Шпаргалка

Вариационное исчисление

Все темы на одной странице

4модулей
12статей
127определений
2формул

01

Основы вариационного исчисления

Функционалы, первая вариация и уравнение Эйлера-Лагранжа

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.

Условия второго порядка и условие Якоби

Мотивация: когда экстремаль является минимумом? → Вторая вариация → Условие Лежандра → Уравнение Якоби и сопряжённые точки → Полный разбор: маятник (задача о сопряжённых точках) → Теорема Морса и топологические следствия → Метод Ритца: приближённое решение → Условия Вейерштрасса для сильного минимума → Особые экстремали → Применения

Определения

Вторая вариация
δ²J[y*; η] = d²/dε²|_{ε=0} J[y* + εη]
Необходимое условие для минимума
δ²J[y*; η] ≥ 0 для всех допустимых η.
Условие Лежандра (необходимое)
для минимума необходимо P(x) = F_{y'y'}(x, y*(x), y*'(x)) ≥ 0 на всём отрезке [x₀, x₁].
Смысл
F должна быть «выпуклой по y'» вдоль экстремали. Если P(x) < 0 хотя бы в одной точке, экстремаль не является минимумом.
Усиленное условие Лежандра (достаточное)
P(x) > 0 строго на всём [x₀, x₁].
Пример
J[y] = ∫(1/2)(y'² − y²) dx (маятник). F = (1/2)(p² − y²). F_{y'y'} = 1 > 0 — условие Лежандра выполнено. Это ещё не достаточно для минимума, нужно проверить условие Якоби.
Квадратичный функционал
δ²J = ∫(Pη'² + Qη²)dx — это функционал от η. Минимально при каких η?
Условие Якоби для минимума
сопряжённая точка x̄ не должна лежать в открытом интервале (x₀, x₁). Если x̄ ∈ (x₀, x₁) — экстремаль не является минимумом.
Функционал
J[y] = (1/2)∫₀ᵀ (y'² − y²) dx (малые колебания маятника, y — угол).
Уравнение Якоби
−u'' − u = 0 → u'' + u = 0. Это уравнение гармонического осциллятора!
Сопряжённые точки
u(x̄) = sin(x̄) = 0 → x̄ = π, 2π, 3π,...
Вывод
Если T < π, то сопряжённая точка x̄ = π > T — условие Якоби выполнено, экстремаль — минимум. Если T > π — x̄ = π ∈ (0, T) — условие Якоби нарушено, экстремаль НЕ является минимумом.
Физический смысл
при T < π маятник ещё не успел сделать четверть периода — траектория оптимальна. При T > π маятник «перекачнулся» — есть более короткий путь.
Теорема Морса
связывает критические точки функционала (экстремали) с топологией пространства путей. Число геодезических между двумя точками на компактном многообразии ≥ суммы чисел Бетти многообразия путей. Это даёт нижние оценки на число решений вариационных з...
Метод конечных элементов (МКЭ)
вариант Ритца с кусочно-линейными базисными функциями. Это основа ANSYS, COMSOL и других систем инженерного анализа. МКЭ сводит бесконечномерную вариационную задачу к конечномерной системе линейных уравнений KU = F.
  • ·P = F_{y'y'} (вторая производная F по y')
  • ·Q = F_{yy} − d/dx F_{yy'} (комбинированный член)
  • ·Управление ракетами: расчёт оптимальной траектории требует проверки всех условий второго порядка для гарантии минимальности
  • ·Аэродинамика: профилирование крыла как минимизация сопротивления — необходимо проверять условие Якоби, чтобы найденный профиль действительно был минимумом, а не седлом
  • ·Финансы: оптимальная стратегия потребления Мертона — экстремаль HJB-уравнения; условия второго порядка гарантируют максимальность полезности
  • ·Робототехника: планирование траектории манипулятора с минимизацией энергии — проверка условий второго порядка в точках сопряжения сегментов

Уравнение Эйлера-Лагранжа — это условие первого порядка, аналог «производная равна нулю». Как и в обычном анализе, критическая точка может быть минимумом, максимумом или седловой точкой. Для определения типа экстремаля нужны условия второго порядка. Это особенно важно в задачах оптимального управ...

Рассмотрим функционал J[y] = ∫F(x, y, y') dx и его второй производную по параметру ε при возмущении y* + εη:

Условие Лежандра (необходимое): для минимума необходимо P(x) = F_{y'y'}(x, y*(x), y*'(x)) ≥ 0 на всём отрезке [x₀, x₁].

Смысл: F должна быть «выпуклой по y'» вдоль экстремали. Если P(x) < 0 хотя бы в одной точке, экстремаль не является минимумом.

