = 1 
สำหรับการแปลงแบบบัญญัติ จะมีฟังก์ชันกำเนิดทั้งหมด 4 รูปแบบ ดังนี้
== รูปแบบที่ 1 ของฟังก์ชันกำเนิด ==
G_{1} ขึ้นกับพิกัดของทั้งระบบเก่าและใหม่
G \equiv G_{1}(\mathbf{q}, \mathbf{Q}, t)
สามารถเขียนสมการได้ ดังนี้
\mathbf{p} \cdot \dot{\mathbf{q}}  - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) = \mathbf{P} \cdot \dot{\mathbf{Q}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) + \frac{\partial G_{1}}{\partial t} + \frac{\partial G_{1}}{\partial \mathbf{q}} \cdot \dot{\mathbf{q}} + \frac{\partial G_{1}}{\partial \mathbf{Q}} \cdot \dot{\mathbf{Q}}
เนื่องจากพิกัดระบบเก่าและใหม่เป็นอิสระต่อกัน ดังนั้นสมการข้างต้นจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อ
\begin{align}
\mathbf{p} &= \frac{\partial G_{1}}{\partial \mathbf{q}} \\
\mathbf{P} &= -\frac{\partial G_{1}}{\partial \mathbf{Q}} \\
K &= H + \frac{\partial G_{1}}{\partial t}
\end{align}
== รูปแบบที่ 2 ของฟังก์ชันกำเนิด ==
G_{2} ขึ้นกับพิกัดของระบบเก่ากับโมเมนตัมของระบบใหม่
G \equiv -\mathbf{Q} \cdot \mathbf{P} + G_{2}(\mathbf{q}, \mathbf{P}, t)
สามารถเขียนสมการได้ ดังนี้
\mathbf{p} \cdot \dot{\mathbf{q}}  - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) =   -\mathbf{Q} \cdot \dot{\mathbf{P}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) + \frac{\partial G_{2}}{\partial t} + \frac{\partial G_{2}}{\partial \mathbf{q}} \cdot \dot{\mathbf{q}} + \frac{\partial G_{2}}{\partial \mathbf{P}} \cdot \dot{\mathbf{P}}
เนื่องจากพิกัดของระบบเก่าและโมเมนตัมของระบบใหม่เป็นอิสระต่อกัน ดังนั้นสมการข้างต้นจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อ
\begin{align}
\mathbf{p} &= \frac{\partial G_{2}}{\partial \mathbf{q}} \\
\mathbf{Q} &= \frac{\partial G_{2}}{\partial \mathbf{P}} \\
K &= H + \frac{\partial G_{2}}{\partial t}
\end{align}
== รูปแบบที่ 3 ของฟังก์ชันกำเนิด ==
G_{3} ขึ้นกับโมเมนตัมของระบบเก่ากับพิกัดของระบบใหม่
G \equiv \mathbf{q} \cdot \mathbf{p} + G_{3}(\mathbf{p}, \mathbf{Q}, t)
สามารถเขียนสมการได้ ดังนี้
-\mathbf{q} \cdot \dot{\mathbf{p}}  - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) = \mathbf{P} \cdot \dot{\mathbf{Q}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) + \frac{\partial G_{3}}{\partial t} + \frac{\partial G_{3}}{\partial \mathbf{p}} \cdot \dot{\mathbf{p}} + \frac{\partial G_{3}}{\partial \mathbf{Q}} \cdot \dot{\mathbf{Q}}
เนื่องจากโมเมนตัมของระบบเก่าและพิกัดของระบบใหม่เป็นอิสระต่อกัน ดังนั้นสมการข้างต้นจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อ
\begin{align}
\mathbf{q} &= -\frac{\partial G_{3}}{\partial \mathbf{p}} \\
\mathbf{P} &= -\frac{\partial G_{3}}{\partial \mathbf{Q}} \\
K &= H + \frac{\partial G_{3}}{\partial t}
\end{align}
== รูปแบบที่ 4 ของฟังก์ชันกำเนิด ==
G_{4} ขึ้นกับโมเมนตัมของทั้งระบบเก่าและใหม่
G \equiv \mathbf{q} \cdot \mathbf{p} - \mathbf{Q} \cdot \mathbf{P} + G_{4}(\mathbf{p}, \mathbf{P}, t)
สามารถเขียนสมการได้ ดังนี้
-\mathbf{q} \cdot \dot{\mathbf{p}}  - H(\mathbf{q}, \mathbf{p}, t) = -\mathbf{Q} \cdot \dot{\mathbf{P}} - K(\mathbf{Q}, \mathbf{P}, t) + \frac{\partial G_{4}}{\partial t} + \frac{\partial G_{4}}{\partial \mathbf{p}} \cdot \dot{\mathbf{p}} + \frac{\partial G_{4}}{\partial \mathbf{P}} \cdot \dot{\mathbf{P}} 
เนื่องจากโมเมนตัมของระบบเก่าและใหม่เป็นอิสระต่อกัน ดังนั้นสมการข้างต้นจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อ
\begin{align}
\mathbf{q} &= -\frac{\partial G_{4}}{\partial \mathbf{p}} \\
\mathbf{Q} &= \frac{\partial G_{4}}{\partial \mathbf{P}} \\
K &= H + \frac{\partial G_{4}}{\partial t}
\end{align}
การยกกำลัง
คณิตศาสตร์เชิงการจัดในการแจกแจง
ลำดับและอนุกรม