拉格朗日方程
拉格朗日公式
拉格朗日公式2篇拉格朗日公式是微积分中的重要工具之一，由法国数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日于1760年提出。
它是描述多元函数在约束条件下的极值问题的一种有效方法。
拉格朗日公式是一种将约束条件转化为等式形式的方法，通过引入拉格朗日乘子，将约束条件与目标函数结合在一起，从而得到一个新的函数，称为拉格朗日函数。
本文将从拉格朗日函数的基本形式、应用领域和解决实际问题的方法等方面对拉格朗日公式进行详细介绍。
拉格朗日公式的基本形式如下：设有n个变量x1, x2, ..., xn和m个约束条件g1(x1, x2, ..., xn) = 0, g2(x1, x2, ..., xn) = 0, ..., gm(x1, x2, ..., xn) = 0。
目标函数为f(x1, x2, ..., xn)。
引入拉格朗日乘子λ1, λ2, ..., λm，构造拉格朗日函数L(x1, x2, ..., xn, λ1, λ2, ..., λm) = f(x1, x2, ..., xn) + λ1g1(x1, x2, ..., xn) + λ2g2(x1,x2, ..., xn) + ... + λmgm(x1, x2, ..., xn)。
拉格朗日函数L所描述的是在约束条件下的一个新的函数。
拉格朗日公式的应用非常广泛，特别是在优化问题和最优化理论中，被广泛应用于经济学、物理学、工程学和管理学等领域。
在经济学中，拉格朗日乘子法常用于描述生产函数中的最优化问题，通过求解拉格朗日函数的偏导数等于零的条件，可以得到最优解。
在物理学中，拉格朗日公式广泛应用于描述运动过程中的最小作用量原理，通过求解拉格朗日函数满足欧拉-拉格朗日方程的条件，可以得到物体在某一时刻的状态。
在工程学和管理学中，拉格朗日乘子法常用于约束条件下的优化问题，可以帮助决策者找到最优解。
解决实际问题时，利用拉格朗日公式需要遵循一定的步骤。
首先，将约束条件转化为等式形式，然后构造拉格朗日函数。
分析力学基础-拉格朗日方程
其他应用领域
要点一
机器人学
在机器人学中，拉格朗日方程被用于描述机器人的运动规 律。通过建立机器人运动的拉格朗日方程，可以求解出机 器人的关节角度和速度，为机器人的运动控制提供理论依 据。
要点二
生物力学
在生物力学中，拉格朗日方程也被应用于描述生物体的运 动规律。例如，在分析动物的运动行为或人体姿势控制时 ，可以使用拉格朗日方程来描述生物体的运动状态和变化 规律。
解析解法的优缺点分析
优点
解析解法可以得到系统的精确解，适用 于简单模型和特定条件下的复杂模型。
VS
缺点
对于复杂模型，解析解法可能非常困难甚 至无法求解，需要借助数值方法或其他近 似方法。
04
拉格朗日方程的数值解法
数值解法的概念和步骤
概念
数值解法是一种通过数学计算来求解数学问 题的方法，它通过将问题离散化，将连续的 问题转化为离散的问题，然后使用计算机进 行计算求解。
步骤
1.建立数学模型：根据实际问题建立数学模 型，将实际问题转化为数学问题。2.离散化 ：将连续的问题离散化，将连续的时间和空 间划分为若干个小的单元，每个单元称为一 个网格点或节点。3.求解离散化后的方程： 使用数值方法求解离散化后的方程，得到每 个网格点的数值解。4.后处理：对计算结果 进行后处理，提取所需的信息，并进行分析
分析力学基础-拉格 朗日方程
目录
• 引言 • 拉格朗日方程的推导 • 拉格朗日方程的解析解法 • 拉格朗日方程的数值解法 • 拉格朗日方程的应用领域
01
引言
拉格朗日方程的背景和重要性
背景
拉格朗日方程是分析力学中的基 本方程，它描述了系统的运动规 律。
重要性
拉格朗日方程在理论物理、工程 技术和科学研究等领域有着广泛 的应用，是理解和研究复杂系统 运动行为的关键工具。
基本形式的拉格朗日方程
基本形式的拉格朗日方程
拉格朗日方程是物理学中重要的数学工具之一，它描述了物体在空间中运动的规律。
它的基本形式是：L=T-V，其中L代表拉格朗日量，T代表系统的动能，V代表系统的势能。
拉格朗日方程在物理学中的应用非常广泛，例如在经典力学中，通过求解拉格朗日方程可以推导出牛顿定律；在相对论中，通过拉格朗日方程可以描述质点在参考系中的运动规律；在量子力学中，拉格朗日方程用于描述宏观系统的行为。
拉格朗日方程的求解需要用到变分法，即求函数的变化量与函数本身之比在某一点的极限值。
通过对拉格朗日量求变分，可以得到拉格朗日方程的本质形式：∂L/∂q-d/dt(∂L/∂(dq/dt))=0，其中q代表描述系统状态的广义坐标。
