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 F 是 y,y′ 的函数,而 y 是 x 的函数。

2.变分

令:

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

我们记 I 的一阶变分为

δI=ϵ∂I(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I,x从x1取到x2,而对于y,x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=ϵ∂I(y~)∂ϵ=ϵ∫x1x2∂∂ϵF(y~,y~′;x)dx=ϵ∫x1x2(∂∂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=ϵ∫x1x2(η∂∂y~+η′∂∂y~′)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(δy∂∂y~+δy′∂∂y~′)F(y~,y~′;x)dx

当ϵ→0, y~→0,带入得

δI=∫x1x2(δy∂∂y+δy′∂∂y′)F(y,y′;x)dx

对上式的第二项经行分部积分

0=δI=∫x1x2(δy∂F∂y+δy′∂F∂y′)dx=∫x1x2δy∂F∂ydx−∫x1x2δyddx∂F∂y′dx+(δy∂F∂y′)|x1x2=∫x1x2δy(∂F∂y−ddx∂F∂y′)dx+(δy∂F∂y′)|x1x2

若我们有边界条件:

(δy∂F∂y′)|x1 or x2=0

在根据 ϵη(x) 的随意性可得

0=∂F∂y−ddx∂F∂y′

是为欧拉-拉格朗日方程。

4.边界条件

由上节,边界条件为:

(δy∂F∂y′)|x1 or x2=0
(∂F∂y′)|x1 or x2=0

5.更高阶的情况

当 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(δy∂∂y+δy′∂∂y′+δy″∂∂y″+...)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⇒ ∂F∂y=0∂F∂y′=y′1+(y′)2

带入欧拉-拉格朗日方程

0=0−ddxy′1+(y′)2⇒ y′1+(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:

∂F∂y=1∂F′∂y=λy′1+(y′)2⇒ 0=1−ddxλy′1+(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。