Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Варіаційне числення.doc
Скачиваний:
10
Добавлен:
15.11.2019
Размер:
3.9 Mб
Скачать

§7. Друге узагальнення найпростішої варіаційної задачі.

Екстремалі функціонала J[y1(x),y2 (x),…,ym (x)]=

= F(х,у12 ,...,уm , у'1 ,у'2,...,у'т)dх.

Розглянемо функціонал

J[у 1(х),у2(х), т(x)] = F(х,у1 , у2,,…т, , у'1 ,у'2,...,у'т)dх.

yk С(І)0,x1]; k = при граничних умовах: уk 0) = , k = .

Екстремалі цього функціоналу знаходяться як розв'язки системи диференційованих рівнянь другого порядку

Приклад 1. Знайти екстремалі функціонала

J[у(х),z(x)]= (у'2+z2+ z'2 )dx при граничних умовах:

у(1)=1, z(1) = 0,

у(2) = 2, z(2) =1.

Система рівнянь має вигляд:

F= у ' 2+z2+z '2

y=c1 x+c2.

z=c3 ex+c4 e-x.

3 граничних умов маємо: с1 = 1; с2 =0; с3 = ; с4 =

Шукана екстремаль: - просторова крива, яка є перетином двох

циліндричних поверхонь.

Приклад 2. Знайти екстремалі функціонала:

J[у(х),z(x)]= (2yz – 2y2 + y'2 - z'2 ) dx при граничних умовах:

у(0) = 0, у(π)=1,

z(0) =0, z(π) = -1.

Система рівнянь Ейлера має вигляд:

Виключивши z, маємо уІV + 2у" + у = 0.

Загальний розв'язок цього рівняння:

у(х) = c1 cosx + c2sinx + х(c3cosx + c4sinx).

Використовуючи граничні умови, одержимо сім'ю екстремалей

y = c2sinx – cosx,

z = c2sinx + (2sinx - xcosx),

с2 - довільна стала.

Задачі. Знайти екстремалі функціоналів:

1. J[у(х),z(x)]= (2z-4у2 +у' 2-z' 2)dх

y(0) = 0, у(π/4)=1,

z(0)=0, z(π/4)=1. В. у = sin2х, z =

2.J[у(х),z(x)]= (2ху-у' 2+ )dх

у(1)=0, у(-1) =2, z(1)= 1, z(-1) = -1. В.у=1/6(х2 + 5х - 6); z = х.

3. J[у(х),z(x)]= (y'2+z'2-2yz)dx

у(0) = 0, у(π/2)=1,

z(0) = 0, z(π/2)=1. B.

4. J[у(х),z(x)]= ( у'2 +z' 2+2у)dх

у(0)=1, у(1) = 3/2,

z(0) = 0, z(1)= 1. B.

Приклад 3. Знайти екстремалі функціоналу.

J[у(х),z(x)]= (ху1' 2 +у'22 + ху'1 у'2)dх 0 < а < b< 4.

Розв'язання. Оскільки F не містить явно у 1 і у2, то система рівнянь Ейлера

матиме вигляд

Звідси одержимо х(2y'1 + у'2 )= с1, xy'1 + 2у'2 = с2, тобто

Таким чином шуканими екстремалями є функції:

y1 = 1n(4 - x) + 1nх + с3,

у2 =(с1 -2с2)1n(4-х) + с4.

Задачі. Знайти екстремалі функціоналів:

5.J[y1(х),у2(х)]= (2у1 cosх + 2у22 +2у'1 у'2 + y'21 -у'22)dх

В. у1= -х2/2sinх - соsх – c1 cosх - с2sinх + с3х + с4;

у2 = -x2/2sinx+ c1 cosх +с2sinх.

6. J[y1(х),у2(х)]= (1у2+у'2 -у' 22)dх

В. у1= c1 eх + с2е -х + с3соsх + с4sinх;

у2 = c1 eх + с2е -х - с3соsх - с4sinх.

7. J[y1(х),у2(х)]= (y2 +

В. у1 = c1 cosх +с2sinх.

8. J[y1(х),у2(х)]=

В. у1 = c1 x+ с2;

у2 = с3х +c4

9. J[y1(х),z(х)]= (2yz-2y2 + у' 2 - z' 2)dх.

10. J[y(х),z(х)]= (2yz-2y2 + у' 2 - z' 2)dх. B.y=

z=2y+y" і z – визначити .

-

§8. Умовний екстремум функції багатьох змінних г, с*

Нехай маємо функцію z = f(хь х2, ..., xn ), визначену в області (D) простору Еn. Нехай також змінні x1, х2, ..., хп пов'язані m(m < n) рівняннями зв'язку :

Нехай х(0) = (х10, х20, ..., хn0) - внутрішня точка області (D).

Функція f(х1, х2, ..,, хn) має в точці (х10, х20, ..., хn0) умовний максимум (мінімум), якщо нерівність

f(х1, х2, ..,, хn) <f(х10, х20, ..., хn0) (2)

(f(х1, х2, ..,, хn) >f(х10, х20, ..., хn0)) виконується в околі точки (х10, х20, ..., хn0) при умові, що точки (х1, х2, ..., хn) і (х10, х20, ..., хn0) задовольняють рівнянням зв'язку.

Якщо маємо функцію z, = f(х, у) і одне рівняння зв'язку φ(х, у) = 0, де це рівняння визначає у як однозначну диференційовану функцію у = ψ(х), то умовний екстремум приводиться до безумовного екстремуму функції

z= f(х, ψ(х)).

