拉格朗日力學
尤拉-拉格朗日方程
/ OY-ler lah-GRAHN-zh /
這是分析力學的主力。一旦你寫下了拉格朗日量,這唯一一條方程就自動輾出運動方程,不必畫自由體圖,也不必把力分解成分量。它就是「作用量取駐值」這件事的數學條件。
對每一個廣義座標 q_i,它寫成 d/dt (partial L / partial q_dot_i) - (partial L / partial q_i) = 0。第一項是廣義動量對時間的變化率;第二項是廣義力。它是關於 q_i 的二階微分方程。在直角座標下,若 L = (1/2) m v^2 - V,它就化為 m x_ddot = -partial V / partial x,也就是牛頓第二定律。
在整個變分法中你都會遇到完全同一條方程:它是任何以 f(y, y', x) dx 之積分所構成之泛函的駐值條件,而力學只是其中一個例子。它最大的實用優點,是在任何廣義座標下都成立。當出現約束或與速度有關的力時,這個裸形式會被增補:加上拉格朗日乘子項,或加上瑞立耗散項。
對單擺,L = (1/2) m l^2 theta_dot^2 + m g l cos(theta),尤拉-拉格朗日方程給出 theta_ddot = -(g/l) sin(theta)。
代入一個角座標,就直接得到精確的單擺方程。
裸形式假設座標彼此獨立;有完整約束時,你要嘛消去座標,要嘛在等號右邊加上拉格朗日乘子項。
又称
另见