Изопериметрические задачи и множители Лагранжа

Классическая загадка Дидоны → Постановка изопериметрической задачи → Метод множителей Лагранжа для функционалов → Задача о катенарии (цепной линии) → Задача Дидоны: полуокружность → Общая постановка с несколькими ограничениями → Полный разбор: задача Эйлера о колонне → Принцип Лагранжа: общая формулировка → Условия второго порядка с ограничениями → Современные изопериметрические задачи

Определения

Классическая формулировка
среди всех замкнутых кривых заданной длины L найти ту, которая ограничивает наибольшую площадь.
Теорема
для задачи min J[y] = ∫F(x,y,y')dx при J₂[y] = ∫G(x,y,y')dx = C экстремаль является экстремалью вспомогательного функционала:
Постановка
гибкая цепь фиксированной длины L висит между точками A и B. Под действием силы тяжести она принимает форму, минимизирующую потенциальную энергию. Найти форму цепи.
Уравнение ЭЛ
функционал H не зависит от x явно → используем первый интеграл:
Ответ
y = a cosh(x/a + b) − λ, где a, b — константы из граничных условий. Это цепная линия (катенарий).
Физический смысл
форма цепи не является параболой (как думали до Гюйгенса и Лейбница) — это гиперболический косинус! Разница хорошо видна при больших провесах.
Задача
огородить максимальную территорию с прямолинейным берегом, используя верёвку длиной L.
Это теорема об изопериметрическом неравенстве
для кривой длиной L площадь ≤ L²/(4π), причём равенство достигается для окружности.
Применение
в строительстве все колонны, балки и тонкостенные конструкции проектируются с запасом по формуле Эйлера. Это прямое применение изопериметрических задач вариационного исчисления.
  • ·Спектральная оптимизация: какая форма мембраны имеет наименьшее основное собственное значение лапласиана при заданной площади? Ответ — круг (Faber-Krahn inequality)
  • ·Изопериметрические неравенства в высоких размерностях: в ℝⁿ объём шара V(r) даёт минимальную поверхность Σ при заданном объёме (теорема Брунна-Минковского)
  • ·Изопериметрия на многообразиях: на сфере геодезические шары минимизируют площадь границы (Леви, Громов)
  • ·Изопериметрия в теории графов (expansion): минимизация числа рёбер на границе подмножества вершин при заданном размере — основа теории случайных блужданий и спектральных методов

По преданию, финикийская царевна Дидона бежала в Северную Африку и попросила у местного вождя столько земли, «сколько можно охватить шкурой быка». Она разрезала шкуру на тонкие полосы и огородила ими участок — взяв прямую линию берега как одну сторону. Какую форму выбрала Дидона? Конечно, полуокр...

Классическая формулировка: среди всех замкнутых кривых заданной длины L найти ту, которая ограничивает наибольшую площадь.

Это функционал с ограничением-функционалом — аналог задачи условной оптимизации в конечномерном пространстве.

Теорема: для задачи min J[y] = ∫F(x,y,y')dx при J₂[y] = ∫G(x,y,y')dx = C экстремаль является экстремалью вспомогательного функционала:

02

Задача Больца и краевые условия

Обобщённые постановки вариационного исчисления и условия поперечности

Задача Больца и условие поперечности

Постановки с незакреплёнными концами → Три классические постановки → Условие поперечности → Многомерные задачи: функционалы от u(x,y) → Полный разбор: кратчайшее расстояние от точки до параболы → Применения задачи Больца → Численные методы

Определения

Задача Лагранжа
min J = ∫F dx при дифференциальных ограничениях G(x,y,y') = 0. Движение вдоль кривой с дополнительными связями.
Задача Майера
min J = g(x₀, y(x₀), x₁, y(x₁)) — минимизируем только граничную функцию, без интеграла. Это задача с нефиксированными концами.
Вывод
при вариации δJ = 0 с незакреплённой правой точкой возникает «остаток» от интегрирования по частям:
Условие поперечности
F_{y'} · φ_x = (F − y' F_{y'}) · φ_y
Геометрический смысл для задачи о геодезической
если ищем кратчайшее расстояние от точки A до кривой C, условие поперечности означает, что экстремаль перпендикулярна C в конечной точке. Это интуитивно очевидно: кратчайший путь от точки до кривой — перпендикуляр к этой кривой.
Задача
найти кратчайшую кривую от точки A = (0, 2) до параболы C: y = x²/2.
Уравнение ЭЛ
экстремали — прямые y = ax + b.
  • ·Управление ракетой: время полёта T переменно, конечное положение — точка цели (Майер). Топливо минимизируется (Лагранж).
  • ·Экономический рост: задача Рамсея — потребитель максимизирует ∫₀^∞ e^{-ρt} u(c(t)) dt при динамике капитала k̇ = f(k) − c. Бесконечный горизонт, терминальное условие на лимит k(t).
  • ·Робототехника: траектория манипулятора — минимизация энергии плюс штраф за конечную ориентацию.
  • ·Прямые методы: дискретизация состояния и управления, переход к нелинейному программированию (NLP). Решатели IPOPT, SNOPT, Knitro.
  • ·Метод стрельбы (shooting): интегрирование системы уравнений с подбором начальных условий через Ньютона.
  • ·Псевдоспектральные методы (Радо, Чебышёва): представление траектории полиномом высокого порядка, точность экспоненциальная при гладких решениях. Используется в GPOPS-II, DIDO.

В простейшей постановке вариационного исчисления оба конца кривой фиксированы: y(x₀) = y₀, y(x₁) = y₁. Но во многих реальных задачах это не так. Например, нужно найти кратчайший путь от точки A до некоторой кривой C (конечная точка не фиксирована, а лишь должна лежать на C). Или функционал содерж...

