- •Глава 1. Введение.
- •§ 1.1 Вариация и ее свойства.
- •§ 1.2 Уравнение Эйлера.
- •§ 1.3 Функционалы вида
- •§ 1.4 Функционалы, зависящие от производных более высокого порядка
- •§ 1.5 Задача о брахистохроне.
- •§ 1.6 Задача Дидоны.
- •§2.2 Тензор дисторсии. Тензор деформаций.
- •§2.3 Тензор напряжений.
- •Глава 2.
- •§2.1 Тензор напряжения и деформации.
- •§2.4 Закон Гука.
- •§2.5 Тензор модулей упругости изотропной среды.
- •Глава 3. §3.1 Интегральные операторы в квантовой механике.
- •§3.2 Интегральный оператор канонического преобразования.
- •§3.3 Каноническое преобразование оператора.
- •§3.4 Унитарные инварианты в квантовой механике.
- •§3.5 Матричная форма задачи о линейном гармоническом осцилляторе (лго). Матричные элементы операторов в методе Шредингера и Гайзенберга (энергетическое представление).
- •§3.6 Уравнение Паули Мы писали волновое уравнение в виде
- •§3.7 Обменное взаимодействие
- •§3.8 Основное состояние атома гелия.
- •Факультатив
- •§1 Упругие волны в изотропной среде.
- •§2 Тензорная функция Грина волнового уравнения.
- •§3 Уравнение состояния квантового идеального газа. Обменные эффекты.
- •§4 Расчет параметров вырожденного электронного газа.
- •§5 Вырожденный Бозе-газ – квазиклассическое приближение.
- •§6 Плотность вероятности для энергии системы, описываемой каноническим распределением Гиббса.
- •§7 Аппроксимация Гауссовым законом распределения вероятностей для экстенсивного термодинамического параметра.
- •§8 Статистическое описание флуктуаций интенсивного термодинамического параметра.
- •§9 Случай нескольких термодинамических параметров.
- •§10 Многомерное Гауссово распределение.
- •§11 Расчёт флуктуаций термодинамических величин.
- •§12 Расчет термодинамических величин вырожденного Бозе-газа.
- •§13 Расчёт основных термодинамических величин фотонного газа.
- •§14 Метод (представление) Шредингера. Оператор эволюции и его свойства.
- •§15 Метод (представление) Гайзенберга. Уравнение движения для оператора.
- •§17 Уравнение Шредингера в матричной форме.
- •§18 Энергетическое представление в случае дискретного спектра: волновая функция, оператор и их свойства.
- •§19 Энергетическое представление в случае дискретного спектра: методы Шредингера и Гайзенберга.
- •§20 Операторы рождения и уничтожения в задаче о лго (линейном гармоническом осцилляторе).
- •§21 Свойства оператора рождения и уничтожения.
- •§22 Волновая функция в - представлении.
- •§23 Оператор f в - представлении.
- •§24 Операторы рождения и уничтожения частиц.
- •§25 Схема Юнга квантовой механики.
§ 1.1 Вариация и ее свойства.
Методы решения вариационных задач, т. е. задач на исследование функционалов на максимум и минимум, весьма сходны с методами исследования на максимум и минимум функций. Поэтому целесообразно напомнить кратко теорию максимума и минимума функций и параллельно ввести аналогичные понятия и доказать сходные теоремы для функционалов.
1. Переменная величина z называется функцией переменной величины х, что обозначается так: , если каждому значению х из некоторой области изменения х соответствует значение z, т. е. имеет место соответствие: числу х соответствует число z. Аналогично определяются и функции нескольких переменных. |
1. Переменная величина v называется функционалом, завися- зависящим
от функции
,
что обозначается так:
|
2. Приращением
Если х —
независимое переменное, то дифференциал
х совпадает с приращением
|
2. Приращением или вариацией
|
3. Функция непрерывной, если малому изменению х соответствует малое изменение функции . |
3. Функционал называется непрерывным, если малому изменению соответствует малое изменение функционала . |
Последнее определение нуждается в
уточнении и разъяснении, так как сейчас
же возникает вопрос, какие изменения
функции
,
являющейся аргументом функционала,
называются малыми или, что то же самое,
какие кривые
и
считаются мало отличающимися или
близкими.
Можно считать близкими функции
и
в
том случае, если модуль их разности
мал для всех значений х, для которых
задаются функции
и
,
т. е. считать близкими кривые, близкие
по ординатам.
Однако при таком определении близости кривых часто встречающиеся в приложениях функционалы вида
из-за наличия в подынтегральной функции
аргумента у' лишь в исключительных
случаях будут непрерывными. Поэтому во
многих случаях более естественно считать
близкими только те кривые, которые
близки по ординатам и по направлениям
касательных в соответствующих точках,
т. е. требовать, чтобы для близких кривых
не только модуль разности
был
бы мал, но, кроме того, был бы мал и модуль
разности
.
Иногда же оказывается необходимым считать близкими только те функции, для которых малы модули каждой из разностей:
,
,…,
В связи с этим приходится ввести следующие определения близости кривых и .
Кривые и близки в смысле близости нулевого порядка, если модуль разности мал.
Кривые и близки в смысле близости первого порядка, если модули разностей и малы.
Кривые и близки в смысле близости к-го порядка, если модули разностей
, ,…,
малы.
Н
а
рис. 6.1 изображены кривые, близкие в
смысле близости нулевого порядка, но
не близкие в смысле близости первого
порядка, так как ординаты
у них близки, а направления касательных
не близки. На рис. 6.2 изображены кривые,
близкие в смысле близости первого
порядка.
Из этих определений следует, что если кривые близки в смысле близости к-го порядка, то они тем более близки в смысле близости любого меньшего порядка.
Теперь мы можем уточнить понятие непрерывности функционала.
3`.Функция
непрерывна при
|
3`.Функционал
непрерывен при
….
При этом подразумевается, что функция берется из класса функций, на котором функционал определен. |
4. Линейной функцией называется функция
Линейная функция одной переменной имеет вид:
|
4. Линейным функционалом называется функционал
Примером линейного функционала является:
|
5. Если приращение функции
можно представить в виде
где
|
5. Если приращение функционала
можно представить в виде
где
|
Итак, вариация функционала — это главная, линейная по отношению к , часть приращения функционала.
При исследовании функционалов вариация играет такую же роль, какую играет дифференциал при исследовании функций.
Можно дать и другое, почти эквивалентное,
определение дифференциала функции и
вариации функционала. Рассмотрим
значение функции
при
фиксированном
х
и
и изменяющихся значениях параметра
.
При
получим приращенное значение функции
,
при
получим исходное значение функции
.
Нетрудно проверить, что производная от
по
при
равна
дифференциалу функции
в точке
.
Действительно, по правилу дифференцирования
сложной функции
Точно так же для функции нескольких переменных.
И для функционалов вида
или более сложных, зависящих от нескольких
неизвестных функций или от функций
нескольких переменных, можно определить
вариацию как производную от функционала
по
при
.
Итак, если существует вариация в смысле главной линейной части приращения функционала, то существует и вариация в смысле производной по параметру при начальном значении параметра, и оба эти определения эквивалентны.
Второе определение вариации несколько шире первого, так как существуют примеры функционалов, из приращения которых нельзя выделить главной линейной части, но вариация в смысле второго определения существует.
-
6. Дифференциал функции равен
6. Вариация функционала равна
Определение. Функционал
достигает на кривой
максимума, если значения функционала
на
любой близкой к
кривой
не больше, чем
,
то есть
.
Если
,
причем
только при
,
то говорят, что на кривой
достигается строгий максимум. Аналогично
определяется кривая
,
на которой реализуется минимум. В этом
случае
для всех кривых, близких к кривой
.
-
7. Теорема. Если дифференцируемая функция достигает максимума или минимума во внутренней точке области определения функции, то в этой точке
7. Теорема. Если функционал , имеющий вариацию, достигает максимума или минимума при , где
- внутренняя точка области определения
функционала, то при
,
Итак, на кривых, на которых достигается экстремум функционала, его вариация равна нулю.
Понятие экстремума функционала нуждается в уточнении. Говоря о максимуме или минимуме, точнее, об относительном максимуме или минимуме, мы имели в виду наибольшее или наименьшее значение функционала только по отношению к значениям функционала на близких кривых. Но, как было указано выше, близость кривых может быть понимаема различно, поэтому в определении максимума или минимума надо указывать, какого порядка близость имеется в виду.
Если функционал
достигает на кривой
максимума или минимума по отношению ко
всем кривым, для которых модуль разности
мал, т. е. по отношению к кривым, близким
к
в
смысле близости нулевого порядка, то
максимум или минимум называется сильным.
Если же функционал достигает на кривой максимума или минимума лишь по отношению к кривым , близким к в смысле близости первого порядка, т. е. по отношению к кривым, близким к не только по ординатам, но и по направлениям касательных, то максимум или минимум называется слабым.
Очевидно, что если на кривой
достигается
сильный максимум (или минимум), то подавно
достигается и слабый, так как если кривая
близка к
в
смысле близости первого порядка, то она
близка и в смысле близости нулевого
порядка. Однако возможно, что на кривой
достигается слабый максимум (минимум)
и в то же время не достигается сильный
максимум (минимум), т. е. среди кривых
,
близких к
как по ординатам, так и по направлению
касательных, может не быть таких, для
которых
(в случае минимума
),
а среди кривых
,
близких только по ординатам, но уже не
близких по направлению касательных,
могут найтись и такие, для которых
(в случае минимума
).
Заметим еще, что если на кривой
достигается экстремум, то не только
,
но и
,
где
—
любое семейство допустимых кривых,
причем при
и при
функция
должна соответственно превращаться в
и
.
Действительно,
является функцией
,
так как задание
определяет кривую семейства
,
а значит, определяет и значение функционала
.
Эта функция, по предположению, достигает экстремума при , следовательно, производная этой функции обращается в нуль при .
Итак, , однако эта производная, вообще говоря, уже не будет совпадать с вариацией функционала, но будет, как показано выше, обращаться в нуль одновременно с на кривых, реализующих экстремум функционала.
Все определения этого параграфа и основная теорема почти без всякого изменения переносятся на функционалы, зависящие от нескольких неизвестных функций
или зависящие от одной или нескольких функций многих переменных
,
Например, вариация
функционала
,
может быть определена или как главная
линейная по отношению к
часть
приращения
,
или как производная по параметру при начальном значении параметра
причем если при
функционал
достигает экстремума, то при
вариация
,
так как
является функцией
,
которая при
,
по предположению, достигает экстремума
и, следовательно, производная от этой
функции по
при
обращается в нуль,
или
.
