拉格朗日力学,
分析力学中的一种,由
拉格朗日在1788年建立,是对
经典力学的一种的新的数学表述。经典力学,最初的表述形式由牛顿建立,它着重分析
位移,
速度,
加速度,
力等
矢量间的关系,又称为矢量力学。拉格朗日引入了
广义坐标的概念,运用
达朗贝尔原理,得到和
牛顿第二定律等价的
拉格朗日方程。但拉格朗日方程具有更普遍的意义,适用范围更广泛。并且,选取恰当的广义坐标,可以使拉格朗日方程的求解大大简化。
力学系统由一组坐标来描述。比如一个质点的运动(在
笛卡尔坐标系中)由x,y,z三个坐标来描述。一般的,N个质点组成的力学系统由3N个坐标来描述。力学系统中常常存在着各种约束,使得这3N个坐标并不都是独立的。力学系统的独立坐标的个数称之为
自由度。对于N个质点组成的力学系统,若存在m个约束,则系统的自由度为
哈密尔顿量H可以通过对
拉格朗日量进行
勒让德变换得到。哈密尔顿量是经典力学的另一种表述哈密尔顿力学的基础。拉格朗日量可以视为定义在所有
广义坐标可能值组成的组态空间的切丛上的函数,而哈密尔顿量是相对应的
余切丛上的函数。哈密尔顿量在
量子力学中到处出现(参看哈密尔顿量 (量子力学))。
1948年,
费曼发明了
路径积分表述,将
最小作用原理扩展到量子力学。在该表述中,
粒子穿过所有可能的始态和终态的所有路径;特定终态的概率是所有可能导向它的轨迹的概率之和。在经典力学的范围,路径积分表述简单的退化为哈密尔顿原理。
约瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange,1736~1813)全名为
约瑟夫·路易斯·拉格朗日,法国著名数学家、物理学家。他在数学、力学和天文学三个学科领域中都有历史性的贡献,其中尤以数学方面的成就最为突出。
在矢量力学中,
约束的存在体现于作用于系统的
约束力。约束力引入额外的
未知量,通常使问题变得更为复杂。但若能选取适当的s个完全满足
约束条件的独立坐标,则约束不再出现于问题中,只需要求解关于s个未知变量的方程,使问题得以大大简化。这样的s个坐标不再局限于各质点的位置坐标,而可以是任何能描述系统的几何参量,因此称为“
广义坐标”。
拉格朗日力学的一个基本假设是:具有n个自由度的系统,其
运动状态完全由n个广义坐标及它们的
微商(
广义速度)决定。或者说,
力学系统的运动状态由一个广义坐标和
广义速度的函数描述:
哈密顿量 可以通过对
拉格朗日量进行勒让德变换得到。哈密顿量是经典力学的另一种表述
哈密顿力学的基础。拉格朗日量可以视为定义在所有
广义坐标可能值组成的
组态空间的切丛上的函数,而哈密顿量是相对应的
余切丛上的函数。哈密顿量在量子力学中到处出现(参看
哈密顿算符 (量子力学))。
1948年,
费曼发明了
路径积分表述,将
最小作用量原理扩展到量子力学。在该表述中,粒子穿过所有可能的
始态和
终态的所有路径;特定终态的概率是所有可能导向它的轨迹的概率之和。在经典力学的范围,路径积分表述简单的退化为
哈密顿原理。