Задача Лагранжа: min J = ∫F dx при дифференциальных ограничениях G(x,y,y') = 0. Движение вдоль кривой с дополнительными связями.

Задача Майера: min J = g(x₀, y(x₀), x₁, y(x₁)) — минимизируем только граничную функцию, без интеграла. Это задача с нефиксированными концами.

Задача Больца (общая форма): min J = ∫F dx + g(x₀, y₀, x₁, y₁) при дополнительных ограничениях. Объединяет Лагранжа и Майера.

Вариационные задачи с ограничениями и связями

Ограниченные системы в физике и механике → Голономные связи → Неголономные связи → Теорема Каратеодори о полных вариационных задачах → Вариационное неравенство → Полный разбор: маятник через метод Лагранжа → Связи Лагранжа vs неголономные связи → Принцип Гамильтона-Понтрягина → Численные методы → Применения

Определения

Метод решения
либо явная параметризация (как с маятником), либо метод множителей Лагранжа-функций.
Задача с препятствием (obstacle problem)
найти наименьшую поверхность, лежащую выше заданного препятствия ψ(x,y). Решение удовлетворяет:
Задача
частица массы m прикреплена нитью длиной l к точке O = (0,0). Движется в силе тяжести. Найти уравнения движения.
Переменные
x(t), y(t) — координаты. Связь: φ = x² + y² − l² = 0 (нить нерастяжима).
Уравнения с множителем
уравнение Лагранжа с реакцией связи:
Переход к обобщённой координате
θ (угол). x = l sin θ, y = −l cos θ. L = ml²θ̇²/2 + mgl cos θ. ЭЛ: ml²θ̈ = −mgl sin θ → θ̈ + (g/l) sin θ = 0 — уравнение маятника. Связь исчезла, λ исключилась!
  • ·Голономные: φ(x, y) = 0 — связь только на координатах. Можно явно разрешить и подставить, понизив размерность.
  • ·Неголономные: φ(x, y, y') = 0 — связь включает производные и в общем случае не интегрируется. Классический пример: качение шара без проскальзывания (5 голономных + 2 неголономных связи). Эти связи ...
  • ·Прямое преобразование в NLP: дискретизация состояния и управления, добавление ограничений как нелинейных условий, решение через IPOPT, SNOPT
  • ·Метод проекции: после каждого шага градиентного спуска проектировать решение на множество допустимых функций
  • ·Augmented Lagrangian: штрафная функция плюс множители — устойчивое решение задач с активными связями
  • ·Робототехника: движение манипулятора с механическими связями (шарниры, контакты)
  • ·Транспортное планирование: учёт ограничений на ускорение, рывок (jerk), угол поворота
  • ·Аэрокосмическая отрасль: оптимизация траектории при ограничениях на тягу, нагрев, перегрузки
  • ·Биомеханика: моделирование походки человека как оптимизация энергии при анатомических ограничениях суставов
  • ·Управление химическими процессами: ограничения на температуру, давление, концентрацию реагентов — стандартная постановка вариационной задачи с активными связями

В реальном мире движение тел почти всегда ограничено: маятник движется по дуге окружности, автомобиль катится без проскальзывания, жидкость течёт по трубе. Такие ограничения называются связями (constraints). Вариационное исчисление с ограничениями — это теория, позволяющая системно работать с так...

Голономная связь задаёт условие вида φ(x, y(x)) = 0 — это функциональное уравнение на кривые. Называется так от греческого «holos» (целый) — ограничение полностью определяет конфигурацию.

Пример: математический маятник в декартовых координатах. Частица движется в ℝ², но прикреплена к точке нитью длиной l. Голономная связь: x² + y² = l². Система имеет 2 − 1 = 1 степень свободы. В обобщённой координате θ (угол): x = l sin θ, y = −l cos θ, связь исчезает!

Метод решения: либо явная параметризация (как с маятником), либо метод множителей Лагранжа-функций.

Принцип Гамильтона и аналитическая механика

Почему принцип наименьшего действия так важен? → Принцип наименьшего действия (принцип Гамильтона) → Обобщённые координаты: элегантность метода → Гамильтонов формализм → Скобки Пуассона и законы сохранения → Полный разбор: колебания молекулы CO₂ → Расширение на теорию поля → Принцип наименьшего действия в физике → Симметрии и интегрируемость → Применения в инженерии

Определения

Действие
функционал S[q] = ∫_{t₀}^{t₁} L(t, q, q̇) dt, где L = T − U — лагранжиан (кинетическая − потенциальная энергия), q = (q₁,...,qₙ) — обобщённые координаты.
Принцип Гамильтона
физическая траектория между q(t₀) и q(t₁) — экстремаль функционала S.
Обобщённый импульс
pᵢ = ∂L/∂q̇ᵢ (сопряжённый к qᵢ)
Гамильтониан
H = Σᵢ pᵢq̇ᵢ − L (преобразование Лежандра)
Физический смысл
для консервативных систем H = T + U = полная энергия. Сохранение H ↔ не зависит явно от времени: ∂H/∂t = 0.
Скобка Пуассона
{f, g} = Σᵢ (∂f/∂qᵢ ∂g/∂pᵢ − ∂f/∂pᵢ ∂g/∂qᵢ)
Теорема Нётер (механическая версия)
каждой непрерывной симметрии действия соответствует закон сохранения:
Модель
три массы m₁, m₂, m₁ (O−C−O) на пружинах жёсткости k.
  • ·Инвариантность под сдвигом t → t+ε: сохраняется H (энергия)
  • ·Инвариантность под трансляцией q → q+ε: сохраняется p (импульс)
  • ·Инвариантность под поворотом: сохраняется L = q × p (момент импульса)

В XVII веке Ньютон описал механику через силы: F = ma. Это работало, но требовало явного учёта всех сил, в том числе реакций связей. Лагранж в XVIII веке показал: всю механику можно выразить через один вариационный принцип — принцип наименьшего действия. Это радикально упрощает вычисления (реакци...

Действие: функционал S[q] = ∫_{t₀}^{t₁} L(t, q, q̇) dt, где L = T − U — лагранжиан (кинетическая − потенциальная энергия), q = (q₁,...,qₙ) — обобщённые координаты.

Принцип Гамильтона: физическая траектория между q(t₀) и q(t₁) — экстремаль функционала S.

Главное преимущество: q могут быть любыми координатами, удобными для описания системы. Уравнения Лагранжа инвариантны относительно замены координат — это следствие вариационной природы принципа.

03

Гамильтон-Якоби и геометрическая оптика

Уравнение Гамильтона-Якоби, оптимальный транспорт и геометрические приложения

Канонический формализм и уравнение Гамильтона-Якоби

Связь оптики и механики → Преобразование Лежандра и гамильтониан → Функция действия Якоби → Уравнение Гамильтона-Якоби → Аналогия механики и геометрической оптики → Метод характеристик → Полный разбор: маятник через ГЯ → Динамическое программирование как дискретный ГЯ → Метод характеристик → Вязкостные решения

Определения

Обобщённый импульс
p = ∂L/∂y' — переменная, сопряжённая к y'.
Гамильтониан
H(x, y, p) = p·y' − L(x, y, y'), где y' выражается через p из p = ∂L/∂y'.
Канонические уравнения
ẏ = ∂H/∂p, ṗ = −∂H/∂y.
Пример
L = (1/2)y'² − U(y) (одномерная механика). p = y'. H = p·y' − (1/2)y'² + U = (1/2)p² + U. Канонические уравнения: ẏ = p, ṗ = −U'(y). Это уравнение Ньютона!
Теорема Якоби
вдоль экстремали p = ∂S/∂y (импульс = частная производная действия по конфигурации).
Геометрический смысл
поверхности уровня S(x,y) = C называются «волновыми фронтами». Экстремали («траектории», «лучи») перпендикулярны волновым фронтам — они направлены вдоль ∇S.
Принцип Ферма
свет идёт по пути, минимизирующему время. Функционал: J = ∫n(x,y)ds, где n — показатель преломления, ds — элемент длины.
Уравнение эйконала
|∇S|² = n²(x,y). Это частный случай ГЯ для оптики.
Квантовая механика
волновая функция ψ = exp(iS/ℏ). Уравнение Шрёдингера при ℏ→0: [(∂S/∂t) + H(x, ∇S)] ψ → 0. Это и есть ГЯ! Квантовые интерференционные эффекты — следствие конечности ℏ.
Задача
свободные колебания маятника. H = p²/(2ml²) + mgl(1 − cos θ).
Период колебаний
T = ∂S/∂E = 2∮ dθ/|p/ml²| = 2ml² ∮dθ/√[2ml²(E−mgl(1−cosθ))].
  • ·Волновые фронты = поверхности равной фазы
  • ·Лучи = экстремали (градиенты фазы)
  • ·Показатель преломления n = «замедление» (аналог потенциала)

В 1820-х годах Уильям Гамильтон заметил поразительную аналогию: математика геометрической оптики (путь луча света) формально совпадает с математикой классической механики. Это привело его к созданию единого формализма — уравнения Гамильтона-Якоби. Позже, в 1926 году, Шрёдингер показал, что кванто...

Гамильтониан: H(x, y, p) = p·y' − L(x, y, y'), где y' выражается через p из p = ∂L/∂y'.

Пример: L = (1/2)y'² − U(y) (одномерная механика). p = y'. H = p·y' − (1/2)y'² + U = (1/2)p² + U. Канонические уравнения: ẏ = p, ṗ = −U'(y). Это уравнение Ньютона!

Рассмотрим семейство экстремалей, исходящих из фиксированной точки A = (x₀, y₀). Для каждой точки B = (x, y) определим функцию действия: S(x, y) = значение функционала J вдоль экстремали от A до B.

Оптимальный транспорт и задача Монжа-Канторовича

Задача о переноске земли → Задача Монжа: строгая формулировка → Формулировка Канторовича → Расстояние Вассерштейна → Теорема Брейера-МакКана → Применения в машинном обучении → Полный разбор: транспортный план в ℝ

Определения

Задача Монжа
найти отображение T: X → X («план переноски»), транспортирующее μ в ν (то есть T_#μ = ν — «образ» μ под T равен ν), минимизирующее суммарную стоимость:
Проблема формулировки Монжа
отображение T — это «детерминированный» план, но иногда оптимально «расщепить» единицу материала. Например, часть земли с места x₁ идёт в яму y₁, часть — в y₂. Монжевский план этого не допускает.
Двойственная задача Канторовича
по теореме двойственности ЛП:
Свойства
W_p — настоящая метрика на пространстве вероятностных мер. Сходимость по W_p эквивалентна слабой сходимости + сходимости p-момента.
Пространство Вассерштейна
P_p(ℝⁿ) с метрикой W_p — «пространство форм». Интерполяция между μ и ν по W₂ — это «оптимальный морфинг» между двумя распределениями.
Смысл
оптимальный план транспортировки — это «сдвиг вдоль градиента выпуклой функции». Это поразительно: из задачи переноски земли возникает выпуклость!
Полярное разложение Брейера-МакКана
любое отображение T: ℝⁿ → ℝⁿ, сохраняющее меры (T_#μ = ν), разлагается в T = R ∘ ∇φ, где R — поворот (сохраняет расстояние), ∇φ — оптимальный транспорт.
WGAN (Wasserstein GAN)
обучение генеративных нейросетей. Обычный GAN использует KL-дивергенцию, которая нестабильна при непересекающихся распределениях. WGAN заменяет на W₁:
Сопоставление точек (Point Cloud Matching)
сопоставить два набора точек {xᵢ} ~ μ и {yⱼ} ~ ν с минимальными затратами. Алгоритм Sinkhorn — быстрый итерационный метод для приближённого решения задачи Канторовича с энтропийной регуляризацией.
Morph между изображениями
усреднение изображений в пространстве Вассерштейна. Барицентр Вассерштейна: min_{ν} Σᵢ wᵢ W₂²(μᵢ, ν). Результат — «средний» образ, сохраняющий геометрию.
Задача
μ = 0.5 δ₀ + 0.5 δ₂ (масса 0.5 в точках 0 и 2), ν = 0.5 δ₁ + 0.5 δ₃ (масса 0.5 в точках 1 и 3). Стоимость c(x,y) = |x−y|².
Допустимые планы
γ задаётся матрицей 2×2 с суммами строк (0.5, 0.5) и столбцов (0.5, 0.5):
Стоимость
C(γ) = a|0−1|² + (0.5−a)|0−3|² + (0.5−a)|2−1|² + a|2−3|² = a + 9(0.5−a) + (0.5−a) + a = 4.5 − 8a.
W₂
√C = √0.5 ≈ 0.707.
  • ·Задача Канторовича — линейная по γ (бесконечномерное ЛП!)
  • ·Всегда имеет решение (при разумных условиях на c и μ, ν)
  • ·Задача Монжа — частный случай: γ сосредоточена на графике T

В 1781 году французский математик Гаспар Монж поставил вопрос: как переместить кучу земли (плотность μ) в яму (плотность ν) с минимальными затратами труда? Задача оказалась невероятно сложной и оставалась нерешённой 160 лет. В 1942 году советский математик Леонид Канторович решил расслабленную ве...

Даны две меры μ и ν на пространстве X (например, вероятностные распределения на ℝⁿ) и функция стоимости c(x, y) ≥ 0 (стоимость перемещения «единицы материала» из x в y).

Задача Монжа: найти отображение T: X → X («план переноски»), транспортирующее μ в ν (то есть T_#μ = ν — «образ» μ под T равен ν), минимизирующее суммарную стоимость:

Проблема формулировки Монжа: отображение T — это «детерминированный» план, но иногда оптимально «расщепить» единицу материала. Например, часть земли с места x₁ идёт в яму y₁, часть — в y₂. Монжевский план этого не допускает.

Геодезические на поверхностях и минимальные поверхности

Геометрия и вариационное исчисление: неразрывная связь → Геодезические: определение и уравнения → Геометрический смысл: параллельный перенос → Сопряжённые точки и глобальная минимальность → Минимальные поверхности → Полный разбор: катеноид → Применения → Геодезические в общей теории относительности → Минимальные поверхности и пузыри → Задача Плато

Определения

На плоскости
gᵢⱼ = δᵢⱼ → Γᵏᵢⱼ = 0 → уравнение: d²xᵏ/ds² = 0 → xᵏ = aᵏs + bᵏ (прямые!).
Ковариантное ускорение
∇_{γ'} γ' = d²xᵏ/ds² + Γᵏᵢⱼ ẋⁱ ẋʲ.
Интуиция
на искривлённой поверхности «прямая» — это кривая, вдоль которой вы «идёте прямо» (не поворачивая). Если нарисовать прямую на листе бумаги и свернуть бумагу в цилиндр, нарисованная прямая станет геодезической (винтовой линией или прямой образующей...
Вторая вариация длины
δ²J = ∫[|J'|² − K(J, γ', J, γ')] ds, где K — гауссова кривизна, J — поле Якоби.
Теорема Якоби-Бонне
геодезическая является кратчайшей до первой сопряжённой точки.
Пример
на сфере радиуса R геодезические — большие окружности. Для точки A = «северный полюс» сопряжённая точка — «южный полюс» (на расстоянии πR). Дуга большой окружности от северного полюса до южного — кратчайшая. Но если продолжить дальше (дуга > πR), ...
Минимальная поверхность
экстремаль функционала площади Area[S] = ∫∫_Ω √(EG−F²) du dv.
Физический смысл
мыльная плёнка принимает форму минимальной поверхности — при нулевом перепаде давления силы поверхностного натяжения балансируют в каждой точке. Это и есть H = 0.
Задача Плато
существует ли минимальная поверхность с заданной граничной кривой Γ?
Задача
найти поверхность вращения минимальной площади, соединяющую две окружности x² + z² = r₀² при y = ±h.
Функционал
Area = 2π∫₋ₕʰ r(y)√(1 + r'(y)²) dy.
Уравнение ЭЛ
d/dy[r·r'/√(1+r'²)] − √(1+r'²) = 0.
Физическое применение
мыльная плёнка между двумя кольцами принимает форму катеноида. При разведении колец: если расстояние превышает критическое, плёнка «рвётся» на два диска. Это бифуркация минимальных поверхностей!

Формулы

Минимальная поверхность: экстремаль функционала площади Area[S] = ∫∫_Ω √(EG−F²) du dv.Функционал: Area = 2π∫₋ₕʰ r(y)√(1 + r'(y)²) dy.
  • ·Плоскость: H = 0 тривиально
  • ·Катеноид: поверхность вращения y = a·cosh(x/a). Единственная минимальная поверхность вращения (кроме плоскости)
  • ·Геликоид: x = r·cos(az), y = r·sin(az), z = z. «Закрученный» катеноид
  • ·Mean curvature flow: эволюция поверхности по нормали со скоростью H — естественный градиентный поток для функционала площади
  • ·Метод конечных элементов на поверхностях: дискретизация поверхности треугольной сеткой и численное решение PDE
  • ·Level-set методы: представление поверхности как нулевого уровня функции — устойчиво к топологическим изменениям
  • ·Архитектура: тентовые конструкции (стадионы, выставочные комплексы — крыша Олимпийского стадиона в Мюнхене Фрая Отто) рассчитываются как минимальные поверхности
  • ·Материаловедение: структура зёрен в металлах, фазовых границ
  • ·Биофизика: форма биологических мембран, везикул, клеточных стенок
  • ·Computer graphics: создание гладких поверхностей при заданных контурах для 3D-моделирования
  • ·Tunnel engineering: оптимизация формы тоннелей для минимизации напряжений в породе

Дифференциальная геометрия и вариационное исчисление тесно переплетены: ключевые геометрические объекты определяются как экстремали функционалов. Геодезические — кратчайшие кривые — суть экстремали функционала длины. Минимальные поверхности — экстремали функционала площади. Эта связь глубока: пон...

Геодезическая на поверхности — кривая, минимизирующая длину между двумя точками (локально). Формально: экстремаль функционала J[γ] = ∫|γ'(t)| dt.

где s — длина дуги, Γᵏᵢⱼ — символы Кристоффеля — вычисляются из метрического тензора gᵢⱼ:

На плоскости: gᵢⱼ = δᵢⱼ → Γᵏᵢⱼ = 0 → уравнение: d²xᵏ/ds² = 0 → xᵏ = aᵏs + bᵏ (прямые!).

04

Современные приложения вариационного исчисления

Оптимизация формы, механика сплошных сред и теорема Нётер

Оптимизация формы и топологическая оптимизация

От формулы к форме: практическая задача → Постановка задачи оптимизации формы → Метод граничных вариаций (Адамара-Хадамара) → Топологическая оптимизация: SIMP метод → Аэродинамическая оптимизация: сопряжённый метод → Полный разбор: топологическая оптимизация балки → Теория оптимального управления → Bang-bang управления → Численные методы оптимального управления → Применения

Определения

Условие оптимальности
для оптимальной формы: j(x) = const на ∂Ω (или равно множителю Лагранжа при изопериметрическом ограничении).
Пример
для задачи на диффузию (−∆u = f в Ω, u = 0 на ∂Ω), J = ∫_Ω u dx: производная формы dJ/dt = −∫_{∂Ω} (∂u/∂n)² V·n dS. Условие оптимума: (∂u/∂n)² = const на ∂Ω — поток через оптимальную границу постоянен.
Подход с плотностью
ρ(x) ∈ [0, 1] — «плотность материала» в каждой точке. ρ = 1: материал есть. ρ = 0: пусто.
Задача
min_{ρ ∈ [0,1]} ∫_Ω ρ dΩ (объём материала) при ограничениях на комплаенс (жёсткость конструкции).
Проблема
J зависит от u, которое зависит от Ω. Градиент dJ/dΩ нужен для оптимизации, но вычисление «в лоб» требует N расчётов для N параметров формы.
Применение
Airbus использует сопряжённый метод для оптимизации профилей крыльев A380. NASA оптимизирует лопатки турбин. Экономия топлива — 2-5% за счёт оптимальной формы.
Исходное состояние
ρ = 0.5 везде. Жёсткость однородная.
После 5 итераций
появляются «тяжи» от опор к точке нагрузки, материал из ненагруженных областей перетекает.
После 50 итераций
чёрно-белая конструкция. Треугольные тяжи, идущие от центра нагрузки к точкам крепления. Похожа на ферму моста!
Результат
жёсткость увеличена в 3.5 раза при той же массе по сравнению с равномерным распределением. Такая конструкция невозможна без топологической оптимизации.
  • ·J(Ω) = ∫_Ω u dx (среднее смещение под нагрузкой)
  • ·J(Ω) = ∫_{∂Ω} q² dS (тепловой поток через поверхность)
  • ·J(Ω) = max_{x∈Ω} σ(x) (максимальное напряжение)
  • ·J(Ω) = |Ω| (объём материала) при ограничениях прочности
  • ·Indirect methods: вывести необходимые условия (принцип максимума), решать краевую задачу для системы ОДУ
  • ·Direct methods: дискретизация и переход к NLP — IPOPT, SNOPT
  • ·Pseudospectral methods: представление траектории полиномом высокого порядка (GPOPS-II, DIDO)
  • ·Differential dynamic programming (DDP): итеративный метод второго порядка, основа современных алгоритмов RL и трajектория-планирования
  • ·Аэрокосмическая отрасль: оптимальные траектории запусков ракет (минимизация топлива при достижении заданной орбиты), межпланетные миссии (Voyager, New Horizons, Cassini)
  • ·Робототехника: планирование движения манипуляторов и беспилотников
  • ·Финансы: оптимальное потребление и инвестирование (модель Мертона)
  • ·Энергетика: оптимальное управление электростанциями в реальном времени
  • ·Медицина: оптимизация дозы лекарств, расписание химиотерапии
  • ·Эпидемиология: оптимальные стратегии вакцинации и социального дистанцирования

Инженер проектирует несущую балку самолётного крыла. Требования: выдержать заданную нагрузку, весить как можно меньше. Где убрать материал? Форма крыла оптимизируется именно как решение вариационной задачи — минимизировать объём (массу) при ограничениях прочности. Это и есть оптимизация формы. Ка...

Дана область Ω ⊂ ℝⁿ — «тело» — с границей Γ = ∂Ω. На Ω решается уравнение в частных производных (деформация, течение, тепло). Задача: найти форму Ω, минимизирующую функционал J(Ω).

Сложность: область Ω — бесконечномерный объект. Как взять «производную» по форме?

Семейство областей: Ω_t, деформированных вдоль вектора скорости V(x) на границе:

Вариационные методы в механике сплошных сред

Вариационные принципы как язык механики → Принцип виртуальных перемещений → Принцип минимума потенциальной энергии → МКЭ: метод Ритца с конечными элементами → Смешанные принципы → Полный разбор: изгиб балки Эйлера-Бернулли → Нелинейная упругость и гиперупругость → Принцип минимума потенциальной энергии → Уравнения Эйлера для жидкости и Навье-Стокса → Метод конечных элементов (МКЭ)

Определения

Постановка
тело Ω в равновесии под действием объёмных сил f и поверхностных нагрузок t на части ∂Ω_t.
Принцип виртуальных перемещений
тело в равновесии тогда и только тогда, когда суммарная виртуальная работа равна нулю для любого допустимого виртуального перемещения δu:
Полная потенциальная энергия
Π[u] = ∫_Ω W(ε(u)) dV − ∫_Ω f·u dV − ∫_{∂Ω_t} t·u dS
Принцип
из всех допустимых полей перемещений (удовлетворяющих кинематическим граничным условиям) равновесное минимизирует Π.
Идея
разбить Ω на конечные элементы Ωₑ (треугольники, тетраэдры). В каждом элементе аппроксимировать u полиномиальными функциями форм Nᵢ(x): u ≈ Σᵢ uᵢ Nᵢ(x), где uᵢ — узловые перемещения.
Подстановка в Π
Π[u] = Π(u₁,...,uN) — функция от N вещественных чисел.
Размерность
N = 3 × (число узлов). Для модели самолёта — миллионы степеней свободы. ANSYS решает такие системы за часы.
Принцип Кастильяно
для конструкций с известными усилиями — перемещение в точке приложения силы = производная дополнительной энергии по этой силе. Прост для ферм и балок.
Задача
балка длиной L, закреплена в точке x=0 (защемление: u(0)=u'(0)=0), свободный конец нагружен силой P при x=L. Найти форму изогнутой балки.
Функционал
Π[u] = ∫₀ᴸ (EI/2)(u'')² dx − P·u(L)
Уравнение ЭЛ
∂Π/∂(δu) = 0 → EI u'''' = 0 в (0,L).
Граничные условия
u(0) = u'(0) = 0 (защемление), EI u''(L) = 0, EI u'''(L) = P.
Решение
u'''' = 0 → u = ax³ + bx² + cx + d. Из BC: d = 0, c = 0, 6aL + 2b = 0, 6aEI = P.
Прогиб на конце
u(L) = PL³/(3EI) — стандартная формула строительной механики!
Модели
неогуковский (W = μ(I₁−3)/2), Муни-Ривлин (W = C₁(I₁−3) + C₂(I₂−3)). Используются в биомеханике (моделирование сердца, сосудов, кожи), резиноизделиях, мягкой робототехнике.
  • ·σᵢⱼ — тензор напряжений (6 независимых компонент для симметричного σ)
  • ·δεᵢⱼ = (δuᵢ,ⱼ + δuⱼ,ᵢ)/2 — виртуальная деформация (симметризованный градиент)
  • ·fᵢ — компоненты объёмных сил (например, гравитация, fi = ρgᵢ)
  • ·tᵢ = σᵢⱼnⱼ — компоненты поверхностных нагрузок
  • ·Гражданское строительство: расчёт мостов, небоскрёбов, плотин (Бурдж-Халифа, мост Акаси-Кайкё)
  • ·Авиация: расчёт несущих конструкций самолёта (Boeing 787, Airbus A350)
  • ·Автомобилестроение: краш-тесты численным моделированием
  • ·Биомеханика: моделирование костей, имплантатов, кровотока
  • ·Геофизика: моделирование тектоники, землетрясений

Механика сплошных сред — теория деформируемых тел: балок, пластин, жидкостей, резин. Её уравнения (равновесия, движения) выводятся из вариационных принципов. Это не просто математическое удобство: вариационная формулировка напрямую порождает метод конечных элементов — главный инструмент инженерны...

Постановка: тело Ω в равновесии под действием объёмных сил f и поверхностных нагрузок t на части ∂Ω_t.

Принцип виртуальных перемещений: тело в равновесии тогда и только тогда, когда суммарная виртуальная работа равна нулю для любого допустимого виртуального перемещения δu:

Это «слабая» формулировка уравнений равновесия. Из него следует «сильная» через интегрирование по частям: ∂ⱼσᵢⱼ + fᵢ = 0 в Ω, σᵢⱼnⱼ = tᵢ на ∂Ω_t.

Теорема Нётер и законы сохранения

«Красивейшая теорема в математике» → Симметрии и инвариантность действия → Формулировка теоремы Нётер → Примеры законов сохранения → Теорема Нётер в теории поля → Нарушение симметрии и теоремы Голдстоуна/Хиггса → Полный разбор: центральные поля и законы Кеплера

Определения

Инвариантность
S[ȳ] = S[y] для всех допустимых y → условие на L и (ξ, η).
Теорема Нётер (1915)
если действие S[y] = ∫L(x,y,y')dx инвариантно относительно однопараметрической группы с генератором (ξ, η), то существует ток Нётер — сохраняющаяся величина:
Это означает
J = const является «интегралом движения» — сохраняющейся величиной, которую можно вычислить в любой момент.
Стандартная модель
лагранжиан инвариантен относительно SU(3)×SU(2)×U(1). Каждая группа → сохраняющийся заряд: цвет (кварков), изоспин (слабого взаимодействия), электрический заряд.
Явное нарушение
∂L/∂x ≠ 0 (источник, зависящий от положения). Закон сохранения заменяется уравнением с «источником»: dJ/dt = нарушающий член. Пример: маятник в воде (диссипация) — энергия не сохраняется.
Спонтанное нарушение
уравнения обладают симметрией, но «вакуумное» (равновесное) состояние — нет.
Теорема Голдстоуна
при спонтанном нарушении непрерывной глобальной симметрии возникают безмассовые бозоны (голдстоуновские моды). Это «бесплатные» колебания вдоль направления нарушенной симметрии.
Механизм Хиггса
если симметрия локальная (калибровочная), голдстоуновские бозоны «поглощаются» калибровочными полями, и те приобретают массу. Именно так бозоны W± и Z⁰ приобрели массу, что объясняет короткодействие слабого взаимодействия.
Система
частица в центральном поле U = U(r), r = √(x²+y²). L = m(ẋ²+ẏ²)/2 − U(r).
Симметрия
повороты (x,y) → (x cos α − y sin α, x sin α + y cos α). Это непрерывная симметрия (группа SO(2)).
Ток Нётер
J = m(xẏ − yẋ) = Lz (момент импульса по оси z). Закон: Lz = const.

В 1915 году Эмми Нётер доказала теорему, которую физики называют одним из величайших достижений математической физики XX века. Теорема утверждает: каждой непрерывной симметрии физической системы соответствует закон сохранения. Пространство однородно? → сохраняется импульс. Время однородно? → сохр...

Симметрия действия S[y] = ∫L(x,y,y') dx — это однопараметрическая группа преобразований (x,y) → (x̄(x,y,ε), ȳ(x,y,ε)) при ε → 0, не меняющая значение S.

Инфинитезимальное преобразование: x̄ = x + εξ(x,y) + O(ε²), ȳ = y + εη(x,y) + O(ε²).

Теорема Нётер (1915): если действие S[y] = ∫L(x,y,y')dx инвариантно относительно однопараметрической группы с генератором (ξ, η), то существует ток Нётер — сохраняющаяся величина: