Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Будылин А.М. Вариационное исчисление. 2001., 50 стр

.pdf
Скачиваний:
60
Добавлен:
08.08.2013
Размер:
1.99 Mб
Скачать

Считая уравнение Эйлера выполненным и параметризуя контур интегрирования ∂D:

x = x(s) , y = y(s) , s [s1, s2] ,

приходим к равенствам

I

∂zx0

· ζdy − ∂zy0 · ζdx =

 

∂F

 

∂F

∂D

 

 

 

 

откуда в силу основной леммы

s2

∂zx0

· ds

∂zy0

· ds

ζ ds = 0 ,

Z

 

 

 

∂F

dy

 

∂F

 

dx

s1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

dy

 

∂F

 

dx

 

 

∂zx0

· ds

∂zy0

· ds

(5.21)

∂D= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если условия на границе охватывают лишь часть границы, то равенство

∂F · dy ∂F · dx = 0 ∂zx0 ds ∂zy0 ds

должно выполняться, очевидно, для оставшейся части границы. Отметим, что геометрически полученное условие означает, что вектор

∂F , ∂F ∂zx0 ∂zy0

является касательным к границе ∂D, т.к. вектор (y,˙ −x˙ ) ей перпендикулярен.

5.5.1.3. Волновое уравнение Рассмотрим струну, натянутую вдоль оси x и совершающую колебания в плоскости xu, перпендикулярно к оси x. Концы струны будем считать закрепленными в точках (0, 0) и (l, 0). Считая струну абсолютно

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения

Задачи на условный экстремум Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 71 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

упругой, найдем потенциальную энергию как работу сил деформации, идущую на растяжение, т.е.

l

l

V = τ

Z

 

1 + ux02 dx − l ≈ 2 Z

ux02 dx ,

 

 

 

 

τ

 

 

0

p

 

 

0

 

где τ — натяжение струны.

Кинетическая энергия струны выражается интегралом

T = 2 Z0

l

ρut02 dx ,

 

1

 

 

где ρ — (линейная) плотность струны.

Согласно вариационному принципу Гамильтона колебания u(x, t) струны на временном интервале [t1, t2] являются экстремалями функционала

 

 

 

 

t2

 

 

I = tZ1

(T − V ) dt ,

т.е. функционала

 

 

 

 

 

 

1

t2

 

l

 

I =

tZ1

Z0

(ρut02 − τux02) dxdt .

 

2

Уравнение Эйлера для данного функционала ведет к хорошо известному волно-

вому уравнению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2u

 

2u

 

 

 

 

 

 

ρut0

τux0 = 0

 

= a2

, a = r

τ

 

 

 

 

 

 

.

∂t

∂x

∂t2

∂x2

ρ

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей Динамика частиц Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 72 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

5.5.2. Экстремали тройного интеграла

5.5.2.1.Уравнение Эйлера Рассмотрим тройной интеграл

I = ZZZ F (x, y, z, u, ux0 , uy0 , uz0 ) dxdydz

(5.22)

D

 

по области D пространства xyz. Функция Лагранжа F считается дважды непрерывно дифференцируемой. Область D считается замкнутой и ограниченной, с границей, состоящей из конечного числа гладких замкнутых поверхностей, ориентированных стандартно (т.е. фиксируется внешняя сторона поверхности).

Нас интересует дифференциальное уравнение, которому должна удовлетворять дважды непрерывно дифференцируемая функция u(x, y, z), доставляющая интегралу (5.22) экстремальное значение. Предполагается, что функция u принимает на границе области ∂D заданные значения:

u(x, y, z) = f(x, y, z) , (x, y, z) ∂D . (5.23)

∂D

Как и ранее, будем считать, что u(x, y, z) — функция, доставляющая решение поставленной задаче, и введем однопараметрическое семейство функций сравнения

U(x, y, z) = u(x, y, z) + tυ(x, y, z) ,

где вариация функции υ является непрерывно дифференцируемой функцией, удовлетворяющей нулевым граничным условиям

υ(x, y, z) = 0 . (5.24)

∂D

Заменяя u в интеграле на U, приходим к функции одной вещественной переменной

ZZ

I(t) = F (x, y, z, U, Ux0 , Uy0 , Uz0 ) dxdydz

D

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения

Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 73 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

с условием экстремальности при t = 0:

I0(0) = 0 .

Согласно теореме дифференцирования интеграла, зависящего от параметра

 

 

I0(t) = ZZZ ∂U

· υ + ∂Ux0

· υx0 + ∂Uy0

· υy0 + ∂Uz0 · υz0 dxdydz .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При t = 0 получаем равенство

 

· υx0 + ∂uy0

· υy0 + ∂uz0 · υz0

dxdydz = 0 .

