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ラグランジアンの基本md 3411c0d
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ラグランジアンの基本きほん

date2026-07-14document_iddoc_cd8c31382c068419710a1b3b29191b9cdescriptionラグランジアンと作用を定義し、停留作用の原理から Euler-Lagrange 方程式、Newton 方程式、循環座標の保存量、エネルギー保存を証明する講義である。prerequisites解析力学の入口 / 仕事と力学的エネルギー / 保存則の導出 / 微分法の基本type講義statusactiverelateddata/lecture/physics/analytical-mechanics/analytical-mechanics-portal.lecture.n.md / data/lecture/physics/analytical-mechanics/introduction-to-analytical-mechanics.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/work-and-mechanical-energy.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/deriving-conservation-laws.lecture.n.md
physicsanalytical-mechanicslagrangianeuler-lagrangelecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、作用さよう S=∫Ldt を停留ていりゅうさせる原理げんりと、そこから Euler-Lagrange 方程式ほうていしきを導みちびく方法ほうほうを説明せつめいする。

ニュートン力学りきがくでは、力ちからから加速度かそくどを求もとめる。解析力学かいせきりきがくでは、可能かのうな運動経路うんどうけいろの中なかで作用さようが一次いちじの変化へんかをもたないものを実際じっさいの運動うんどうとして選えらぶ。これはこの講義こうぎで基本原理きほんげんりとして置おくものであり、下したでは、その原理げんりから Euler-Lagrange 方程式ほうていしきを導みちびく。

2用語ようごと定義ていぎ

ラグランジアンLagrangianとは、一般化座標いっぱんかざひょう q、一般化速度いっぱんかそくど q˙、時刻じこく t の関数かんすう

L(q,q˙,t)

である。保存力ほぞんりょくだけを受うける基本的きほんてきな系けいでは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]L=T-U

と置おく。

作用さようactionとは、時刻じこく t0 から t1 までの経路けいろ q(t) に対たいして

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]S[q]=∫t0t1L(q,q˙,t)dt

で定義ていぎされる量りょうである。

変分へんぶんvariationとは、経路けいろを

qε(t)=q(t)+εη(t)

のように少すこし変かえる。ここで η(t0)=η(t1)=0 とし、端点たんてんは固定こていする。

Euler-Lagrange 方程式ほうていしきEuler-Lagrange equationとは、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ddt∂L∂q˙-∂L∂q=0

である。

停留作用ていりゅうさようの原理げんりprinciple of stationary actionとは、端点たんてんを固定こていした可能かのうな経路けいろのうち、作用さようの一次いちじの変化へんかが 0 になる経路けいろが実際じっさいの運動うんどうを与あたえる、という基本原理きほんげんりである。この原理げんりそのものは、この講義こうぎでは証明しょうめいせず採用さいようする。

3方針ほうしん

ラグランジアンの問題もんだいでは、次つぎの順序じゅんじょで進すすむ。

  1. 一般化座標いっぱんかざひょう qi を選えらぶ。
  2. T と U を qi,qi˙ で書かく。
  3. L=T-U を作つくる。
  4. ∂L/∂qi と ∂L/∂qi˙ を計算けいさんする。
  5. Euler-Lagrange 方程式ほうていしきへ代入だいにゅうする。

この手順てじゅんを使つかう理由りゆうは、力ちからの向むきを成分せいぶんごとに追おう代かわりに、系けいの自由度じゆうどとエネルギーから運動方程式うんどうほうていしきを直接ちょくせつ得えるためである。

4補題ほだい:変分法へんぶんほうの基本補題きほんほだい

連続関数れんぞくかんすう f(t) が、端点たんてんで 0 になる任意にんいの滑なめらかな関数かんすう η(t) に対たいして

∫t0t1f(t)η(t)dt=0

を満みたすなら、

f(t)=0

である。

4.1証明しょうめい

背理法はいりほうで示しめす。ある点てん a で f(a)>0 だとする。f は連続れんぞくなので、a の近ちかくの小ちいさい区間くかんでは f(t)>0 である。

その区間くかんの中なかだけで正せい、外そとで 0 になる滑なめらかな η(t) を選えらぶと、

∫t0t1f(t)η(t)dt>0

となり、仮定かていに反はんする。f(a)<0 の場合ばあいも、同おなじ区間くかんで η(t)>0 を選えらべば積分せきぶんは負ふになり、やはり仮定かていに反はんする。したがってどの点てんでも f(t)=0 である。

5方程式ほうていしき 1:停留作用ていりゅうさようから Euler-Lagrange 方程式ほうていしきが出でる

端点たんてん q(t0),q(t1) を固定こていした変分へんぶんに対たいして作用さよう S[q] が停留ていりゅうするなら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ddt∂L∂q˙-∂L∂q=0

が成立せいりつする。

5.1証明しょうめい

変分へんぶんを

qε(t)=q(t)+εη(t)

と置おく。ただし η(t0)=η(t1)=0 である。作用さようを ε の関数かんすうとして

Φ(ε)=S[qε]

