平坦な時空における相対論的な自由粒子の作用汎関数は
![{\displaystyle S_{X}[X,e]=\int L_{X}({\dot {X}},e)\,d\lambda }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/342469001fd1f5ab51a7ac09353bf24b4a31c6fe)
![{\displaystyle L_{X}({\dot {X}},e)={\frac {e}{2}}\left[e^{-2}{\dot {X}}^{\mu }{\dot {X}}_{\mu }(\lambda )-m^{2}c^{2}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/674e5642bdef30faf51def677bd9725a1490319f)
で書かれる[3]。ここで e はラグランジュ関数に導関数が含まれない補助変数である。パラメータ付替えの下で

と変換して、作用汎関数のパラメータ付替え不変性を保障する[3]。
力学変数 X に共役な運動量は

であり、運動方程式として
![{\displaystyle {\frac {\delta S_{X}[X,e]}{\delta X^{\mu }(\lambda )}}=-{\dot {P}}_{\mu }(\lambda )=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6d7f048a62b4ffdb73f6f5c85bf5d0883f831439)
が導かれて、自由粒子の運動量は保存する。
補助変数 e から導かれる拘束条件として質量殻条件
![{\displaystyle {\frac {\delta S_{X}[X,e]}{\delta e(\lambda )}}=-{\frac {1}{2}}\left[e^{-2}{\dot {X}}^{\mu }{\dot {X}}_{\mu }(\lambda )+m^{2}c^{2}\right]=-{\frac {1}{2}}\left[P^{2}(\lambda )+m^{2}c^{2}\right]=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/715bd26e2d80e75c3ce7601b66b1ca8242834dd3)
が得られる。質量 m がゼロでないときには

となって共役運動量は4元運動量に一致する[3]。
拘束条件を用いてラグランジュ関数から補助変数 e を消去すれば

であり、作用汎関数は
![{\displaystyle S_{X}[X]=-mc\int {\sqrt {-{\dot {X}}^{\mu }{\dot {X}}_{\mu }}}d\lambda =-mc^{2}\int d\tau }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/be4d10bc3009e63895d1e4647e4db30b2e3985fe)
となり、粒子が時空上に描く世界線の長さに比例する。
複数の粒子がある場合は、粒子を区別する添え字 i を導入し、各々の粒子の位置 Xi に対する作用汎関数を足し合わせることで相互作用のない自由粒子系の作用汎関数が得られる。すなわち
![{\displaystyle S_{X}[X,e]={\frac {1}{2}}\int \sum _{i\in I}\left[e_{i}^{-2}{\dot {X}}_{i}^{\mu }{\dot {X}}_{i\mu }-m_{i}^{2}c^{2}\right]e_{i}\,d\lambda }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/27cd05b353c9894d496bf285eea824d6d594066d)
である。補助変数 e は粒子 i ごとに導入される。拘束条件として各々の粒子ごとに質量殻条件が得られて、これを用いて補助変数を消去すれば
![{\displaystyle {\begin{aligned}S_{X}[X]&=-\sum _{i\in I}m_{i}c\int {\sqrt {-{\dot {X}}_{i}^{\mu }{\dot {X}}_{i\mu }}}d\lambda \\&=-\sum _{i\in I}m_{i}c^{2}\int d\tau _{i}\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3d88abe6b1e41210e8425d25adf0e44243a2fcb6)
となる。
曲がった時空においては時空点に依存する計量 g を導入して
![{\displaystyle L_{X}(X,{\dot {X}},e)={\frac {e}{2}}\left[e^{-2}g_{\mu \nu }(X){\dot {X}}^{\mu }{\dot {X}}^{\nu }(\lambda )-m^{2}c^{2}\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c8b4dd0987cec7c2cde4212d67c5d9fdd04b6f2e)
となる[3]。作用は計量を置き換えただけであり、平坦な時空の場合と変わらず拘束条件として質量殻条件が導かれる。
共役運動量は質量殻条件を用いれば