 

 

 

 

ZZZ ∂u · υ +

∂ux0

 

(5.25)

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Воспользуемся формулой Гаусса–Остроградского

 

 

 

 

 

 

ZZZ

 

∂x +

∂y +

 

∂z

 

 

dxdydz = ZZ P dydz + Q dxdz + R dxdy .

 

 

 

 

 

∂P

∂Q

∂R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

∂x

∂ux0 · υ

+ ∂y ∂uy0

· υ

 

 

 

∂uz0

· υ dxdydz

 

ZZZ

+ ∂z

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ZZ

 

∂ux0

· υ dydz + ∂uy0

· υ dxdz + ∂uz0

· υ dxdy ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

∂F

 

∂D

откуда в силу нулевых граничных условий для функции υ (что обращает в ноль

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа Приложения Обобщения

Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 74 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

интеграл по границе области)

 

∂uz0 · υz0

dxdydz

 

 

 

 

 

 

 

 

ZZZ

∂ux0

· υx0 +

 

∂uy0

· υy0 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

= − ZZZ ∂x

∂ux0

+

∂y

∂uy0

+ ∂z

∂uz0

· υ dxdydz .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

 

 

∂F

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Учет последнего равенства в (5.25) ведет к равенству

· υ dxdydz = 0 ,

 

 

ZZ

∂u

∂x ∂ux0

∂y

∂uy0

∂z

∂uz0

 

 

 

 

 

∂F

 

 

 

∂F

 

 

 

 

 

∂F

 

 

∂F

 

 

 

 

 

D

и, в силу основной леммы (ввиду произвольности υ), — к уравнению Эйлера

 

∂F

 

∂F

 

∂F

 

 

∂F

= 0 .

(5.26)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂u

∂x

∂ux0

∂y

∂uy0

∂z

∂uz0

5.5.2.2. Естественное условие на

границе

Расширяя результат предыдущего

пункта на случай отсутствия условий на границе области, приходим к равенствам

ZZ

∂F

· υ dydz +

∂F

· υ dxdz +

∂F

· υ dxdy

 

 

 

 

 

∂ux0

∂uy0

∂uz0

 

 

 

 

 

∂D

 

 

 

= ZZ

 

∂F

 

∂F

 

 

∂F

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· cos α +

 

· cos β +

 

· cos γ

υ dS = 0 ,

 

 

 

 

 

∂ux0

∂uy0

∂uz0

 

 

 

 

∂D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда в силу основной леммы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂F

cos α +

∂F

∂F

· cos γ ∂D= 0 .

(5.27)

 

 

∂ux0 ·

∂uy0 · cos β + ∂uz0

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 75 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

6.Задачи на условный экстремум

6.1. Изопериметрическая задача

6.1.1. Простейшая изопериметрическая задача

Пусть кривая y = y(x) с фиксированными концами

y(x1) = y1 , y(x2) = y2 ,

является решением следующей задачи. Интеграл

x2

Z

I = F (x, y, y0) dx

x1

достигает на этой кривой своего минимального (максимального) значения, причем

интеграл

x2

Z

J = G(x, y, y0) dx

x1

обладает заранее заданным значением. Функции F, G и y считаются дважды непрерывно дифференцируемыми. Какому дифференциальному уравнению должна удовлетворять кривая y?

В отличие от предыдущих задач при варьировании функции y, считая, что функция y удовлетворяет поставленной задаче, не достаточно однопараметрического семейства, поскольку изменение одного единственного параметра будет, вообще говоря, изменять интеграл J.

Итак, введем двухпараметрическое семейство

Y (x) = y(x) + t1η1(x) + t2η2(x) ,

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 76 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

где η1 , η2 — непрерывно дифференцируемые функции, причем

η1(x1) = η1(x2) = η2(x1) = η2(x2) = 0 .

Нулевые граничные условия на вариации η1 , η2 обеспечивают выполнение равенств

Y (x1) = y1 , Y (x2) = y2 .

Замещая y на Y в интегралах I и J, получаем две функции от двух вещественных переменных каждая:

x2

Z

I(t1, t2) = F (x, Y, Y 0) dx ,

x1 x2

Z

J(t1, t2) = G(x, Y, Y 0) dx ,

x1

где, как всегда, Y 0 = y0 + t1η10 + t2η20 , функции η1 , η2 — фиксированы. Ясно, что параметры t1 и t2 не являются независимыми, т.к. интеграл J сохраняет постоянное значение:

J(t1, t2) = J0 = Const .