求解拉格朗日方程是一项非常复杂的数学工作，需要运用多种数学工具，例如微分方程、变分法、张量、微积分等。
在物理学中，拉格朗日方程被广泛应用于机械系统、电磁学、热力学、流体力学等领域，成为探究自然规律的重要工具。
总之，拉格朗日方程在物理学中扮演着重要的角色，它不仅为我们提供了一种探索物理现象的方法，也为我们提供了一种解决实际问题的理论工具。
未来，随着科学技术的发展和应用领域的不断拓展，拉格朗日方程将继续在物理学中发挥重要的作用。
拉格朗日运动方程
拉格朗日运动方程一、引言拉格朗日运动方程是经典力学中描述物体运动的重要工具，它是由法国数学家拉格朗日在18世纪提出的。
它与牛顿运动定律等价，但更加优美和普适，适用于各种力学问题。
二、拉格朗日函数拉格朗日函数是描述系统能量的函数，通常用L表示。
对于一个系统而言，其拉格朗日函数可以表示为：L = T - V其中T表示系统的动能，V表示系统的势能。
这个式子代表了系统总能量E=T+V。
三、广义坐标广义坐标是描述物体位置的变量，在使用拉格朗日方程时非常重要。
广义坐标可以是任意数量和类型的变量，例如位置、角度、长度等。
四、拉格朗日方程拉格朗日方程可以用来描述物体在给定势场中的运动。
它基于最小作用原理（Hamilton原理），即物体在两个时间点之间所经过的路径应该是使作用量最小化（或者称为稳定作用量）。
对于一个具有n个自由度（即n个广义坐标）的系统而言，其拉格朗日方程可以表示为：d/dt(dL/dq_i) - dL/dq_i = Q_i其中q_i表示第i个广义坐标，Q_i表示与该广义坐标相关的外力。
这个方程可以通过对系统能量的变化率进行求导得到。
五、应用举例1. 简谐振动简谐振动是物理学中最基本的振动形式之一，它可以通过拉格朗日方程来描述。
对于一个单摆而言，其拉格朗日函数可以表示为：L = 1/2m(l^2θ'^2 + gcosθ)其中m是单摆的质量，l是单摆的长度，θ是单摆的角度，g是重力加速度。
代入拉格朗日方程中可得到单摆运动的解析式。
2. 力学中的应用在力学中，拉格朗日方程被广泛应用于各种问题中。
例如弹性碰撞、刚体运动、万有引力等问题都可以使用拉格朗日方程来描述。
六、总结拉格朗日运动方程是经典力学中非常重要和实用的工具，它通过最小作用原理和系统能量来描述物体在给定势场中的运动。
在实际应用中，我们可以使用广义坐标和拉格朗日函数来构建拉格朗日方程，并通过求解该方程来得到物体运动的解析式。
理论力学 第3章 拉格朗日方程
记
3.1 拉格朗日方程
拉格朗日关系
3.1 拉格朗日方程
由拉格朗日关系
又
3.1 拉格朗日方程
3.1 拉格朗日方程
3.1 拉格朗日方程
（1）动能的显式： 直角坐标 平面极坐标 柱坐标 球坐标
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 2 T mi r i i 1 2
n
单个质点
x, y , z
r ,
, , z
3.1 拉格朗日方程
[思考2] 滑块作简谐运动
自由度 s 1 ，广义坐标为 ：
X x0 cos t l sin
X l cos
Y l cos Y l sin 约束力 T T sin i T cos j
约束力的虚功
3.2 运动积分 诺特定理
3.2 运动积分 诺特定理
讨论：质点在有心力场中的动能和势能
1 2 2 r 2 T m r 2
k 2m V r
2 1 k m 2 2 2 r L T V m r 2 r
广义坐标：r，
L 0
对应一个循环积分：
3.1 拉格朗日方程
（2）系统势能：（以弹簧原长为弹性势能零点，滑块A所在 平面为重力势能零点）
1 2 V kx m2 gl cos 2
（3）拉格朗日函数：
L T V 1 1 1 2 2 2 2 m 2 l m 2 xl cos kx m 2 gl cos ( m1 m 2 ) x 2 2 2
r Fi i q
n
3.1 拉格朗日方程
3.1 拉格朗日方程
理论力学拉格朗日方程
d mivi dt
( ri ) q j
所以
(mi
dvi ) ri dt q j
d dt
(mi vi
ri q j
)
mi vi
d dt
( ri q j
)
代入上式有
Q*j
n
[
i 1
d dt
(mi vi
ri q j
) mivi
d dt
( ri q j
)]
第七章 拉格朗日方程
§7-2 拉格朗日方程
r i
k
j 1
r i
q
q j
j
n
代入动力学普遍方程
(Fi Fi* ) ri 0 有
i 1
n [(Fi Fi* )
i 1
k j 1
ri q
q j
j
]
k
[
j 1
n i 1
(Fi
