ラグランジュ方程式とは

/力学

ラグランジュ方程式

ラグランジュ方程式とは、デカルト座標を用いて記述されたニュートンの運動方程式を、一般座標系に拡張した方程式です。ラグランジュ方程式は、ハミルトンの原理より導くことができます。

尚、一般化座標系とは、位置の表示がなるべく簡単に記述できるように設定された座標系で、極座標系や円柱座標系などがあります。3次元の場合の一般座標系 $(q_1,q_2,・・・)$ とデカルト座標系 $(x,y,z)$ とは、以下の関係で表されます。

$$x=x(q_1,q_2,q_3,t)$$$$y=y(q_1,q_2,q_3,t)$$$$z=z(q_1,q_2,q_3,t)$$

系のラグラジアンを以下で表すと、

$$L=L(q_1,\dot{q}_1,・・・,t)$$

ハミルトンの原理は次のように表され、

$$\delta I\equiv\delta\int_1^2L(q_1,\dot{q}_1,・・・,t)dt=0$$

ラグランジュ方程式は以下になります。

$$\frac{d}{dt}\left(\frac{\partial L}{\partial \dot{q}_r}\right)-\frac{\partial L}{\partial q_r}=0$$

ラグランジュ方程式は、関数 $q$ の汎関数であるラグラジアンの時間積分が停留値を持つための条件になります。これは、変分法と呼ばれる方法で求めるができます。

ラグランジュ方程式を導く

以下は式を簡単にするため、1関数の場合を扱います。ハミルトンの原理を以下のように変形します。

$$\delta I\equiv\delta\int_1^2L(q,\dot{q},t)dt=\int_1^2\Big(\frac{\partial L}{\partial q}\delta q+\frac{\partial L}{\partial\dot{q}}\delta\dot{q}\Big)dt$$

右辺第2項で $\delta$ と時間微分を入れ替えて、部分積分法を使うと以下になります。

$$\int_1^2\frac{\partial L}{\partial\dot{q}}\frac{d}{dt}(\delta q)dt=\left[\frac{\partial L}{\partial\dot{q}}\delta q\right]_1^2-\int_1^2\frac{d}{dt}\Big(\frac{\partial L}{\partial\dot{q}}\Big)\delta qdt$$

時刻 $t_1$ と $t_2$ で差分 $\delta q$ は0になるため、第1項は消えます。従って以下になります。

$$\delta I=\int_1^2\left[\frac{\partial L}{\partial q}-\frac{d}{dt}\Big(\frac{\partial L}{\partial\dot{q}}\Big)\right]\delta qdt$$

ここで、$\delta q$ は任意の値をとるため、$\delta I=0$ となる条件として被積分部分が0(ラグランジュ方程式)が導かれます。

ラグラジアン密度の系

系が、次のラグラジアン密度 ${\mathcal L}$ で表される場合のラグランジュ方程式を導きます。ここで、$\phi$ は場の変数です。

$${\mathcal L}={\mathcal L}(\phi({\bf q}),\partial_\mu\phi({\bf q}))$$$$\partial_\mu\equiv\frac{\partial}{\partial q_\mu}$$

ハミルトンの原理は次のように表され、

$$\delta I\equiv\delta\int{\mathcal L}(\phi({\bf q}),\partial_\mu\phi({\bf q}))d{\bf q}=0$$

ラグランジュ方程式は以下になります。

$$\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial\phi}-\partial_\mu\Big(\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial(\partial_\mu\phi)}\Big)=0$$
ラグランジュ方程式を導く

ハミルトンの原理より、

$$\delta I=\int\Big(\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial\phi}\delta\phi+\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial(\partial_\mu\phi)}\delta(\partial_\mu\phi)\Big)d{\bf q}$$

右辺第2項でと微分を入れ替えると、

$$\int\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial(\partial_\mu\phi)}\partial_\mu(\delta\phi)d{\bf q}=\left[\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial(\partial_\mu\phi)}\delta\phi\right]-\int\partial_\mu\Big(\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial(\partial_\mu\phi)}\Big)\delta\phi d{\bf q}$$

境界条件として、右辺第1項は0と置くことができるため、以下になります。

$$\delta I=\int\left[\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial\phi}-\partial_\mu\Big(\frac{\partial{\mathcal L}}{\partial(\partial_\mu\phi)}\Big)\right]\delta\phi d{\bf q}$$

ここで、$\delta\phi$ は任意の値をとるため、$\delta I=0$ となる条件として被積分部分が0(ラグランジュ方程式)が導かれます。

 

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