拉格朗日方程

拉格朗日关系

将真实坐标用广义坐标表示:

分别对$\dot{q}_\beta$和$q_\beta$求导:

拉格朗日方程的推导

广义坐标的达朗贝尔原理:

将拉格朗日关系代入,计算惯性力的部分:

也就是说:

这就是欧拉-拉格朗日方程。如果广义力是保守力,则可以引入广义势能$V$,使得:

将其代入拉格朗日方程:

从量纲上判断,$\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_j}$是动量量纲,$\frac{\partial L}{\partial q_j}$是力量纲,这个方程的地位有点像牛顿第二定律$F=\frac{d}{dt}p$。这点在下面也会谈到。

如果你对变分原理熟悉,可以看出这其实是哈密顿作用量取极值的结果:

对于这样一个泛函,极值的条件为:

和上面的结果是一样的。

对于自由粒子,其拉格朗日量为$L=\frac12 m v^2$,则有:

对于保守系统,其拉格朗日量为$L=T-V$,则有:

双摆的拉格朗日方程

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考虑双摆的广义坐标为$(\theta_1,\theta_2)$,对应的摆长为$l_1,l_2$,质量为$m_1,m_2$,真实坐标为$(x_1,y_1,x_2,y_2)$,则有:

则有:

动能写作:

势能写作:

拉格朗日方程解为:

化简得到:

对于$\theta_2$,可以得到另一个式子:

对称性和守恒量

广义动量守恒

定义广义动量为:

如果拉格朗日量中的势能不依赖于广义速度,则有:

如果:

则可以积分出:

其中$C_j$为常数。这个常数就是广义动量守恒量。

广义能量守恒

对拉格朗日函数求时间微分:

如果拉格朗日量不显含时间,则有:

这同样是一个守恒量。定义广义能量为:

则有:

这样或许能回答“拉格朗日函数$L=T-V$的物理意义是什么”了。可以观察到代入$p=mv$后,广义能量函数就是:

诺特定理

诺特定理指出,连续对称性和守恒定律的一一对应。

  • 如果拉格朗日量对某个广义坐标$q_j$不显含,则对应的广义动量$p_j$守恒;
  • 如果拉格朗日量对时间不显含,则对应的广义能量$H$守恒。

具体的数学证明过于繁琐,这里不再赘述。