变分法是泛函极值问题的研究方法。与常规微积分中对函数 f(x)f(x)f(x) 求极值的不同,变分法的自变量是函数,而目标是找到使某个泛函取极值的函数。
一、变分法的基本设定
1.1 变分法的定义
变分法(Calculus of Variations)研究的是泛函的极值问题。泛函是一种将函数映射为实数的映射。与普通的函数极值问题不同,变分法的目标是找到一个函数,使得某个泛函达到极值。
变分法的基本思想来源于物理学中的最小作用原理,它通常用于求解描述物理系统行为的方程(例如,力学、电磁学等中的运动方程)。变分法最早由欧拉(Euler)和拉格朗日(Lagrange)提出,并成为经典力学中拉格朗日力学的基础。
1.2 变分法的具体设定
设 ( y \in C^1([a,b]) ),且满足固定端点条件:
y(a)=ya,y(b)=yb. y(a) = y_a, \quad y(b) = y_b. y(a)=ya,y(b)=yb.
考虑一个形式为:
J[y]=∫abL(x,y(x),y′(x))dx, J[y] = \int_a^b L(x, y(x), y'(x)) dx, J[y]=∫abL(x,y(x),y′(x))dx,
的泛函,其中拉格朗日量 ( L:[a,b]×R×R→RL: [a,b] \times \mathbb{R} \times \mathbb{R} \to \mathbb{R}L:[a,b]×R×R→R ) 是关于三个变量的 (C2C^2C2 ) 函数。
问题:在所有满足边界条件的函数 yyy 中,哪一个(些)使得 J[y]J[y]J[y] 取得极值(极小或极大)?
二、变分与一阶必要条件
设 yˉ(x)\bar{y}(x)yˉ(x) 是 J[y]J[y]J[y] 的极值函数。考虑其邻近函数:
yε(x)=yˉ(x)+εη(x), y_\varepsilon(x) = \bar{y}(x) + \varepsilon \eta(x), yε(x)=yˉ(x)+εη(x),
其中 ε∈R\varepsilon \in \mathbb{R}ε∈R 是小参数,η∈C1([a,b])\eta \in C^1([a,b])η∈C1([a,b]) 是任意变分函数,并满足 η(a)=η(b)=0\eta(a) = \eta(b) = 0η(a)=η(b)=0,保持端点固定。
定义复合函数:
Φ(ε):=J[yε]=∫abL(x,yˉ+εη,yˉ′+εη′)dx. \Phi(\varepsilon) := J[y_\varepsilon] = \int_a^b L(x, \bar{y} + \varepsilon \eta, \bar{y}' + \varepsilon \eta') dx. Φ(ε):=J[yε]=∫abL(x,yˉ+εη,yˉ′+εη′)dx.
若 yˉ\bar{y}yˉ 是极值点,则 Φ(ε)\Phi(\varepsilon)Φ(ε) 在 ε=0\varepsilon = 0ε=0 处取极值,故一阶导数为零:
Φ′(0)=0. \Phi'(0) = 0. Φ′(0)=0.
计算导数:
Φ′(ε)=∫ab(∂L∂yη+∂L∂y′η′)dx, \Phi'(\varepsilon) = \int_a^b \left( \frac{\partial L}{\partial y} \eta + \frac{\partial L}{\partial y'} \eta' \right) dx, Φ′(ε)=∫ab(∂y∂Lη+∂y′∂L<

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