となり、運動方程式は
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\delta S[X,e]}{\delta X^{\mu }(\lambda )}}&={\frac {e^{-1}}{2}}\partial _{\mu }g_{\rho \nu }(X){\dot {X}}^{\rho }{\dot {X}}^{\nu }(\lambda )-{\dot {P}}_{\mu }(\lambda )\\&=-e^{-1}\varGamma _{\mu \rho \nu }(X){\dot {X}}^{\rho }{\dot {X}}^{\nu }(\lambda )-g_{\mu \nu }(X)\,{\dot {p}}^{\nu }(\lambda )\\&=0\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0ce8942d4afc24c26f3ea12a9f67072072a0b13b)

として測地線の方程式が導かれる。従って、曲がった時空における慣性力、あるいは重力の4元力は

となる。ここで Γ は接続係数
![{\displaystyle \varGamma _{\rho \nu }^{\mu }(x)={\frac {1}{2}}g^{\mu \sigma }\left[\partial _{\rho }g_{\nu \sigma }(x)+\partial _{\nu }g_{\rho \sigma }(x)-\partial _{\sigma }g_{\rho \nu }(x)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7d8c74ff5f156f668c4a6297dd602bf240574938)
である。
ベクトル場 A と最小結合の形で相互作用する粒子は、相互作用項が
![{\displaystyle S_{\text{int}}[X]=\int L_{\text{int}}(X,{\dot {X}})\,d\lambda }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5902383fc0dfedb4cefa59c4073dc2a33d46f73e)

で書かれる[3]。相互作用項は補助変数 e を含まないため拘束条件に影響せず、自由粒子の場合と変わらず質量殻条件が導かれる。
共役運動量は質量殻条件を用いれば

となり、自由粒子の4元運動量にベクトル場が加えられた形となる。
平坦な時空では運動方程式として
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\delta S[X]}{\delta X^{\mu }(\lambda )}}&=q\partial _{\mu }A_{\nu }(X){\dot {X}}^{\nu }(\lambda )-{\dot {P}}_{\mu }(\lambda )\\&=qF_{\mu \nu }(X){\dot {X}}^{\nu }(\lambda )-{\dot {p}}_{\mu }(\lambda )\\&=0\\\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4553e913da85aa939eec477717375260ed26c856)

が導かれる。ベクトル場が電磁場である場合は、これはローレンツ力であり、4元力は

となる。ここで F はベクトル場の強度

であり、電磁場の場合は電磁場テンソルに相当する。
曲がった時空での運動方程式は

となる。テンソル添字は時空の計量を用いて

により上げ下げされる。
スカラー場 V と相互作用する粒子の作用汎関数は
![{\displaystyle S[X,e]=\int L(X,{\dot {X}},e)\,d\lambda }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6f6e2da8bc379bc6492247f4cc8c6e0af5447cc5)
![{\displaystyle L(X,{\dot {X}},e)=L_{X}({\dot {X}},e)-emV(X)={\frac {e}{2}}\left[e^{-2}{\dot {X}}^{\mu }{\dot {X}}_{\mu }(\lambda )-m^{2}c^{2}-2mV(X)\right]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0b3a73c29374bbf29bd25aa74a89125e70e36020)
で書かれる。スカラー場は質量を

と変化させる[10]。
共役運動量は

となって、見掛けは自由粒子と同じであるが、拘束条件が
![{\displaystyle {\frac {\delta S[X,e]}{\delta e(\lambda )}}=-{\frac {1}{2}}\left[e^{-2}{\dot {X}}^{\mu }{\dot {X}}_{\mu }(\lambda )+m^{2}c^{2}+2mV(X)\right]=-{\frac {1}{2}}\left[P^{2}(\lambda )+M^{2}c^{2}\right]=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/effde0ae95d3ece2ed81b69fcedd7e4703ebbb37)
となるので、質量殻条件が修正される。拘束条件を用いて補助変数を消去すれば共役運動量は

となる。運動方程式として
![{\displaystyle {\frac {\delta S[X,e]}{\delta X^{\mu }(\lambda )}}=-eMc^{2}\partial _{\mu }M-{\dot {P}}_{\mu }(\lambda )=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2a1c2185d4b26f39a85ccf899b77b9dcb971bc1d)

が導かれる。