Вместе с тем при t1 = t2 = 0 интеграл I достигает своего экстремального значения. Мы видим, что поставленная выше задача на экстремум функции I(t1, t2) при условии постоянства функции J(t1, t2) является типичной задачей на условный экс-

тремум.

Согласно методу Лагранжа решения задач на условный экстремум введем функцию Лагранжа

x2

 

K(t1, t2, λ) = I(t1, t2) + λJ(t1, t2) = xZ1

H(x, Y, Y 0) dx ,

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа Приложения

Обобщения

Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 77 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

где H = F + λG. Переменная λ называется множителем Лагранжа. Правило множителей Лагранжа утверждает, что экстремальные значения исходной задачи на условный экстремум являются решениями системы:

 

 

 

 

 

 

 

 

∂K

= 0 ,

 

 

 

∂K

= 0 , J = J0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂t1

 

 

 

 

 

∂t2

 

 

 

 

 

 

 

Вычисляя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

 

 

 

∂K

= Z

h

∂H

 

∂Y

∂H

 

∂Y

i

dx = Z

h

∂H

 

∂H

 

 

 

 

 

·

 

 

+

 

 

·

 

0

 

· ηj +

 

· ηj0

dx ,

 

∂tj

∂Y

∂tj

∂Y 0

∂tj

∂Y

∂Y 0

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

i

 

j = 1, 2; при t1 = t2 = 0 находим

x2

∂tj

t1=t2=0= Z

h

∂y

· ηj + ∂y0 · ηj0

dx = 0 .

∂K

x1

∂H

∂H

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Интегрируя по частям во вторых слагаемых и учитывая обращение в ноль внеинтегральных членов (в силу нулевых граничных условий для функций ηj), приходим к равенствам

x2

∂y

dx

 

∂y0

ηj dx = 0 .

Z

 

 

 

 

∂H

 

d

 

∂H

x1

h

 

 

 

 

 

i

В силу произвольности функций ηj эти равенства, по-сути, эквивалентны и согласно основной лемме введут к уравнению Эйлера–Лагранжа

∂H d ∂H = 0 . ∂y dx ∂y0

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения

Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 78 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

6.1.2. Прямые обобщения

6.1.2.1. Несколько условий В более общих изопериметрических задачах приходится искать экстремали функционала

x2

Z

I = F (x, y, y0) dx

x1

при условии, что интегралы

x2

Z

Jk = Gk(x, y, y0) dx , (k = 1, 2, . . . , n) ,

x1

сохраняют заданные значения. Вводя (n + 1)-параметрическое семейство функций

P

сравнения Y = y + tjηj, мы как и выше придем к уравнению Эйлера–Лагранжа

для функции Лагранжа

n

X

H = F + λkGk ,

k=1

зависящей от n множителей Лагранжа.

6.1.2.2. Свободные концы Если разрешить концам экстремалей передвигаться по заданным кривым, мы как и в безусловной вариационной задаче придем к условиям трансверсальности для каждого свободного конца, но, разумеется, относительно функции Лагранжа H, зависящей от множителей Лагранжа.

6.1.2.3. Несколько функций Наконец, имеется прямое обобщение для задач с несколькими искомыми функциями, ведущее к системе уравнений Эйлера– Лагранжа для функции Лагранжа H.

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 79 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

6.1.3. Задача Дидоны

6.1.3.1. Параметрическая форма Рассмотрим задачу об отыскании плоской замкнутой кривой заданной длины, ограничивающей наибольшую площадь. Сама постановка задачи диктует поиск таких кривых в параметрической форме

(

x = x(t) ,

y = y(t) .

t [t1, t2] ,

где

x(t1) = x(t2) = x1 , y(t1) = y(t2) = y2 .

Искомые кривые должны доставлять наибольшее значение интегралу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = 2 tZ1

(xy˙ − xy˙ ) dt ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при условии, что их длина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J = Z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

+ y˙2

dt

 

 

 

 

задана.

 

 

 

 

 

 

 

t1

p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Система уравнений Эйлера–Лагранжа имеет вид

 

 

 

 

∂H

d

 

∂H

= 0 ,

 

 

 

∂H

d

 

∂H

= 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∂x

dt

∂x˙

 

 

 

 

∂y

dt

∂y˙

где

 

 

 

 

 

 

xy˙ − xy˙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H =

 

 

+ λ

2 + y˙2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

Постановка некоторых . . .

Введение в вариационный метод

Уравнение Эйлера–Лагранжа

Приложения

Обобщения

Задачи на условный экстремум

Первое необходимое условие . . .

Семейства экстремалей

Динамика частиц

Проблема минимума . . .

Существование минимума . . .

Лемма Гейне-Бореля

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 80 из 197

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход