間違いしかありません.コメントにてご指摘いただければ幸いです(気が付いた点を特に断りなく頻繁に書き直していますのでご注意ください).

ラグランジアンを変えない加えてもよい凾数

ラグランジアンを変えない加えてもよい凾数

L=L+ddtf(q,t)f(q,t)()LqddtLq˙=(Lq+qddtf)(ddtLq˙+ddtq˙ddtf)=(LqddtLq˙)+(qddtfddtq˙ddtf)=(LqddtLq˙)+{q(fqq˙+ft)ddtq˙(fqq˙+ft)}ddtf(q,t)=f(q,t)qdqdt+f(q,t)tdtdt=f(q,t)qdqdt+f(q,t)t=f(q,t)qq˙+f(q,t)t=(LqddtLq˙)+{q(fqq˙+ft)ddtfq}q˙(f(q,t)qq˙+f(q,t)t)=f(q,t)qqq˙=(LqddtLq˙)+{q(fqq˙+ft)(qfqq˙+tfq)}ddtf(q,t)q=qf(q,t)qdqdt+tf(q,t)qdtdt=qf(q,t)qdqdt+tf(q,t)q=qf(q,t)qq˙+tf(q,t)q=(LqddtLq˙)+{qfqq˙+qft(qfqq˙+tfq)}=(LqddtLq˙)+(qfttfq)=(LqddtLq˙)+(qftqft)=LqddtLq˙LL

ラグランジアンとガリレイ変換

ラグランジアンとガリレイ変換

L=m2q˙2 q=q+VtV()q˙=q˙+Vddt(q+Vt)=ddtq+ddtVtL=m2(q˙)2=m2(q˙+V)2=m2(q˙2+2q˙V+V2)=m2q˙2+m2(2q˙V+V2)=L+m2(2q˙V+V2)LqddtLq˙={Lq+q(2q˙V+V2)}[ddtLq˙+ddtq˙{m2(2q˙V+V2)}]=Lq(ddtLq˙+ddtmV)ddq(2q˙V+V2)=0qq˙=LqddtLq˙ddtmV=0V

ラグランジュ方程式

ラグランジュ方程式

位置q, 速度q˙(=dqdt), 系を特徴付ける凾数(ラグランジアン)L(q,q˙,t)とすると Lの時間tでの積分である作用Sが最小になるように系は運動する(最小作用の原理/ハミルトンの原理). S=t1t2L(q,q˙,t)dt よってSが最小となるようなq(t)が系の運動である.
q(t)から微小量δq(t)ずれたq(t)+δq(t)を通るL(q+δq,q˙+δq˙,t)では,Sは増加する. q(t)を通る時との差をδSとする.
(ただしδq(t)δq(t1)=δq(t2)=0とし,始点と終点では,ずれはないものとする(境界条件を満たす)) δSt1t2L(q+δq,q˙+δq˙,t)dtt1t2L(q,q˙,t)dt=t1t2{L(q+δq,q˙+δq˙,t)L(q,q˙,t)}dt=t1t2[L(q,q˙,t)+{L(q,q˙,t)qδq+L(q,q˙,t)q˙δq˙}L(q,q˙,t)]dtL(q+δq,q˙+δq˙,t)L(q,q˙,t)+{L(q,q˙,t)qδq+L(q,q˙,t)q˙δq˙}2=t1t2{L(q,q˙,t)qδq+L(q,q˙,t)q˙δq˙}dt=t1t2Lqδqdt+t1t2Lq˙δq˙dt=t1t2Lqδqdt+t1t2Lq˙ddtδqdtδq˙=ddtδq=t1t2Lqδqdt+[Lq˙δq]t1t2t1t2ddtLq˙δqdtabfgdx=[fG]ababfGdx=t1t2Lqδqdtt1t2ddtLq˙δqdt[Lq˙δq]t1t2=0δq(t1)=δq(t2)=0=t1t2{LqδqddtLq˙δq}dt=t1t2{LqddtLq˙}δqdt 任意のδqにおいてδS=0となるには{}の中が常に0となる必要がある. LqddtLq˙=0ddtLq˙Lq=0 ラグランジアンに2階以上のqの微分が含まれないのはつまり,位置と速度でその後の運動が決まること合致する.

積の積分 / 部分積分

積の積分 / 部分積分

f,gxの凾数とし,f,gをそれぞれのxでの微分とする. (fg)=fg+fg(fg)=fg+fgfg=(fg)fgfgdx=(fg)dxfgdx=fgfgdx Fの微分をfとして,fFに,ffに置き換える. fgdx=FgFgdxabfgdx=[Fg]ababFgdx

積の微分

積の微分

d{f(x)g(x)}dt=limh0f(x+h)g(x+h)f(x)g(x)h=limh0f(x+h)g(x+h)f(x+h)g(x)+f(x+h)g(x)f(x)g(x)hf(x+h)g(x)+f(x+h)g(x)=0=limh0{g(x+h)g(x)hf(x+h)+f(x+h)f(x)hg(x)}=limh0g(x+h)g(x)hf(x+h)+limh0f(x+h)f(x)hg(x)=d{g(x)}dtf(x)+d{f(x)}dtg(x) (fg)=fg+fg