拉格朗日力學

拉格朗日量

/ lah-GRAHN-zhee-un /

一個把系統全部動力學都編碼進去的純量函數。對一般力學系統,它遵循一個出奇簡單的配方:動能減去位能。把這唯一一個函數餵進一條普適的方程,所有運動方程就都跑出來了。

它寫成 L = T - V,是廣義座標、廣義速度、以及可能還有時間的函數 L(q, q_dot, t)。要特別注意:它並不是總能量,總能量是 T + V。運動方程來自要求作用量(即 L 對時間的積分)取駐值。在直角座標下 L = (1/2) m v^2 - V(x) 給出 F = -dV/dx = m a,正是牛頓定律。

關鍵在於:拉格朗日量並不唯一。加上任意函數 f(q, t) 的全時間導數,即 L -> L + df/dt,會讓尤拉-拉格朗日方程完全不變,這是一種規範自由度。而且 L = T - V 只是一個常見的特例,並非定義:一般的拉格朗日量是「任何能讓尤拉-拉格朗日方程重現正確動力學的函數」,對於與速度有關的力(例如磁場中的帶電粒子),它就不再單純是 T - V。

彈簧上的質量塊有 L = (1/2) m x_dot^2 - (1/2) k x^2,代入尤拉-拉格朗日方程得到 m x_ddot = -k x,即簡諧運動。

動能減位能,再一條方程就給出運動。

兩個常見陷阱:拉格朗日量不是能量(能量是 T + V),而且它只定義到相差一個「座標與時間之函數」的全時間導數。

又称
LLagrangian function