变分法概览

参考:变分法简介Part 1.(Calculus of Variations) - 知乎 (zhihu.com)变分法简介Part 2.(Calculus of Variations) - 知乎 (zhihu.com)

1.泛函数

泛函数指的是以函数集为原集,数集为像集的函数。 e.g.

Ieg(y)=y(x0),   where x0=Const.

对于一个给定的函数y(x),泛函数I(y)给出一个数值。另一种常见的泛函数为

I(y)=x1x2F(y,y;x)dx

这里 F(y,y;x) 意为 Fy,y 的函数,而 yx 的函数。

2.变分

令:

y~(x,ϵ)y(x)+ϵη(x)
I~I(y~)=I(y+ϵη)=I(y)+ϵI(y~)ϵ+o(ϵ)

我们记 I 的一阶变分为

δI=ϵI(y~)ϵ

显然对 Ieg=y(x0)δI=ϵη(x0)

注意:不会出现形如 δI=αδy 的表达式, 因为对于Ixx1取到x2,而对于yx为某一固定的x0

3.欧拉-拉格朗日方程

下面考察泛函数 I(y)=x1x2F(y,y;x)dx 的极值问题。显然 I(y) 取到极值时,δI=0. 我们有:

δI=ϵI(y~)ϵ=ϵx1x2ϵF(y~,y~;x)dx=ϵx1x2(y~y~ϵ+y~y~ϵ)F(y~,y~;x)dx

显然有

y~=y+ϵη    y~ϵ=ηy~=y+ϵη    y~ϵ=η

带入得

δI=ϵx1x2(ηy~+ηy~)F(y~,y~;x)dx

由上节知:对 Ieg=y(x0)δI=ϵη(x0),此即 δy=ϵη;同理有δy=ϵη. 代入得:

δI=x1x2(δyy~+δyy~)F(y~,y~;x)dx

ϵ0, y~0,带入得

δI=x1x2(δyy+δyy)F(y,y;x)dx

对上式的第二项经行分部积分

0=δI=x1x2(δyFy+δyFy)dx=x1x2δyFydxx1x2δyddxFydx+(δyFy)|x1x2=x1x2δy(FyddxFy)dx+(δyFy)|x1x2

若我们有边界条件:

(δyFy)|x1 or x2=0

在根据 ϵη(x) 的随意性可得

0=FyddxFy

是为欧拉-拉格朗日方程。

4.边界条件

由上节,边界条件为:

(δyFy)|x1 or x2=0
(Fy)|x1 or x2=0

5.更高阶的情况

I(y) 的表达式含 y 的更高阶导数时

I(y)=x1x2F(y,y,y,...;x)

此时有:

δI=x1x2(δyy+δyy+δyy+...)ydx

同理可以用分部积分获得其欧拉-拉格朗日方程以及边界条件。

6.拉格朗日乘子法求带约束的泛函极限

在有约束

J(y)=x1x2G(y,y,...;x)dx=Const.

下求如下泛函的极值

I(y)=x1x2F(y,y,...;x)dx=Const.

引入乘子 λ ,转换求如下新泛函的极值

I(y)=x1x2(F(y,y,...;x)+λG(y,y,...;x))dx

之后带入欧拉-拉格朗日方程,并上约束即可解得极值。

直观上理解,泛函的函数自变量相当于可数个数值自变量,那么对一般函数可以使用的拉格朗日乘子法对泛函也理应能用

7.例题

a. 证明两点间线段最短

记两点为 (x1,y1),(x2,y2)。两点坐标不会改变,对应Essential boundary condition。

L(y)=x1x21+(y)2dx Fy=0Fy=y1+(y)2

带入欧拉-拉格朗日方程

0=0ddxy1+(y)2 y1+(y)2=Const.i.e.      y=Const.

导数为定值,对应直线。

b.证明圆面是定长封闭曲线能围出的最大面积

先证明 (x1,y1),(x2,y2) 间的以定长曲线为上曲线的积分最大值在曲线为圆弧时去到。

A(y)=x1x2ydxL(y)=x1x21+(y)2dx=L=Const.

构造新函数:

I(x)=x1x2(y+λ1+(y)2)dx

代入欧拉-拉格朗日方程:

Fy=1Fy=λy1+(y)2 0=1ddxλy1+(y)2 y(1+(y)2)3/2=1λ

最后一个式子就是曲率为定值,即为圆弧。

8.泛函导数

定义泛函 I[y]=F(y,y,...;x)dx 的变分导数(或称泛函导数) δIδy 如下:

δI=I[y+δy]I[y]=(δIδy)δydx

显然泛函取极值时即为泛函导数 δIδy=0 时。