拉格朗日方程式

拉格朗日方程式（Lagrange equation），因数学物理学家约瑟夫·拉格朗日而命名，是分析力学的重要方程式，可以用来描述物体的运动，特别适用于理论物理的研究。拉格朗日方程式的功能相当于牛顿力学中的牛顿第二定律。

约瑟夫·拉格朗日

定义

假设一个物理系统符合完整系统的要求，即所有广义座标都互相独立，则拉格朗日方程式成立：

${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial \mathbf {q} }}=\mathbf {0} \,\!$；

其中，${\mathcal {L}}(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t)\,\!$是拉格朗日量，$\mathbf {q} =\left(q_{1},q_{2},\ldots ,q_{N}\right)\,\!$是广义座标，是时间$t\,\!$的函数，${\dot {\mathbf {q} }}=\left({\dot {q}}_{1},{\dot {q}}_{2},\ldots ,{\dot {q}}_{N}\right)\,\!$是广义速度。

导引

在分析力学里，有三种方法可以导引出拉格朗日方程式。最原始的方法是使用达朗贝尔原理导引出拉格朗日方程式（参阅达朗贝尔原理）；更进阶层面，可以从哈密顿原理推导出拉格朗日方程式（参阅哈密顿原理）；最简明地，可以借用数学变分法的欧拉-拉格朗日方程式来推导：

设定函数$\mathbf {y} (x)\,\!$和$f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)\,\!$：

$\mathbf {y} (x)=(y_{1}(x),\ y_{2}(x),\ \ldots ,y_{N}(x))\,\!$、

${\dot {\mathbf {y} }}(x)=({\dot {y}}_{1}(x),\ {\dot {y}}_{2}(x),\ \ldots ,\ {\dot {y}}_{N}(x))\,\!$、

$f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)=f(y_{1}(x),\ y_{2}(x),\ \ldots ,\ y_{N}(x),\ {\dot {y}}_{1}(x),\ {\dot {y}}_{2}(x),\ \ldots ,\ {\dot {y}}_{N}(x),\ x)\,\!$；

其中，$x\,\!$是自变数（independent variable）。

若$\mathbf {y} (x)\in (C^{1}[a,\ b])^{N}\,\!$使泛函$J(\mathbf {y} )=\int _{a}^{b}f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)dx\,\!$取得局部平稳值，则在区间$(a,\ b)\,\!$内，欧拉-拉格朗日方程式成立：

${\frac {d}{dx}}\left({\frac {\partial }{\partial {\dot {y}}_{i}}}f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)\right)-{\frac {\partial }{\partial y_{i}}}f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)=0\ ,\qquad \qquad \qquad \qquad i=1,\ 2,\ \ldots ,\ N\!$。

现在，执行下述转换：

• 设定独立变数$x\,\!$为时间$t\,\!$、
• 设定函数$y_{i}\,\!$为广义坐标$q_{i}\,\!$、
• 设定泛函$f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)\,\!$为拉格朗日量${\mathcal {L}}(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t)\,\!$，

则可得到拉格朗日方程式

${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial \mathbf {q} }}=\mathbf {0} \,\!$。

• 为了满足这转换的正确性，广义坐标必须互相独立，所以，这系统必须是完整系统。
• 拉格朗日量是动能减去位势，而位势必须是广义位势。所以，这系统必须是单演系统。

半完整系统

主项目：参阅半完整系统

一个不是完整系统的物理系统是非完整系统，不能用上述形式论来分析。假若，一个非完整系统的约束可以以方程式表示为

$g_{i}(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }})=0\ ,\qquad \qquad \qquad i=1,\ 2,\ 3,\ \dots n\,\!$；

则称此系统为半完整系统。

半完整系统可以用拉格朗日形式论来分析。更具体地说，分析半完整系统必须用到拉格朗日乘子$\lambda _{i}\,\!$：

$\sum _{i=1}^{n}\ \lambda _{i}g_{i}=0\,\!$；

其中，$\lambda _{i}=\lambda _{i}(\mathbf {q} ,\ {\dot {\mathbf {q} }},\ t)\,\!$是未知函数。

由于这$N\,\!$个广义坐标中，有$n\,\!$个相依的广义坐标，泛函$f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)\,\!$不能直接被转换为拉格朗日量${\mathcal {L}}\,\!$；必须加入拉格朗日乘子，将泛函$f(\mathbf {y} ,\ {\dot {\mathbf {y} }},\ x)\,\!$转换为${\mathcal {L}}+\sum _{i=1}^{n}\ \lambda _{i}g_{i}\,\!$。这样，可以得到拉格朗日广义力方程式：

${\frac {d}{dt}}{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial \mathbf {q} }}={\boldsymbol {\mathcal {F}}}\,\!$；