と書かく。停留ていりゅうとは

Φ′(0)=0

であることを意味いみする。

連鎖律れんさりつより、

Φ′(0)=∫t0t1(∂L∂qη+∂L∂q˙η˙)dt

である。第だい 2 項こうを部分積分ぶぶんせきぶんすると、

∫t0t1∂L∂q˙η˙dt=[∂L∂q˙η]t0t1-∫t0t1ddt(∂L∂q˙)ηdt

である。η(t0)=η(t1)=0 なので境界項きょうかいこうは 0 である。したがって

Φ′(0)=∫t0t1(∂L∂q-ddt∂L∂q˙)ηdt

である。任意にんいの η に対たいして Φ′(0)=0 だから、補題ほだいより

∂L∂q-ddt∂L∂q˙=0

である。整理せいりして

ddt∂L∂q˙-∂L∂q=0

を得える。

6帰結きけつ 2:1 次元じげんの保存力ほぞんりょくでは Newton 方程式ほうていしきと一致いっちする

1 次元じげんで

L=12mx2˙-U(x)

と置おくと、Euler-Lagrange 方程式ほうていしきは

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]mx¨=-dUdx

を与あたえる。

6.1証明しょうめい

まず

∂L∂x˙=mx˙

である。したがって

ddt∂L∂x˙=mx¨

である。また

∂L∂x=-dUdx

である。Euler-Lagrange 方程式ほうていしき

ddt∂L∂x˙-∂L∂x=0

へ代入だいにゅうすると、

mx¨+dUdx=0

である。したがって

mx¨=-dUdx

を得える。これは保存力ほぞんりょく F=-dU/dx に対たいする Newton 方程式ほうていしき mx¨=F である。

7保存則ほぞんそく 3:循環座標じゅんかんざひょうと保存量ほぞんりょう

ラグランジアン L(q,q˙,t) が座標ざひょう q に明示的めいじてきに依存いぞんしない、つまり

∂L∂q=0

なら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pq=∂L∂q˙

は保存ほぞんする。このような q を循環座標じゅんかんざひょうcyclic coordinateという。

7.1証明しょうめい

Euler-Lagrange 方程式ほうていしきは

ddt∂L∂q˙-∂L∂q=0

である。仮定かていより ∂L/∂q=0 なので、

ddt∂L∂q˙=0

である。したがって

∂L∂q˙

は時間じかんに依存いぞんせず一定いっていである。これが保存量ほぞんりょうである。

8保存則ほぞんそく 4:ラグランジアンが時刻じこくに明示的めいじてきに依存いぞんしなければエネルギーが保存ほぞんする

一般化座標いっぱんかざひょうを qi とし、

E=∑iqi˙∂L∂qi˙-L

と置おく。Euler-Lagrange 方程式ほうていしきが成立せいりつし、かつ ∂L/∂t=0 なら、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]dEdt=0

である。

8.1証明しょうめい

E を時間じかんで微分びぶんする。

dEdt=∑i(qi¨∂L∂qi˙+qi˙ddt∂L∂qi˙)-dLdt

である。一方いっぽう、

dLdt=∑i(∂L∂qiqi˙+∂L∂qi˙qi¨)+∂L∂t

である。これを代入だいにゅうすると、qi¨∂L/∂qi˙ の項こうは相殺そうさいし、

dEdt=∑iqi˙(ddt∂L∂qi˙-∂L∂qi)-∂L∂t

である。Euler-Lagrange 方程式ほうていしきより括弧かっこの中なかは 0 である。したがって

dEdt=-∂L∂t

である。仮定かていより ∂L/∂t=0 なので、

dEdt=0

である。

9具体例ぐたいれい:質点しつてんばね系けい

質量しつりょう m の物体ぶったいが、ばね定数ていすう k のばねにつながれて水平すいへいに動うごく。座標ざひょうを x とすると、

T=12mx2˙,U=12kx2

である。したがって

L=12mx2˙-12kx2

である。帰結きけつ 2 より

mx¨=-kx

すなわち

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]mx¨+kx=0

を得える。これは単振動たんしんどうの運動方程式うんどうほうていしきである。

10見分みわけ方かた

  • T と U が簡単かんたんに書かけるなら、L=T-U を作つくる。
  • L に現あらわれない座標ざひょうがあれば、その共役運動量きょうやくうんどうりょうは保存ほぞんする。
  • L が時刻じこくに明示的めいじてきに依存いぞんしなければ、E=∑iqi˙(∂L/∂qi˙)-L が保存ほぞんする。

11どこまで成立せいりつするか

この講義こうぎでは、端点たんてんを固定こていした滑なめらかな経路けいろと、L=T-U で書かける保存力ほぞんりょくの系けいを中心ちゅうしんに扱あつかった。摩擦まさつのような非保存力ひほぞんりょく、時間依存じかんいぞんの拘束こうそく、電磁場でんじばのような速度依存そくどいぞんの相互作用そうごさようでは、ラグランジアンの形かたちや一般化力いっぱんかりょくの扱あつかいを拡張かくちょうする必要ひつようがある。

12最終形さいしゅうけい

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]S[q]=∫t0t1L(q,q˙,t)dt
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]ddt∂L∂q˙-∂L∂q=0
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]pq=∂L∂q˙(qが循環座標なら保存)
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]E=∑iqi˙∂L∂qi˙-L

13一言ひとこと

ラグランジアンは、作用さようを通とおして運動方程式うんどうほうていしき、対称性たいしょうせい、保存量ほぞんりょうを同おなじ枠組わくぐみで結むすぶ道具どうぐである。

14関連かんれんリンク

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