拉格朗日方程

拉格朗日方程，因约瑟夫路易斯拉格朗日而命名，是拉格朗日力学的主要方程，可以用来描述物体的运动，特别适用于理论物理的研究。拉格朗日方程的功能相等于牛顿力学中的牛顿第二定律。

拉格朗日方程：对于完整系统用广义坐标表示的动力方程，通常系指第二类拉格朗日方程,是法国数学家J.-L.拉格朗日首先导出的。

通常可写成：

，　(1)

式中T为系统用各广义坐标qj和各广义速度妜j所表示的动能；Qj为对应于qj的广义力;N(=3n-k)为这完整系统的自由度；n为系统的质点数；k为完整约束方程个数。

从虚位移原理可以得到受理想约束的质点系不含约束力的平衡方程，而动静法(达朗贝尔原理)则将列写平衡方程的静力学方法应用于建立质点系的动力学方程，将这两者结合起来，便可得到不含约束力的质点系动力学方程,这就是动力学普遍方程。而拉格朗日方程则是动力学普遍方程在广义坐标下的具体表现形式。

拉格朗日方程可以用来建立不含约束力的动力学方程，也可以用来在给定系统运动规律的情况下求解作用在系统上的主动力。如果要想求约束力，可以将拉格朗日方程与动静法或动量定理(或质心运动定理)联用。

通常，我们将牛顿定律及建立在此基础上的力学理论称为牛顿力学(也称矢量力学)，将拉格朗日方程及建立在此基础上的理论称为拉格朗日力学。拉格朗日力学通过位形空间描述力学系统的运动，它适合于研究受约束质点系的运动。拉格朗日力学在解决微幅振动问题和刚体动力学的一些问题的过程中起了重要的作用。

动力学普遍方程

将动静法与虚位移原理结合，就得到了动力学普遍方程：受有理想约束的质点系在运动过程中，其上所受的主动力和惯性力在质点系的任何虚位移上所做的虚功之和为零。

动力学普遍方程尽管被称之为方程，但在实际应用时，我们更应将它视为一个原理：动力学普遍原理，它指导我们列写动力学方程。

如果你能熟练应用虚位移原理，则动力学普遍方程的应用将是一个很熟识的过程：在考虑系统的主动力的同时再加入系统的惯性力，然后对该力系应用虚位移原理。

在实际应用中，当加入系统的惯性力时，常常要补充运动学方程：系统的速度、加速度之间的关系。

运用动力学普遍方程建立的独立的动力学方程的个数等于系统的自由度，这一点也是与虚位移原理相同。

一般而言，如果要建立系统在特殊位置的动力学关系，可以考虑应用动力学普遍方程。如果要建立系统在任意一般位置的动力学关系，则应考虑应用拉格朗日方程。

拉格朗日方程的一般形式是：式中T为用各广义坐标qi和广义速度 qi导表示的系统的动能；Qi为对应qi的广义力。方程式的个数等于系统的自由度N。保守系统中存在势函数V（q1，q2，…，qN；t)，则广义力距Q=?V/?qi，又因V中不含qi，即?V/?qi=0，

故完整保守系统的拉格朗日方程为：d/dt(?L/?qi)-(?L/?qi)=0（i=1，2，…，N)

在非保守体系中，广义力不能用Q=？V/?qi表示，此时应引入广义势能U的概念，Q=?U/?qi-d/dt x?U/(dqi/dt).带入一般形式可以得到非保守体系的拉格朗日方程。

式中L=T－U为拉格朗日函数，它等于系统的动势T与位势U之和。上式与变分问题中的欧拉方程形式相同，由此可导出哈密顿原理。