9.20 习题课

Symbol Convention%

1 补充

1.1 全变分和边界项

1.1.1 作用量的全变分

作用量

S[q]=∫t1t2L(q,q˙,t)dt

取宗量 q 的变分 q→q+δq,端点 t 的变分 ti→ti+Δti(i=1,2)。两者都是 O(ϵ)。

完整的作用量增量:

S[q+δq,t1+Δt1,t2+Δt2]−S[q,t1,t2]=∫t1+Δt1t2+Δt2L(q+δq,q˙+δq˙,t)dt−∫t1t2L(t)dt=∫t1t2[L(q+δq,q˙+δq˙,t)−L(t)]dt+∫t2t2+Δt2L(q+δq,q˙+δq˙,t)dt−∫t1t1+Δt1L(q+δq,q˙+δq˙,t)dt=∫t1t2δLdt+L(t2)Δt2−L(t1)Δt1+O(ε2)

其中,

δL=∂L∂qδq+∂L∂q˙δq˙,δq˙=ddtδq

将上述一阶项定义为作用量的全变分:

ΔS=[LΔt]t1t2+∫t1t2δLdt=[LΔt]t1t2+δS

右侧第一项为移动时间边界的边界项贡献,第二项为等时变分。对于第二项 δS,课上已经讲过,利用 δq˙=d(δq)/dt 分部积分,得到

δS=∫t1t2(∂L∂qδq+∂L∂q˙δq˙)dt=∫t1t2(∂L∂q−ddt∂L∂q˙)δqdt+[pδq]t1t2,p:=∂L∂q˙

通常的固定端点问题令 δq(t1)=δq(t2)=0,边界项才消失。若初端固定,而终止时间 t2 固定、终点位置 q(t2) 自由,则 δq(t2) 任意,驻值条件 δS=0 除运动方程外还要求

p(t2)=0

这叫作一种自然边界条件。

例子:从一个点到一条竖直直线的最短路径

从 (0,0) 出发,终点可在直线 x=b>0 上任意滑动,求最短曲线。弧长泛函为

S[y]=∫0b1+y′2dx.ddx(∂L∂y′)−∂L∂y=0⟹ddx(y′1+y′2)=0

对其积分得到 y′=C(常数),对应的极值曲线族为直线 y(x)=kx+c。根据终点的 y(b) 自由,因而自然边界条件为

∂L∂y′|x=b=y′1+y′2|x=b=0

所以 y′=0,最短线段水平,恰好垂直于终点所在的竖直直线。

1.1.2 宗量的全变分

记变化后的轨迹为 q¯=q+δq。在端点 ti,定义宗量的全变分

Δqi:=q¯(ti+Δti)−q(ti).

展开得

Δqi=[q¯(ti+Δti)−q¯(ti)]+[q¯(ti)−q(ti)]=q˙(ti)Δti+δq(ti)+O(ε2)

以下只保留一阶小量,因此

Δqi=δq(ti)+q˙(ti)Δti

此即宗量的全变分和等时变分的关系。上一节得到作用量的全变分为

ΔS=∫t1t2(∂L∂q−ddt∂L∂q˙)δqdt+[pδq+LΔt]t1t2.

在边界项中用 δq=Δq−q˙Δt,得到

ΔS=∫t1t2(∂L∂q−ddt∂L∂q˙)δqdt+[pΔq−HΔt]t1t2,H:=pq˙−L

驻值要求:对所有允许的变化都有 ΔS=0。先固定端点,利用内部扰动的任意性,得到欧拉–拉格朗日方程;在此方程成立的轨迹上,内部积分项消失,只剩边界项:

ΔS=[pΔq−HΔt]t1t2.

所以,端点变化的信息完整地保留在边界项中。

1.1.3 横截条件

仍以单自由度为例。初端的时空位置固定,终端只能沿 (t,q) 平面中给定的曲线

q=φ(t)

滑动。这不是说整条运动轨迹都被这条曲线约束。终端的一阶全变分满足

Δq2=φ′(t2)Δt2

对满足内部运动方程的轨迹,将此关系代入边界项,初端贡献为零,得到

ΔS=[p(t2)φ′(t2)−H(t2)]Δt2

由于 Δt2 可以取任意小的正值或负值,要使 ΔS=0,必须有

p(t2)φ′(t2)−H(t2)=0

这就是此种端点约束下的横截条件。它包含除拉格朗日方程外的额外信息。

从原点到斜线 x+y=1 的最短路径

考察第一象限内从原点到该斜线的曲线,写成 y=y(x),终点为 (b,1−b)。
此处自变量 x 扮演上述 t 的角色,记

L=1+y′2,p=Ly′,H=y′p−L.

内部欧拉—拉格朗日方程给出 y′=常数,所以候选路径是过原点的直线。
终点沿 x+y=1 移动时,Δy=−Δb。于是边界项为

ΔS=pΔy−HΔb=−(p+H)Δb=1−y′1+y′2Δb

要使其对任意 Δb 都为零,终点处必须有 y′=1。
因而候选路径为 y=x,终点为 (1/2,1/2);它与
x+y=1 垂直,确为最短线段。

1.2 广义拉格朗日方程 *

1.2.1 二阶

以下固定端点时刻,记 Lq=∂L/∂q,其余下标同理。考虑

S[q]=∫t1t2L(q,q˙,q¨,t)dt

等时变分满足微分和变分可以互换:δq˙=ddtδq、δq¨=d2dt2δq。所以可直接展开

δS=∫t1t2(Lqδq+Lq˙δq˙+Lq¨δq¨)dt

两次分部积分后,完整形式为

δS=∫t1t2(Lq−ddtLq˙+d2dt2Lq¨)δqdt+[P0δq+P1δq˙]t1t2

其中

P0:=Lq˙−ddtLq¨,P1:=Lq¨

因此内部方程是

∂L∂q−ddt∂L∂q˙+d2dt2∂L∂q¨=0

此为二阶拉格朗日方程。

1.2.2 任意阶

取 L=L(q,q˙,…,q(N),t)。则

δS=∑i=0N∫t1t2∂L∂q(i)δq(i)dt

逐项分部积分 i 次,得到内部驻值条件为广义拉格朗日方程

∑i=0N(−ddt)i∂L∂q(i)=0

得到上式需要固定两端的 q 到 q(N−1) 。

1.2.3 最小加速度轨迹

固定 q(0)=0、q(T)=1 、q˙(0)=q˙(T)=0,在这些轨迹中最小化

S[q]=12∫0Tq¨2dt

由二阶拉格朗日方程得 q(4)=0,即 q=c0+c1t+c2t2+c3t3。代入四个端点条件得:

q(t)=(3τ2−2τ3),τ=t/T

1.3 拉格朗日乘子法

1.3.1 完整理想约束

若所选坐标满足约束

f(q1,…,qn,t)=0,

则允许变分满足

∑i∂f∂qiδqi=0.

所以 δqi 不是彼此独立的,不能把作用量一阶变分中的每个系数分别置零。消元常会得到复杂的根式和耦合方程;保留坐标并引入乘子反而简单。

1.3.2 带乘子的拉格朗日方程

对一个理想约束 f(q,t)=0,引入乘子函数 λ(t),构造

L∗=L(q,q˙,t)+λ(t)f(q,t)

拉格朗日方程为

ddt∂L∗∂q˙i−∂L∗∂qi=0orddt∂L∂q˙i−∂L∂qi=λ∂f∂qi⏟广义约束力λ∇f

以及原本的理想约束藏在对乘子的拉格朗日方程里:

ddt∂L∗∂λ˙−∂L∗∂λ=−f(q,t)=0.