ri q j
)
n i 1
(Fi*
ri q j
)]q
j
0
广义力 记为Qj
k
这样动力学普遍方程可写为
[Q j
Q* ]q
代入前面所得动力学普遍方程的转化式
k
[Q j
Q* ]q
j
j
0
有
j 1
k
[Q j Q*j ]q j
j 1
k
[Q j
j 1
d dt
T ( q j
)
T q j
]q j
0
对于完整系统，广义虚位移δqj 都是独立的，并具有任意性，所以为使上
式成立，则有
Qj
d dt
T ( q j
)
拉格朗日方程
d ∂L ∂L ( )− =0 & dt ∂θ ∂θ
d ∂L 1 2 && & = 3 ml θ d t ∂θ
∂L = −kb 2θ ∂θ
1 2 && ( ml )θ + kb 2θ = 0 3
3kb 2 & θ& + 2 θ = 0 ml
3kb 2 2 ωn = ml 2
n
ωn为圆频率
2 2
ωn 频率：f n = 2π
ri = ri ( q1 , q 2 , L , q k , t ) 则： v i = dri = 因： dt & & & 即： vi = vi (q1 , q2 , L , qk , q1 , q2 , L , qk , t )
广义速度
∂ri ∂r &j + i ∑ ∂q q ∂t j =1 j
k
'
m2 g
δθ
B
δ Wθ Qθ = =0 δθ
δθ ≠ 0
代入拉格朗日方程： 代入拉格朗日方程：
& & (m1 + m2 )&& + m2 Lθ&cosθ − m2 Lθ 2 sinθ + kx = F (t ) x 1 & m2 (2l )2θ& + m2 L&&cosθ + m2 gLsinθ = 0 x 3
动力学的基本方法
牛顿定律
•动量定理 动量定理 •动量矩定理 动量矩定理 •动能定理 动能定理
达朗贝尔原理//动静法 达朗贝尔原理 动静法
虚位移原理
动力学普遍方程
理论力学 拉格朗日方程
xl
cos
1 2
k
x2
m2
gl
cos
L x
(m1
m2
)
x
m2
l
cos
,
L x
kx
d dt
L x
(m1
m2
)
x
m2
lcos
m2
l
2
sin
L
m2
l
2
m2
xlcos
,
L
m2
xl
sin
m2
glsin
(c)
代入质点系动力学普遍方程，得：
n
n
n
(Fi miai )ri Fi ri miairi 0 (d )
i 1
i 1
i 1
n
Fi
i 1
ri
n
Fi
i 1
( jk1qrij
q
j
kn
) (F
j1 i1
i
ri q j
)q j
kn
质点 M i : mi , 。ri 若取系统的一组广义坐标为
q，1则, q2 ,qk
ri ri (q1,q2 ,qk ,t) (i1,2,n)
(a)
vi
dri dt
jk1qrij
q j
ri t
(i 1,2n)
( b)
称
q j
dq j为广义速度。 dt
7
ri jk1qrij q j (i1,2,n)
22
dL dt
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以约瑟夫·刘易斯·拉格朗日命名的拉格朗日方程是拉格朗日力学的主要方程。
它可以用来描述物体的运动，特别适合于理论物理学的研究。
拉格朗日方程的功能等效于牛顿力学中的牛顿第二定律。
拉格朗日方程：对于一个完整的系统，用广义坐标表示的动力学方程通常指第二种拉格朗日方程，该方程首先由法国数学家J.-L.拉格朗日推导。
通常可以这样写：
其中，t是由广义坐标QJ和广义速度q'j表示的系统动能；QJ 是与QJ对应的广义力；n（= 3n-k）是整个系统的自由度；n是系统的质点数；K是完全约束方程的数量。
完整系统的拉格朗日方程
完整系统的拉格朗日方程
从虚拟位移原理，我们可以得到没有约束力的具有理想约束的粒子系统的平衡方程，而动态静态方法（D'Alembert原理）则采用静态方法来建立粒子系统的动力学方程。
通过将两者结合起来，可以得到没有约束力的粒子系统动力学方程，这是一般的动力学方程。
拉格朗日方程是广义动力学方程在广义坐标系下的具体表达。
拉格朗日方程可用于建立无约束力的动力学方程，也可用于求解在给定运动定律下作用于系统的有功力。
如果要查找约束力，可以将拉格朗日方程与动态和静态方法或动量定理（或质心的运动定理）结合起来。
通常，我们将基于牛顿定律和基于牛顿定律的力学理论称为牛顿力学（也称为矢量力学），将拉格朗日方程和基于其的理论称为拉格朗日力学。
拉格朗日力学描述了机械系统在配置空间中的运动，适合研究受约束粒子系统的运动。
拉格朗日力学在解决微振动和刚体动力学问题中起着重要作用。