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欧拉-拉格朗日方程,物理世界的基础,揭示自然现象的深层规律

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在数学、物理、工程学等领域的深入探索中,我们往往需要依靠一些基本的理论工具。欧拉-拉格朗日方程就是这样一种强大的工具,起源于最小作用原理,被广泛应用于经典力学和量子力学等众多领域。这一方程的命名者,欧拉和拉格朗日,都是数学和物理学史上的巨人,他们的贡献给我们留下了持久的烙印。对欧拉-拉格朗日方程的理解和应用,不仅可以让我们揭示自然现象的深层规律,也有助于我们在复杂问题求解中找到最优策略。

让我们考虑一个在重力场中被垂直向上抛出的粒子,它从高度h1 = 0处的时间t1 =0开始移动。它沿直线向上移动,然后在相同的位置h2 = 0处的时间t2返回地面。

在位置-时间图中,粒子从时间t1处的高度h1开始,我们将这个起点称为A。粒子在高度h2的时间t2到达终点B。在这个问题中,A和B之间的连线必须是一条抛物线。

但为什么这条路径h(t)是一条抛物线而不是其他路径呢?为什么自然选择这条路径?为什么不选择下面的路径1或者路径2?

作用量泛函

为了能够回答这个问题,我们需要一个被称为作用量Action)的量,用字母"S"表示。我们可以为所有可能的路径分配一个作用量值(action value)作用量接受整个函数"h"作为参数,并输出一个数字,即相应函数h的作用量值。

这样一个接受函数"h"作为输入,并输出一个数字的数学对象被称为泛函(functional)

由于泛函输出作用量,所以"S of h"也被称为作用量泛函(Action Functional)。为了区分作用量泛函和只接受一个数字作为参数的常规函数,我们使用方括号表示泛函。

作用量的单位是焦耳秒(joule-second)。例如,上面这条路径可能有3.5焦耳秒的值,下面这条路径的值是5.6焦耳秒,抛物线路径的值是2焦耳秒。

回到问题:为什么路径是一条抛物线?经验表明,自然是极值的(nature is extremal)。也就是说,如果我们计算所有可能路径h1 h2 h3等在A和B之间的作用量值,那么自然就会取最大值,最小值或者极点的作用量值。

自然会选择其中的一条路径。自然选择哪条极值路径具体取决于所考虑的问题。在一个粒子在重力场中向上抛出的情况中,自然选择的是一个最小值,

由于抛物线路径有最小的作用量,所以粒子在位置与时间图中选择了这条路径。

计算作用量

但是我们如何计算作用量的这些值呢?为此,我们需要拉格朗日函数L(Lagrange Function)。它取决于时间t,函数值h(t)和速度,

拉格朗日函数的单位是能量,也就是焦耳J。如果我们对拉格朗日函数在时间t1和t2之间的时间t进行积分,

得到的数量的单位是焦耳秒。这正是我们需要的作用量。因此,如果指定了拉格朗日函数,就可以具体计算每个可能的路径"h"的作用量值。

通常,使用字母"q"代替"h",

称q为广义坐标(generalized coordinate),将q的导数称为广义速度(generalized velocity) 。"广义"的含义是,"q"可以是距离地面的高度或角度或其他可以依赖于时间"t"的量。

欧拉-拉格朗日方程的结构

当然,为所有可能的路径计算积分并取得积分最小值的路径是非常麻烦的。

为了避免这样的巨大任务,我们使用所谓的欧拉-拉格朗日方程(Euler-lagrange equation)

它可以从作用量的定义和“自然是极值的原理”中推导出来。这里,我们只想知道如何使用欧拉-拉格朗日方程确定未知的路径"q(t)"。

首先,让我们仔细看看欧拉-拉格朗日方程是如何组成的。它包含了拉格朗日函数对广义速度偏导数,

这个"L关于q点"的导数也被称为广义动量,用"p"表示。然后对广义动量求对"t"的导数,

另一个项是拉格朗日函数关于广义坐标"q"的导数,

如果将动量的时间导数移到另一边,

就可以从欧拉-拉格朗日方程中读出动量是否守恒。为此,其时间导数必须为零。所以只需要计算"L关于q"的导数是否为零。

拉格朗日函数

拉格朗日函数"L"是一个不能被推导出来的标量函数,

只能被猜测出来。如果你认为你已经发现了一个问题的合适的拉格朗日函数,无论是来自量子力学,经典力学还是相对论,都可以很容易地验证这个拉格朗日函数是否正确地描述了你的问题,方法就是使用欧拉-拉格朗日方程。

在大多数经典力学的情况下,拉格朗日函数是粒子的动能和势能之间的差。

如何使用欧拉-拉格朗日方程?

回到我们的例子,让我们看看如何从拉格朗日函数和欧拉-拉格朗日方程计算出抛物线。为此,需要进行5个步骤:

  • 步骤1:设置广义坐标"q"和"q的导数"。在这个例子中,"q等于高度h","q的导数等于速度v"。速度在这里就是路径的时间导数,所以是"h的导数"。

  • 步骤2:建立拉格朗日函数L,

动能是

在重力场中的势能是,

因此,拉格朗日函数是,

  • 步骤3:将确定的拉格朗日函数插入欧拉-拉格朗日方程,并计算导数。

"L"对"h"的偏导数是,

L关于"h的导数"的偏导数是,

进一步对时间求导得,

把两者合并在一起得到,

这里可以看到欧拉-拉格朗日方程的含义!它告诉我们,要解哪个微分方程,以找出未知的函数"h(t)"。注意,这个例子是一个一维问题,所以只从中得到一个微分方程。在更复杂的多维问题中,将得到几个微分方程。

  • 步骤4:解出未知函数的微分方程。

这个微分方程的解是容易确定的。将两边都对时间" t "积分,

得到

其中C1是一个积分常数。然后我们再次对时间积分,

得到

其中C2是另一个积分常数。

  • 步骤5:将考虑的问题的边界条件插入方程,并确定未知常数C1和C2。

在这个问题中,我们在 t1等于零的时候抛出了粒子,初始高度h1等于零。所以让我们把th都设为零。

因此C2必须等于零。为了找出常数C1,我们需要第二个边界条件。在t2的时候,粒子从"高度h2等于零"落下。所以让我们将"t=t2"和"h=0"插入到方程中。

得到,

因此,路径h为

这就是我们所期待的抛物线形状!

结论

现在你知道了欧拉-拉格朗日方程是什么,以及如何使用它来求解一维经典力学问题。后面,我将尝试介绍如何把欧拉-拉格朗日方程应用到多维问题,以及如何从牛顿力学推导出欧拉-拉格朗日方程。

欧拉-拉格朗日方程为我们提供了一个描述系统动力学的微分方程。我们需要解微分方程来找出未知函数"q(t)"。你需要从物理系统的特性中猜测拉格朗日函数,然后将这个函数插入欧拉-拉格朗日方程来获得这个微分方程。也需要适当的边界条件来解这个微分方程。

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