其中，${\boldsymbol {\mathcal {F}}}\,\!$是广义力，${\boldsymbol {\mathcal {F}}}={\frac {\partial }{\partial \mathbf {q} }}\left(\sum _{i=1}^{n}\ \lambda _{i}g_{i}\right)-{\frac {d}{dt}}\left[{\frac {\partial }{\partial {\dot {\mathbf {q} }}}}\left(\sum _{i=1}^{n}\ \lambda _{i}g_{i}\right)\right]\,\!$。

这$N\,\!$个广义力运动方程式加上$n\,\!$个约束方程式，给出$N+n\,\!$个方程式来解$N\,\!$个未知广义坐标与$n\,\!$个拉格朗日乘子。

实例

这个段落会展示拉格朗日方程式的两个应用实例。第一个实例展示出，用牛顿方法与拉格朗日方法所得的答案相同。第二个实例展示出拉格朗日方法的威力，因为这问题比较不适合用牛顿方法来分析。

自由落体

思考一个粒子从静止状态自由地下落。由于重力$F=mg\,\!$作用于此粒子，应用牛顿第二定律，可以得到运动方程式

${\ddot {x}}=g\,\!$；

其中，x-坐标垂直于地面，由初始点（原点）往地面指。

这个结果也可以从拉格朗日形式论得到。动能$T\,\!$是

$T={\frac {1}{2}}mv^{2}\,\!$，

位势$V\,\!$是

$V=-mgx\,\!$；

所以，拉格朗日量${\mathcal {L}}\,\!$是

${\mathcal {L}}=T-V={\frac {1}{2}}m{\dot {x}}^{2}+mgx\,\!$ 。

将${\mathcal {L}}\,\!$代入拉格朗日方程式，

$0={\frac {d}{dt}}{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial {\dot {x}}}}-{\frac {\partial {\mathcal {L}}}{\partial x}}=m{\frac {d{\dot {x}}}{dt}}-mg\,\!$。

运动方程式是

${\ddot {x}}=g\,\!$；

与牛顿方法的运动方程式相同。

具有质量的移动支撑点的简单摆

思考一个简单摆系统。系统的x-轴平行于地面，y-轴垂直于x-轴，指向地面。摆锤P的质量是$m\,\!$，位置是$(x,\ y)\,\!$。摆绳的长度是$l\,\!$。摆的支撑点Q的质量是$M\,\!$。这支撑点Q可以沿著一条平行于x-轴的直线移动。点Q的位置是$(X,\ 0)\,\!$。摆绳与y-轴的夹角是$\theta \,\!$。那么，动能是

$T={\frac {1}{2}}M{\dot {X}}^{2}+{\frac {1}{2}}m\left({\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}\right)\,\!$，

位势为

$V=-mgy\,\!$。

所以，拉格朗日量是

${\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}M{\dot {X}}^{2}+{\frac {1}{2}}m\left({\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}\right)+mgy\,\!$。

两个约束方程式为

$x=X+l\sin \theta \,\!$、

$y=l\cos \theta \,\!$。

将约束方程式代入拉格朗日量方程式,

${\mathcal {L}}={\frac {1}{2}}M{\dot {X}}^{2}+{\frac {1}{2}}m\left[\left({\dot {X}}+l{\dot {\theta }}\cos \theta \right)^{2}+\left(l{\dot {\theta }}\sin \theta \right)^{2}\right]+mgl\cos \theta \,\!$。

特别注意，在这里，广义坐标是$X\,\!$与$\theta \,\!$。应用拉格朗日方程式，经过微分运算，对于$X\,\!$坐标，可以得到

${\frac {d}{dt}}\left[(M+m){\dot {X}}+ml{\dot {\theta }}\cos \theta \right]=0\,\!$。

运动方程式为

$(M+m){\ddot {X}}+ml{\ddot {\theta }}\cos \theta -ml{\dot {\theta }}^{2}\sin \theta =0\,\!$。

由于拉格朗日量不显含广义坐标$X\,\!$，称$X\,\!$为可略坐标，而其相对应的广义动量$p_{X}\,\!$是常数$K_{1}\,\!$：

$p_{X}=(M+m){\dot {X}}+ml{\dot {\theta }}\cos \theta =K_{1}\,\!$。

对于$\theta \,\!$坐标，可以得到

${\frac {d}{dt}}\left[m(l^{2}{\dot {\theta }}+{\dot {X}}l\cos \theta )\right]+m({\dot {X}}l{\dot {\theta }}+gl)\sin \theta =0\,\!$；

所以，运动方程式为

${\ddot {\theta }}+{\frac {\ddot {X}}{l}}\cos \theta +{\frac {g}{l}}\sin \theta =0\,\!$。

假如用牛顿第二定律，则必须仔细地辨明所有的相关作用力。这是一项既困难又容易出错的工作。

相关条目

• 拉格朗日量
• 拉格朗日力学
• 哈密顿力学
• 牛顿力学
• 变分法