最小作用の原理とは
最小作用の原理とは、ある条件下で実際に起こる運動は、作用積分が停留値を持つような運動であることを示したものです。本記事では、最小作用の原理の定式化とその導出方法について説明します。
作用積分 $S$ は運動エネルギー $K$ の時間積分として定義されます。
$$S\equiv\int_{t1}^{t2}2Kdt$$
最小作用の原理は、作用積分がある条件下で停留値を持つ条件として表されます。ある条件下とは、質点系が保存力による作用を受けている場合で、最初の状態から最後の状態に移る過程で束縛条件に従う運動です。
$$\delta S=\delta\int_{t1}^{t2}2Kdt=0$$
最小作用の原理を導く
ここでは、18世紀にモーペルテュイにより見出された手順に沿って進めます。まず、以下を仮定します。
$$K’=K+\delta K -①$$$$x’=x+\delta x -②$$$$t’=t+\delta t -③$$$$dt’=dt+d(\delta t) -④$$
さらに④より、
$$\frac{dt}{dt’}=\frac{dt}{dt+d(\delta t)}=\Big(1+\frac{d(\delta t)}{dt}\Big)^{-1}$$$$\cong1-\frac{d(\delta t)}{dt} -⑤$$
作用積分の微小変位に①と④を代入して、$\delta$ の２乗の項を無視すると、
$$\delta S\equiv\int_{t1}^{t2}2K’dt’-\int_{t1}^{t2}2Kdt$$$$=\int_{t1}^{t2}2Kd(\delta t)+\int_{t1}^{t2}2(\delta K)dt -⑥$$
以下、$\delta S=0$ となることを示します。
⑥を計算する
速度の微小変位を計算します。②と⑤を使い、$\delta$ の２乗の項を無視すると、
$$\delta\dot{x}=\frac{dx’}{dt’}-\frac{dx}{dt}=\frac{d(x+\delta x)}{dt}\frac{dt}{dt’}-\frac{dx}{dt}$$$$=-\frac{dx}{dt}\frac{d(\delta t)}{dt}+\frac{d(\delta x)}{dt}$$
従って、
$$\delta\dot{\bf r}=-\dot{\bf r}\frac{d(\delta t)}{dt}+\frac{d(\delta{\bf r})}{dt}$$
運動エネルギーは、${\ r}=(x,y,z)$ とすると $K=m\dot{{\bf r}}^2/2$ であるため、微小変位を取ると以下になります。
$$\delta K=m\dot{{\bf r}}\cdot(\delta\dot{{\bf r}})=-m\dot{{\bf r}}^2\frac{d(\delta t)}{dt}+m\dot{{\bf r}}\cdot\left(\frac{d(\delta {\bf r})}{dt}\right)$$
この式の時間積分を行い、第２項の部分積分を行います。
$$\int_{t1}^{t2}\delta Kdt=-\int_{t1}^{t2}2Kd(\delta t)$$$$+\Big[m\dot{{\bf r}}\cdot(\delta{\bf r})\Big]_{t1}^{t2}-\int_{t1}^{t2}m\ddot{{\bf r}}\cdot(\delta{\bf r})dt$$
始点と終点では微小変位は0であるため、第２項は０になります。第３項は保存力 $F$ を使って書き換えると、
$$\int_{t1}^{t2}\delta Kdt=-\int_{t1}^{t2}2Kd(\delta t)-\int_{t1}^{t2}{\bf F}\cdot(\delta{\bf r})dt$$
第３項は保存力による仕事を表しますが、これは位置エネルギー $V$ の減少であり、運動エネルギーの増加を表します。つまり、${\bf F}\cdot(\delta{\bf r})=-\delta V=\delta K$ を代入して整理すると以下になります。
$$\int_{t1}^{t2}2\delta Kdt+\int_{t1}^{t2}2Kd(\delta t)=0$$
これにより、$\delta S=0$ となることが得られます。