Якщо ж рівняння φ(х, у) = 0 не є розв'язним відносно у або в випадку функції п змінних для знаходження умовного екстремуму використовують допоміжну функцію Лагранжа (метод невизначених множників Лагранжа).

Припустимо що:

1) функції f(х1, х2, ..,, хn) і φ(х1, х2, ..,, хn) (i = ) мають неперервні

частинні похідні першого порядку області (D);

2) m< n і ранг матриці кожній точці області (D)

дорівнює m.

Складаємо функцію Лагранжа:

(3) Ф = f+ , де -невизначені сталі множники.

Функція Ф(х1, х2, ..,, хn) досліджується на безумовний екстремум, тобто складається система рівнянь:

з якої і з m рівнянь зв'язку

Визначають значення параметрів і координати (х1, х2, ..,, хn) можливих точок екстремуму.

Умови (4) є необхідними умовами екстремуму. Точка 10, х20, ..., хn0) є стаціонарною точкою, якщо вона є розв'язком системи (4). Для дослідження стаціонарної точки на умовний екстремум функції Лагранжа f1, х2, ..,, хn) складаємо її другий диференціал, що є квадратичною формою

В(dx1 , dх2,..., dx2) = (5) з врахуванням в цій точці умов

Якщо квадратична форма (5) -знаковизначена, то в точці 10, х20, ..., хn0) буде строгий умовний екстремум і вираз — mах, якщо квадратична форма (5) від 'ємно визначена і тіп, якщо квадратична форма (5) додатно визначена. Якщо ж ця квадратична форма невизначена, то точка 10, х20, ..., хn0) не є точкою умовного екстремуму. Зауважимо, що відсутність умовного екстремуму для функції Лагранжа Ф1, х2, ..,, хn) ще не означає відсутність умовного екстремуму для функції

f1, х2, ..,, хn)

Приклад 1. Знайти екстремум функції z = ху при умові у - х = 0.

Розв'язання. Складаємо функцію Лагранжа

Ф(х, у) = ху + (у - х).

Утворимо систему для визначення і координат можливих точок екстремуму.

Одержуємо х = у = 0; λ = 0. Функція f(х, у) = ху. В точці (0, 0) функція

f(х, у) = ху = 0 при умові у =х має умовний екстремум. Дійсно при цьому z=х2 в точці х = 0 є min, то в точці (0, 0) - умовний min.

Приклад 2. Знайти умовний екстремум функції f(х, у, z).= хуz при умовах

х+у-z -3=0

х-у-z-8 = 0.

Розв'язання. Складаємо функцію Лагранжа

Ф(х, у, z) = хуz + λ1(х + у – z - 3) + λ2- у - z - 8) і випишемо систему рівнянь для визначення параметрів λ1, λ2 і координат можливих точок екстремуму:

Pозв'язуючи цю систему, одержимо

λ1 = 11/32, λ 2 = -231/32, х = 11/4, у = -5/2, z= -11/4.

Другий диференціал функції Ф(х, у, z) має вигляд:

Маємо d2Ф = 2zdхdу + 2уdхdz + 2хdуdz.

Bикористовуючи рівняння зв'язку, отримаємо, що

Підставляючи в d2 Ф, одержимо В(dx) = 2уdх2

В стаціонарній точці В =-5dx2<0 то в точці (11/4,-5/2,-11/4) маємо max , що дорівнює f mах = 605/32.

Приклад 3. Знайти екстремум функції z = соs 2х + соs2 у при умові

y-x = π /4.

Розв'язання. Складаємо функцію Лагранжа:

Ф(х ,y,λ ) = cos2 х + соs2у + λ ( у - х - π/4) i виписуємо систему рівнянь для визначення параметра λ і координат можливих точок екстремуму

або , тобто

2sin(x+y)cos(y-x) =0, але cos(y-x)= , то sin(x+y)=0

k=0, .

x= k ; у= k π/2+ π / 8 ; k=0 , .

Знаходимо другі похідні функції Ф(х, у):

В точках Рk(kπ/2 - π/8, kπ/2 + π/8) маємо

Ф"xx ·Ф''yy - (Ф"xy )2 = 4соs(kπ - )соs(kπ + )= 2соs2 kπ = 2 > 0 .

Значить в точках Рk є умовний екстремум. Далі, при k = 2n

<0 , а тому в точках Р2n - умовний mах: zmах = 1 + , при k= 2n + 1 будемо мати >0, то в точках P2n+1 - умовний min: zmin=1- .

Задачі. Знайти умовний екстремум:

1. f=ху, при х2 + у2.

B. fmin= т. в т .

2. f = хуг, при умовах х + у + z = 5, ху + уz + zх = 8.

В. f min = 4в т (2,2,1), (1,2,2),(2,1,2); fmax = 4 в т

3. f= еху, при х + у = а . В. fmах = .

4. f = 6-4х-Зу,при х2 + у2=1.В.fmin = 1 в т ;fmax=11в т .

5. f = x-2у-2z, прих2 + у2 + z 2 = 9. В. .fmin = -9 в т . (-1,2,-2); fmax=9 в т . (1,-2,2).

6. f =sinxsinysinz, при х + у + z =π/2, х > 0, у > 0, z >0. В. fmax = в т .

7. Знайти відстань між параболою у = х2 і прямою х - у = 5. В. .

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]