因此带乘子的拉格朗日方程形式为

ddt∂L∂q˙i−∂L∂qi=λ∂f∂qi,f(q,t)=0

注意多个独立约束 fα=0 时,取 L∗=L+∑αλαfα,右端的广义约束力相应求和。上述方法不直接适用于一般非完整速度约束。

1.3.3 例:椭球面上小珠的瞬时约束力 *

质量为 m 的小珠被双侧光滑约束在椭球面

x2a2+y2b2+z2c2=1,a,b,c>0,

设 z 轴竖直向上,重力为 −mgez。已知位置 (x,y,z) 及满足切向条件

xvxa2+yvyb2+zvzc2=0

的速度,求约束力和加速度(不求轨迹)。若消元取 z=±c1−x2/a2−y2/b2,动能和方程会迅速变复杂;而乘子法不必消去任何坐标。

直接写

L∗=m2(x˙2+y˙2+z˙2)−mgz+λ2(x2a2+y2b2+z2c2−1).

对 x,y,z 用标准拉格朗日方程,得到

mx¨=λxa2,my¨=λyb2,mz¨=−mg+λzc2;

对 λ 则恢复椭球约束。对约束求导两次得

xx¨a2+yy¨b2+zz¨c2=−(vx2a2+vy2b2+vz2c2).

令 D=x2/a4+y2/b4+z2/c4,代入即

λ=mgz/c2−(vx2/a2+vy2/b2+vz2/c2)D

无需消元或求全轨迹,瞬时结果直接是

Fc=λ(xa2,yb2,zc2),ma=Fc−mgez

1.3.4 常数乘子

若逐点约束对每个 t 都成立,乘子是函数 λ(t);一个积分约束只限制整条曲线的一个数值,在约束正则时只需一个常数乘子。

例:固定面积下使斜率平方积分最小。在 0≤x≤1 上,

y(0)=y(1)=0,∫01ydx=1,S[y]=12∫01y′2dx

取乘子 λ:

Saug=12∫01y′2dx+λ(∫01ydx−A)

对 y,使用被积函数 L∗=12y′2+λy 写拉格朗日方程:

ddx∂L∗∂y′−∂L∗∂y=0⟹y″=λ

利用端点条件,再代入面积条件,得到

y=λ2(x2−x),λ=−12,y∗(x)=6x(1−x)

2 一些题

2.1 抛物线轨道与竖直轨道之间的匀质棒

如图所示,一根长为 1 的匀质直棒两端均装上小环,其上端小环套在弯曲轨道 y=12x2 上(这里 y 轴竖直向下,x 轴水平向右);下端小环套在 y 轴上,两环均可自由滑动。若棒处于平衡状态,求棒和竖直方向所成的夹角 θ,已知 θ≠0。
拉格朗日例题 第 3 题原图转换Source DOCX DrawingML geometry and labels; transforms flattened for portable rendering, shadows omitted.xyOθ
解 取 θ 为广义坐标。令 m 为棒的质量,y 表示上端小环的纵坐标,则棒的势能为

V=−mg(y+12cos⁡θ)=−12mg(sin2⁡θ+cos⁡θ)

平衡时 dVdθ=0,即

2sin⁡θcos⁡θ−sin⁡θ=0

对于图示构型的非零夹角,得到

cos⁡θ=12,θ=60∘

2.2 圆轨道上由轻杆连接的两小环

质量分别为 m 和 M 的两个小环,套在固定于竖直平面内、半径为 R 的光滑圆轨道上。两小环分别连在长为 R 的轻杆两端。求两小环静止时,轻杆与水平面的夹角 θ。
拉格朗日例题 第 4 题原图转换Source DOCX DrawingML geometry and labels; transforms flattened for portable rendering, shadows omitted.θRMmR
解 杆是圆的一条弦,所对圆心角为 π3,弦心距 d=32R 。整个“杆—双环”作为刚体绕 O 转动,自由度 1。

取 θ 为杆与水平方向的夹角,取杆如图斜向上时 θ>0。取 O 为原点、y 轴竖直向上。弦中点坐标

rc=d(sin⁡θ,−cos⁡θ)

两个圆环坐标

rM=rc−R2e,rm=rc+R2e,e=(cos⁡θ,sin⁡θ)

取上式的 y 分量得两个圆环高度为

yM=−dcos⁡θ−R2sin⁡θ,ym=−dcos⁡θ+R2sin⁡θ.

