变分法简介

1§1变分法简介作为数学的一个分支，变分法的诞生，是现实世界许多现象不断探索的结果，人们可以追寻到这样一个轨迹：约翰·伯努利（JohannBernoulli，1667－1748）1696年向全欧洲数学家挑战，提出一个难题：“设在垂直平面内有任意两点，一个质点受地心引力的作用，自较高点下滑至较低点，不计摩擦，问沿着什么曲线下滑，时间最短？”这就是著名的“最速降线”问题（TheBrachistochroneProblem）。它的难处在于和普通的极大极小值求法不同，它是要求出一个未知函数（曲线），来满足所给的条件。这问题的新颖和别出心裁引起了很大兴趣，罗比塔（GuillaumeFrancoisAntoniedel'Hospital1661-1704）、雅可比·伯努利（JacobBernoulli1654-1705）、莱布尼茨（GottfriedWilhelmLeibniz,1646-1716）和牛顿（IsaacNewton1642—1727）都得到了解答。约翰的解法比较漂亮，而雅可布的解法虽然麻烦与费劲，却更为一般化。后来欧拉（EulerLonhard，1707～1783）和拉格朗日(Lagrange,JosephLouis，1736-1813)发明了这一类问题的普遍解法，从而确立了数学的一个新分支——变分学。有趣的是，在1690年约翰·伯努利的哥哥雅可比·伯努利曾提出著名的悬链线问题(TheHangingChainProblem)向数学界征求答案，即，固定项链的两端，在重力场中让它自然垂下，问项链的曲线方程是什么。在大自然中，除了悬垂的项链外，我們还可以观察到吊桥上方的悬垂钢索，挂着水珠的蜘蛛网，以及两根电线杆之间所架设的电线，这些都是悬链线（catenary）。伽利略（Galileo,1564～1643）比贝努利更早注意到悬链线，他猜测悬链线是抛物线，从外表看的确象，但实际上不是。惠更斯（Huygens,1629～1695）在1646年（当时17岁），经由物理的论证，得知伽利略的猜测不对，但那时，他也求不出答案。到1691年，也就是雅可比·伯努利提出悬链线问题的第二年，莱布尼兹、惠更斯（以62岁）与约翰·伯努利各自得到了正确答案，所用方法是诞生不久的微积分，具体说是把问题转化为求解一个二阶常微分方程解此方程并适当选取参数，得)(21axaxeeay（1）即为悬链线。悬链线问题本身和变分法并没有关系，然而这和最速降线问题一样都是贝努利兄弟间的相互争强好胜、不断争吵的导火索，虽然雅可比·贝努利在解决悬链线问题时略占下风，但他随后所证明的“悬挂于两个固定点之间的同一条项链，在所有可能的形状中，以悬链线的重心最低，具有最小势能”，算是扳回了一局，俩兄弟扯平了！之所以提到悬链线问题，有两方面考虑，其一，这是有关数学史上著名的贝努利家族内的一个趣闻，而这是一个在变分法乃至整个数学物理领域有着巨大贡献的家族，其二，有关悬链线的得几个结论，可以用变0)0()0()(10222yyydxdyadxyd2分法来证明！现实中很多现象可以表达为泛函极小问题，我们称之为变分问题。求解方法通常有两种：古典变分法和最优控制论。我们这儿要介绍的基本属于古典变分法的范畴。1.1变分法的基本概念1.1.1泛函的概念设S为一函数集合，若对于每一个函数Stx)(有一个实数J与之对应，则称J是定义在S上的泛函，记作))((txJ。S称为J的容许函数集。例如，在],[10xx上光滑曲线y(x)的长度可定义为1021xxdxyJ（2）考虑几个具体曲线，取1,010xx，若xxy)(，则10211)())((dxxJxyJ若y(x)为悬链线，则101012224)(1)2(eedxeedxeeeeJxxxxxx对应],[101xxC中不同的函数y(x)，有不同曲线长度值J，即J依赖于y(x)，是定义在函数集合],[101xxC上的一个泛函，此时我们可以写成))((xyJJ我们称如下形式的泛函为最简泛函fttdttxtxtFtxJ0))(),(,())((（3）被积函数F包含自变量t，未知函数x(t)及导数x(t)。上述曲线长度泛函即为一最简泛函。1.1.2泛函极值问题考虑上述曲线长度泛函，我们可以提出下面问题：在所有连接定点),(),(1100yxByxA和的平面曲线中，试求长度最小的曲线。即，求1100101)(,)(],,[)()()(yxyyxyxxCxyxyxy，使1021))((xxdxyxyJ取最小值。此即为泛函极值问题的一个例子。以极小值为例，一般的泛函极值问题可表述为，称泛函))((txJ在Stx)(0取得极小值，如果对于任意一个与)(0tx接近的Stx)(，都有))(())((0txJtxJ。所谓接近，可以用距离))(),((0txtxd来度量，而距离可以定义为|})()(||,)()({|max))(),((0000txtxtxtxtxtxdfttt3泛函的极大值可以类似地定义。其中)(0tx称为泛函的极值函数或极值曲线。1.1.3泛函的变分如同函数的微分是增量的线性主部一样，泛函的变分是泛函增量的线性主部。作为泛函的自变量，函数)(tx在)(0tx的增量记为)()()(0txtxtx也称函数的变分。由它引起的泛函的增量记作))(())()((00txJtxtxJJ如果J可以表为))(),(())(),((00txtxrtxtxLJ其中L为x的线性项，而r是x的高阶项，则称L为泛函在)(0tx的变分，记作))((0txJ。用变动的)(tx代替)(0tx，就有))((txJ。泛函变分的一个重要形式是它可以表为对参数的导数：0))()(())((txtxJtxJ（4）这是因为当变分存在时，增量)),(()),(())(())((xtxrxtxLtxJxtxJJ根据L和r的性质有)),(()),((xtxLxtxL0)),((lim)),((lim00xxxtxrxtxr所以)()(lim)(00xJxxJxxJ)(),(),(),(lim0xJxxLxxrxxL1.2泛函极值的相关结论1.2.1泛函极值的变分表示利用变分的表达式（4），可以得到有关泛函极值的重要结论。泛函极值的变分表示：若))((txJ在)(0tx达到极值（极大或极小），则0))((0txJ（5）证明：对任意给定的x，)(0xxJ是变量的函数，该函数在0处达到极值。根据函数极值的必要条件知40)(00xxJ再由（4）式，便可得到（5）式。变分法的基本引理：],[)(21xxCx，],[)(211xxCx，0)()(21xx，有210)()(xxdxxx，则],[,0)(21xxxx。证明略。1.2.2泛函极值的必要条件考虑最简泛函（3），其中F具有二阶连续偏导数，容许函数类S取为满足端点条件为固定端点（6）的二阶可微函数。00)(xtx，ffxtx)(（6）泛函极值的必要条件：设泛函（3）在x(t)∈S取得极值，则x(t)满足欧拉方程0xxFdtdF（7）欧拉方程推导：首先计算（3）式的变分：0))()((txtxJJfttdttxtxtxtxtF00))()(),()(,(fttxxdtxxxtFxxxtF0]),,(),,([对上式右端第二项做分布积分，并利用0)()(0ftxtx，有ffttxttxxdtxxtFdtddtxxxtF00),,(),,(，所以fttxxxdtFdtdFJ0][利用泛函极值的变分表示，得0][0fttxxxdtFdtdF因为x的任意性，及0)()(0ftxtx，由基本引理，即得（7）。（7）式也可写成0xFxFFFxxxxxtx（8）通常这是关于x(t)的二阶微分方程，通解中的任意常数由端点条件（6）确定。1.2.3几种特殊形式最简泛函的欧拉方程(i)F不依赖于x，即),(xtFF5这时0xF，欧拉方程为0),(xtFx，这个方程以隐函数形式给出)(tx，但它一般不满足边界条件，因此，变分问题无解。(ii)F不依赖x，即),(xtFF欧拉方程为0),(xtFdtdx将上式积分一次，便得首次积分1),(cxtFx，由此可求出),(1ctx，积分后得到可能的极值曲线族dtctx1,(iii)F只依赖于x，即)(xFF这时0,0,0xxxtxFFF，欧拉方程为0xxFx由此可设0x或0xxF，如果0x，则得到含有两个参数的直线族21ctcx。另外若0xxF有一个或几个实根时，则除了上面的直线族外，又得到含有一个参数c的直线族cktx，它包含于上面含有两个参数的直线族21ctcx中，于是，在)(xFF情况下，极值曲线必然是直线族。（iv）F只依赖于x和x，即),(xxFF这时有0xtF，故欧拉方程为0xxxxxFxFxF此方程具有首次积分为1cFxFx事实上，注意到F不依赖于t，于是有0)()(xxxxxxxFdtdFxFdtdxFxxFxFFxFdtd。1.3几个经典的例子1.3.1最速降线问题最速降线问题设A和B是铅直平面上不在同一铅直线上的两点，在所有连结A和B的平面曲线中，求一曲线，使质点仅受重力作用，初速度为零时，沿此曲线从A滑行至B的时间最短。解将A点取为坐标原点，B点取为B(x1,y1)，如图1。根据能量守恒定律，质点在曲6线)(xy上任一点处的速度dtds满足（s为弧长）A(0,0)xmgydtdsm221将dxxyds)('12代入上式得B(x1,y1)dxgyydt2'12y图1最速降线问题于是质点滑行时间应表为)(xy的泛函dxgyyxyJx2022'1))((端点条件为11)(,0)0(yxyy最速降线满足欧拉方程，因为yyyyF2'1)',(不含自变量x，所以方程（8）可写作0''''''yFyFFyyyyy等价于0)'('yFyFdxd作一次积分得12)'1(cyy令,2'ctgy则方程化为)cos1(22sin'112121ccycy又因dcctgdcydydx)cos1(222cos2sin'11积分之，得2)sin(2ccx7由边界条件0)0(y，可知02c，故得).cos1(2)sin(211cycx这是摆线（园滚线）的参数方程，其中常数1c可利用另一边界条件11(yxy）来确定。1.3.2最小旋转面问题最小旋转面问题对于xy平面上过定点),(11yxA和),(22yxB的每一条光滑曲线)(xy，绕x轴旋转得一旋转体。旋转体的侧面积是曲线)(xy的泛函))((xyJ，易得dxxyxyxyJxx)('1)(2))((212容许函数集可表示为2211211)()(][)()(yx,yyx,y,xxCx|yxyS解因1yyF不包含x，故有首次积分122''1'''1'cyyyyyyFyFy化简得21'1ycy令shty'，代入上式，chtctshcy1211由于dtcshtshtdtcydydx11'积分之，得21ctcx消去t，就得到121ccxchcy。这是悬链线方程，适当选择条件（令该悬链线过（0，1/a