拉格朗日方程的三种推导方法之基于欧拉-拉格朗日方程推导

拉格朗日方程是分析力学中的重要方程,其地位相当于牛顿第二定律之于牛顿力学。

欧拉-拉格朗日方程可以表述为:
设有函数 y ( x ) \mathbf{y}(x) f ( y , y ˙ , x ) f(\mathbf{y},\mathbf{\dot{y}},x)
y ( x ) = ( y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , , y N ( x ) ) (1) \mathbf{y}(x)=\left( {{y}_{1}}(x),{{y}_{2}}(x),\ldots ,{{y}_{N}}(x) \right)\tag{1}

y ˙ ( x ) = ( y ˙ 1 ( x ) , y ˙ 2 ( x ) , , y ˙ N ( x ) ) (2) \mathbf{\dot{y}}(x)=\left( {{{\dot{y}}}_{1}}(x),{{{\dot{y}}}_{2}}(x),\ldots ,{{{\dot{y}}}_{N}}(x) \right)\tag{2}

f ( y , y ˙ , x ) = f ( y 1 ( x ) , y 2 ( x ) , , y N ( x ) , y ˙ 1 ( x ) , y ˙ 2 ( x ) , , y ˙ N ( x ) , x ) (3) f(\mathbf{y},\mathbf{\dot{y}},x)=f\left( {{y}_{1}}(x),{{y}_{2}}(x),\ldots ,{{y}_{N}}(x),{{{\dot{y}}}_{1}}(x),{{{\dot{y}}}_{2}}(x),\ldots ,{{{\dot{y}}}_{N}}(x),x \right)\tag{3}

其中 x x 是自变量。
若存在 y ( x ) ( C 1 [ a , b ] ) N \mathbf{y}(x)\in {{\left( {{C}^{1}}[a,b] \right)}^{N}} 使泛函
J ( y ) = a b f ( y , y . , x ) d x (4) J(\mathbf{y})=\int_{a}^{b}{f}(\mathbf{y},\overset{.}{\mathop{\mathbf{y}}}\,,x)dx\tag{4}

取得局部平稳值,则在区间 ( a , b ) (a,b) 内对于所有 i i ,皆有:
d d x ( y ˙ i f ( y , y ˙ , x ) ) y i f ( y , y ˙ , x ) = 0 (5) \frac{d}{dx}\left( \frac{\partial }{\partial {{{\dot{y}}}_{i}}}f(\mathbf{y},\mathbf{\dot{y}},x) \right)-\frac{\partial }{\partial {{y}_{i}}}f(\mathbf{y},\mathbf{\dot{y}},x)=0\tag{5}

若设独立变量 x x 为时间 t t ,函数 y i {{y}_{i}} 为广义坐标 q i {{q}_{i}} ,泛函 f ( y , y ˙ , x ) f(\mathbf{y},\mathbf{\dot{y}},x) 替换为拉格朗日量 ,则可得到拉格朗日方程:
d d t ( L q ˙ j ) L q j = 0 (6) \frac{d}{dt}\left( \frac{\partial L}{\partial {{{\dot{q}}}_{j}}} \right)-\frac{\partial L}{\partial {{q}_{j}}}=0\tag{6}

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