得势能

V=g(MyM+mym)=−32(M+m)gRcos⁡θ+R2(m−M)gsin⁡θ.

令 dVdθ=0:

32(M+m)gRsin⁡θ+R2(m−M)gcos⁡θ=0⟹tan⁡θ=M−m3(M+m)

2.3 弹簧—滑块—单摆

如图所示,质量为 m 的小球和长度为 a 的轻绳组成单摆,单摆的上端悬挂在质量为 M 的滑块上。滑块在光滑水平面上作直线运动,并且用弹性系数为 k 的弹簧连到一固定点。以 x,θ 作为广义坐标,写出系统的拉氏函数并列出运动方程组。
拉格朗日例题 第 1 题原图转换Source DOCX DrawingML geometry and labels; transforms flattened for portable rendering, shadows omitted.kl0xMmθa
解 拉格朗日函数为

L=12Mx˙2+12m[(aθ˙cos⁡θ+x˙)2+(aθ˙sin⁡θ)2]−12kx2−mga(1−cos⁡θ)

对 x:

ddt∂L∂x˙−∂L∂x=(M+m)x¨+ma(θ¨cos⁡θ−θ˙2sin⁡θ)+kx=0.

对 θ:

ddt∂L∂θ˙−∂L∂θ=ma2θ¨+max¨cos⁡θ+mgasin⁡θ=0⟹aθ¨+x¨cos⁡θ+gsin⁡θ=0.

∴ 运动方程组为

{(M+m)x¨+ma(θ¨cos⁡θ−θ˙2sin⁡θ)+kx=0,aθ¨+x¨cos⁡θ+gsin⁡θ=0.

2.4 二维各向同性弹簧振子

讨论二维弹簧振子的运动,即质量为 m 的粒子在如下势场中运动:

V(x,y)=12k(x2+y2),

其中 k 为常数。已选力心为坐标原点,并选笛卡尔坐标 (x,y) 为广义坐标。

  1. 写出系统的拉格朗日量,并根据欧拉—拉格朗日方程推导粒子的动力学方程。
  2. 证明在一般情况下,粒子的运动轨道为椭圆。
  3. 在什么情况下,轨道退化为直线?

解 (1)

L=T−V=12m(x˙2+y˙2)−12k(x2+y2)

拉格朗日方程:

ddt∂L∂x˙−∂L∂x=mx¨+kx=0,ddt∂L∂y˙−∂L∂y=my¨+ky=0,

即角频率 ω=k/m 的简谐振动。

(2)两方程的解为 x=Acos⁡(ωt+φ1)、y=Bcos⁡(ωt+φ2),即

r=(xy)=(Acos⁡φ1−Asin⁡φ1Bcos⁡φ2−Bsin⁡φ2)⏟A(cos⁡ωtsin⁡ωt)

当 detA≠0 时,A 为可逆线性变换。它把单位圆 u=(cos⁡ωt,sin⁡ωt)T 经过旋转、反射以及沿相互垂直方向的伸缩变为椭圆(包括圆),故轨道为椭圆。

(3)直接算变换矩阵的行列式

detA=ABsin⁡(φ1−φ2)

轨道退化为直线的条件为 detA=0,即 φ1−φ2=nπ (n∈Z) 或 A=0 或 B=0。

2.5 抛体运动的作用量比较

在竖直平面 xy 内,t=0 时由坐标原点 O 斜抛某物块,t=1 时物块到达 P(10,5) 点。系统的拉格朗日函数写为

L=12(x˙2+y˙2)−10y.

对于以下三个可能的过程:

过程 x(t) y(t)
A 10t 5t
B 10t 5t2
C 10t 5t(2−t)
  1. 分别计算作用量 S=∫01Ldt 的值,找出其中作用量最小的过程。
  2. 对于上一问找到的过程,通过验证拉格朗日方程,判断它在所有可能过程中作用量是否仍是最小。

解 三个过程的作用量分别为

SA=37.5,SB=50,SC=1003

其中过程 C 的作用量最小。对过程 C,可以验证

ddt∂L∂x˙−∂L∂x=x¨=0,ddt∂L∂y˙−∂L∂y=y¨+10=0.
校注:原题提示与原解的论证缺口

原解据此直接断言“在所有可能过程中,过程 C 作用量最小”。验证拉格朗日方程只能证明驻值,不能单独证明最小性;原题第(2)问的提示也应据此补充。
本题的最小性结论是对的,可以补证如下。设

x=xC+ηx,y=yC+ηy,ηx(0)=ηx(1)=ηy(0)=ηy(1)=0

展开作用量差,利用 x¨C=0、y¨C=−10 分部积分,一阶交叉项消失,得到

S[x,y]−SC=12∫01(η˙x2+η˙y2)dt≥0.

等号仅在扰动恒为零时成立。因此在相同时空端点、足够光滑的候选轨迹中,过程 C 确实给出唯一的最小作用量。

2.6 两条正交斜轨道上的连杆小环

两个质量分别为 m1 和 m2 的小环,连接在一个长度为 l 的轻杆两端。两个小环分别套在两个固定的光滑斜轨道上。两轨道相交于 O 点,夹角为直角,其角平分线为竖直垂线。轻杆与竖直线的夹角为 θ,如图所示。
拉格朗日例题 第 6 题原图转换Source DOCX DrawingML geometry and labels; transforms flattened for portable rendering, shadows omitted.45°Oθ45°m1m2

  1. 若两小环处于静平衡,求此时 θ 为多少。
  2. 若左侧小环以速率 v1 运动且 θ 已知,求右侧小环的速率 v2。
  3. 以 θ 为广义坐标,写出系统的拉格朗日函数。
  4. 给出两质点在平衡位置附近做微小振动时的拉格朗日方程。

解 (1)势能为

V=−m1glcos⁡(θ−π4)cos⁡π4−m2glsin⁡(θ−π4)cos⁡π4=−gl2m12+m22cos⁡(θ−π4−arctan⁡m2m1)

取势能极小有

θ0=π4+arctan⁡m2m1

(2)速度关系。用 s1,s2 分别表示两小环到 O 点的距离。约束为

s12+s22=l2

对时间求导,得到

s1s˙1+s2s˙2=0,s˙2=−s1s2s˙1

利用

s1=lcos⁡(θ−π4),s2=lsin⁡(θ−π4)

对于 s2≠0,速率关系为

v2=v1|cot⁡(θ−π4)|

(3)拉格朗日函数。动能为

T=12m1l2sin2⁡(θ−π4)θ˙2+12m2l2cos2⁡(θ−π4)θ˙2

拉格朗日函数为 L=T−V。

(4)微振动方程。平衡位置为 θ0=π4+arctan⁡m2m1。令 φ=θ−θ0 表示小偏离。

由第(3)问的动能,在平衡位置处

I≜[m1l2sin2⁡(θ−π4)+m2l2cos2⁡(θ−π4)]θ=θ0=l2m1m2(m1+m2)m12+m22

即平衡点附近 T≃12Iφ˙2。势能按第(1)问的结果展开,

V=−gl2m12+m22cos⁡(θ−θ0)≃const+gl22m12+m22φ2

拉格朗日方程得

ddt∂L∂φ˙−∂L∂φ=Iφ¨+gl2m12+m22φ=0⟺θ¨+ω2(θ−θ0)=0

其中

ω2=g(m12+m22)3/22lm1m2(m1+m2)

2.7 在三等分点铰接的双质点摆

轻杆长 3l,两端各连接一个质量为 m 的质点。在杆的 1/3 位置的 O 点固定安置铰链,使杆能在竖直平面内摆动,如图。
拉格朗日例题 第 7 题原图转换Source DOCX DrawingML geometry and labels; transforms flattened for portable rendering, shadows omitted.θmmOz

  1. 写出系统的拉格朗日函数。
  2. 给出系统做微振动时的拉格朗日方程。

解 (1)系统的拉格朗日函数为

L=52ml2θ˙2−mgl(1−cos⁡θ)

(2) 拉格朗日方程为

5ml2θ¨+mglsin⁡θ=0

2.8 显含时间的单自由度拉格朗日量

一个单自由度的拉格朗日量为

L=q˙2sin2⁡t+qq˙sin⁡2t+q2

其中 q˙ 表示 q 对时间 t 的导数。列出并求解拉格朗日方程。

解 拉氏量

L=q˙2sin2⁡t+2qq˙sin⁡tcos⁡t+q2cos2⁡t+q2sin2⁡t=(q˙sin⁡t+qcos⁡t)2+q2sin2⁡t=[ddt(qsin⁡t)]2+q2sin2⁡t

取新的广义坐标

Q=qsin⁡t

则

L=Q˙2+Q2

注意势能项的符号与简谐振子相反。运动方程为

Q¨−Q=0

通解为 Q=Aet+Be−t。用原广义坐标表示,得到

q(t)=Aet+Be−tsin⁡t
note:原坐标方程与换元的适用区间

直接在原坐标中计算,可得

sin2⁡tq¨+sin⁡2tq˙−2sin2⁡tq=0

在 sin⁡t≠0 的区间,等价于 q¨+2cot⁡tq˙−2q=0。
原解的换元 Q=qsin⁡t 及通解公式适用于不跨越 t=nπ 的区间。若要求解穿过这些时刻,需另行检查有限性与光滑性,不能直接把奇异点约去。

2.9 细线穿珠:保留笛卡尔坐标的约束问题

质量为 m 的珠子穿在长为 10l 的细线上,能无摩擦地滑动。线的两端分别固定在同一高度的 A,B 两点,两点相距 6l。忽略细线的质量,珠子运动过程中,珠子与 A,B 两点之间的细线始终绷直,如图。

若珠子运动并不限制只在竖直平面内,以珠子能静平衡的位置为坐标原点建立直角坐标系 Oxyz,z 轴竖直向上,选取珠子的三维坐标 (x,y,z) 为广义坐标。
拉格朗日例题 第 9 题原图转换Source DOCX DrawingML geometry and labels; transforms flattened for portable rendering, shadows omitted.mAB

  1. 写出广义坐标满足的约束关系 f(x,y,z)=0。
  2. 写出尚未处理约束关系时系统的拉格朗日函数 L(x,y,z,x˙,y˙,z˙,t)。
  3. 给出以 (x,y,z) 为广义坐标时,珠子满足的拉格朗日方程组。

解 (1) 以下取 x 轴平行于 AB、y 轴水平且垂直于 AB,则原文给出的约束为椭球方程:

f(x,y,z)=x2(5l)2+y2+(z−4l)2(4l)2−1=0

(2)拉格朗日函数。

L(x,y,z,x˙,y˙,z˙,t)=12m(x˙2+y˙2+z˙2)−mgz.

(3)方程组。记约束为 f(x,y,z)=0(同第(1)问)。未处理约束的拉格朗日量为 12m(x˙2+y˙2+z˙2)−mgz,引入乘子 λ(t) 后,拉格朗日方程为

ddt∂L∂q˙i−∂L∂qi=λ∂f∂qi,i=x,y,z,

其中

∂f∂x=2x25l2,∂f∂y=2y16l2=y8l2,∂f∂z=2(z−4l)16l2=z−4l8l2

即

{mx¨=2λx25l2,my¨=λy8l2,mz¨=−mg+λ(z−4l)8l2,x225l2+y2+(z−4l)216l2=1.

其中 λ(t) 为待定的拉格朗日乘子,需与运动方程联立求解;约束力即 λ∇f,其具体形式取决于所取的 f(参见 §1.3.3)。

note:约束面的几何

由 |PA|+|PB|=10l、|AB|=6l,约束面是以 A,B 为焦点的旋转椭球面:长半轴为 5l,短半轴为 52−32l=4l。因 AB 水平,绕 AB 的横截面是半径 4l 的圆。取静平衡点(椭球最低点)为原点后,椭球中心位于 z=4l,故出现 (z−4l) 项。