拉格朗日方程(Euler–Lagrange 方程)是力学系统的运动方程,由标量 Lagrange 量通过变分原理导出,以能量取代力、以广义坐标取代约束,是分析力学的第一块基石。
方程表述
个自由度系统取广义坐标 ,Lagrange 量 (动能减势能),运动方程为:
个二阶方程。定义广义动量 、广义力 ,方程读作「广义动量的变化率 = 广义力」。
推导:Hamilton 原理
真实轨迹使作用量取驻值:
端点固定(),分部积分:
由变分法基本引理, 任意,故括号为零——即 Euler–Lagrange 方程。这是变分法在物理中的原型应用,与最速降线同一数学骨架。
基本性质
| 性质 | 内容 |
|---|---|
| 标量方程 | 是标量,自动坐标无关;换广义坐标方程形式不变 |
| 约束消解 | 约束坐标不进 ,理想约束力不做功、不出现 |
| 循环坐标 | 不显含于 时 守恒(动量守恒的推广) |
| 对称性与守恒 | 在连续对称群下不变 ⇒ 对应守恒量(Noether 定理) |
| 与牛顿力学等价 | 平直坐标下还原 |
示例:单摆
取 为广义坐标, 摆长 :
约束(摆杆张力)完全不出现——对比牛顿力学需解出张力,此为 Lagrange 方法最直接的收益。小角度下 ,回到谐振子。
与哈密顿方程的关系
Legendre 变换 把 换成 ,二阶方程降为一阶正则方程组: