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.
对于一个给定的函数,泛函数给出一个数值。另一种常见的泛函数为
这里 意为 是 的函数,而 是 的函数。
2.变分
令:
我们记 的一阶变分为
显然对 ,
注意:不会出现形如 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 的极值问题。显然 取到极值时,. 我们有:
显然有
带入得
由上节知:对 ,,此即 ;同理有. 代入得:
当,带入得
对上式的第二项经行分部积分
若我们有边界条件:
在根据 的随意性可得
是为欧拉-拉格朗日方程。
4.边界条件
由上节,边界条件为:
5.更高阶的情况
当 的表达式含 的更高阶导数时
此时有:
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
下求如下泛函的极值
引入乘子 ,转换求如下新泛函的极值
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 。两点坐标不会改变,对应Essential boundary condition。
带入欧拉-拉格朗日方程
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 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。
构造新函数:
代入欧拉-拉格朗日方程:
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 的变分导数(或称泛函导数) 如下:
显然泛函取极值时即为泛函导数 时。