Функционалы и уравнение Эйлера-Лагранжа
Что такое вариационное исчисление? → Что такое функционал? → Первая вариация и идея вывода уравнения ЭЛ → Полный разбор: задача о кратчайшем расстоянии → Задача о брахистохроне → Расширения уравнения ЭЛ → Применения
Определения
- Функционал
- — отображение из пространства функций в ℝ: J: {y : [a,b] → ℝ} → ℝ.
- Первая вариация
- — δJ[y*; η] = d/dε|_{ε=0} J[y* + εη]
- Основная лемма
- — если непрерывная g такова, что ∫g(x)η(x)dx = 0 для всех гладких η с нулевыми концами, то g ≡ 0.
- Уравнение Эйлера-Лагранжа
- — Fᵧ − d/dx(F_{y'}) = 0
- Задача
- — найти кратчайшую кривую в ℝ² между точками A = (0, 0) и B = (1, 1).
- Интегрируем
- — y'/√(1+y'²) = C (константа). Решаем: y'² = C²(1+y'²) → y'²(1−C²) = C² → y' = C/√(1−C²) = const.
- Вывод
- — y' = константа → y = ax + b — прямая линия! С граничными условиями y(0) = 0, y(1) = 1: y = x.
- Высшие производные
- — J = ∫F(x, y, y', y'') dx. ЭЛ: Fᵧ − d/dx F_{y'} + d²/dx² F_{y''} = 0. Уравнение 4-го порядка. Пример: балка, J = ∫(EI y'')² dx → EI y'''' = 0.
- ·Fᵧ = ∂F/∂y = 0 (F не зависит от y явно!)
- ·F_{y'} = ∂F/∂p = p/√(1+p²) = y'/√(1+y'²)
Обычный математический анализ ищет экстремум функции от числа или вектора: найти x, минимизирующий f(x). Вариационное исчисление решает задачу другого уровня: найти функцию y(x), минимизирующую некоторую «функцию от функции» — функционал. Именно такие задачи возникают в физике («по какой траектор...
История дисциплины начинается с 1696 года, когда Иоганн Бернулли предложил задачу брахистохроны: найти форму горки, по которой шарик скатывается между двумя точками за минимальное время. Задача поразила современников: ответ — не прямая (кратчайшее расстояние), а циклоида. Это открытие дало толчок...
Функционал — отображение из пространства функций в ℝ: J: {y : [a,b] → ℝ} → ℝ.
Здесь F — заданная «лагранжева функция» трёх аргументов: F(x, y, p), где x — независимая переменная, y — значение функции, p = y' — производная. Функционал «суммирует» вклад F вдоль кривой.