鄭神州,于海燕
(1. 北京交通大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,北京 100044; 2.內(nèi)蒙古民族大學(xué) 數(shù)理學(xué)院,內(nèi)蒙古 通遼 028043)
變分技術(shù)有著悠久的歷史,幾乎與微積分理論同時誕生. 變分法是從約翰·伯努利(1696年)提出最速曲線問題開始出現(xiàn)的,同時代的牛頓和萊布尼茨對該發(fā)展也有貢獻. 歷史上,歐拉對這個理論的貢獻非常大,他的著作《變分原理》給予了這門科學(xué)這個名字,當(dāng)今人們把對應(yīng)于泛函的臨界點的微分方程稱為歐拉方程,或稱歐拉-拉格朗日方程. Weierstrass給出的反例表明:通常連續(xù)的可微函數(shù)空間可能達不到泛函的極值,他的貢獻完善了變分學(xué),使其具備現(xiàn)代表述特征. 20世紀(jì)伊始,希爾伯特在巴黎國際數(shù)學(xué)家大會的講演中提到的23個著名數(shù)學(xué)問題就涉及變分問題,變分法的思想貫穿了庫朗和希爾伯特所著的《數(shù)學(xué)物理方法》一書,Pontryagin、Rockafellar和Clarke廣義變分法理想控制論發(fā)展了新的數(shù)學(xué)工具[1,2].極小曲面(肥皂泡)研究(又稱Plateau問題),拉格朗日力學(xué)、最小作用量原理、微分幾何中的測地線等均是有約束的變分問題研究[3,4]. 變分是研究泛函的極值問題的基本方法,這是一種處理數(shù)學(xué)、物理、工程等領(lǐng)域有關(guān)最優(yōu)化問題的一種基本的數(shù)學(xué)技術(shù),它往往與給定邊界條件的某類微分方程(從所周知的歐拉-拉格朗日方程)密切相關(guān)[4,5]. 事實上,在物理和工程等實際問題中,經(jīng)常考慮某個泛函取得極大或極小值(或者是一些約束條件下的極值),變分法就成為處理泛函的數(shù)學(xué)領(lǐng)域的“微積分”了,和處理函數(shù)的普通微積分相對應(yīng);所以變分法在泛函問題中所起的作用,猶如微分在函數(shù)研究中一樣[5,6]. 另外,變分的直接方法來計算近似解,如Ritz法和有限元素法,變分法提供了有限元方法的數(shù)學(xué)基礎(chǔ);在尋找變分泛函極大和極小值時,在一個解附近的微小變化的分析給出一個近似[6-8]. 很多時候?qū)⒎汉D(zhuǎn)化為歐拉-拉格朗日方程,有一些微分方程求解工作可以利用,比如格林函數(shù)求解法[3,6,9].
變分技術(shù)是物理學(xué)和自然界存在方式和運行機制的基本原理[3,6-8]. 例如:幾何光學(xué)中的費馬原理(1662年,又名“最短時間原理”):費馬原理正確的稱謂應(yīng)是“平穩(wěn)時間原理”:光沿著所需時間為平穩(wěn)的路徑傳播,光線傳播的路徑是需時最少的方式.從費馬原理可導(dǎo)出3個幾何光學(xué)定律:光線在真空中的直線傳播、光的反射定律和光的折射定律;力學(xué)中的最小作用量原理和哈密爾頓原理,等周問題,電磁理論,及量子力學(xué);根據(jù)斯蒂芬·沃爾夫?qū)恼f法,愛因斯坦場方程也涉及一個變分原理,作為愛因斯坦-希爾伯特作用量的約束.
引理1.2(變分原理):如果函數(shù)f(x)∈C(a,b),對于[a,b]上滿足η(a)=η(b)=0的任意連續(xù)函數(shù)η(x)(下文中用C0[a,b]表示在[a,b]上緊支的連續(xù)函數(shù)類),如果
(1)
那么必有f(x)≡0,?x∈(a,b).
證明:反證法,設(shè)有x0∈(a,b)使得f(x0)≠0,不妨設(shè)f(x0)>0.由f(x)∈C[a,b],則一定存在ε>0,使f(x)>0,x∈[x0-ε,x0+ε]?(a,b)這樣我們構(gòu)造下面一個連續(xù)函數(shù)η(x):
(2)
其中α=x0-ε,β=x0+ε,所以η(x)∈C0[a,b],且
(3)
與引理1.2條件矛盾,所以對于任意的x∈(a,b),都有f(x)≡0.
推廣到高維情形,陳述如下:
引理1.3:設(shè)定義在Ω?Rn(n≥2)上的連續(xù)函數(shù)f(x),如果對于在Ω上連續(xù)且在?Ω為零處的任意函數(shù)η(x),均有
則f(x)≡0,?x∈Ω.
定義1.4:如果泛函J[y]在y=y0(x)擾動的一個ε鄰域內(nèi)都不大(小)于J[y0],那么我們稱泛函J[y]在y=y0(x)有極大(小)值.也就是說
J[y]≥J[y0](極小),J[y]≤J[y0](極大)
(4)
使J[y]取到極值的函數(shù)稱為極值函數(shù).
計算泛函J[v]臨界函數(shù)y=u(x)的歐拉-拉格朗日方程可以通過這樣來得到:內(nèi)積
例1.5:以最簡單的泛函為例,討論使泛函取到極值的必要條件.設(shè)
(5)
在α=0達到極值.根據(jù)微積分理論得:α=0一定是J(α)的駐點,即
(6)
稱之為上述泛函變分問題的歐拉-拉格朗日方程.對于特殊情況:F(x,y′)與y無關(guān)時,利用上述歐拉-拉格朗日方程(6),得到
所以
(7)
如計算J[v]臨界點時,我們也可以用η=δu來計算δJ[v].
定義1.6:一般地在允許函數(shù)類的兩個函數(shù)y(x)、m(x),若彼此任意接近,那么m(x)與y(x)之差δy(x)=m(x)-y(x)稱為函數(shù)y(x)的變分.對于一個泛函J[y],函數(shù)變分所引起的泛函增加量為ΔJ=J[y+δy]-J[y].如果可以展開為
其中δJ:=L[y,δy]稱為泛函的一階變分,δ2J:=Q[y,δy]為泛函的兩階變分.
這樣可得到下面的泛函極值的必要條件.
定理1.7:若泛函J[y]在y=y0(x)上達到極值,則泛函在y=y0(x)上的一階變分δJ滿足
δJ=0
注1.8:當(dāng)然像函數(shù)的駐點不是極值點一樣,不是每一個臨界點都能達到泛函的極值的,其中鞍點和許多的退化點也是臨界點.例如對泛函式(5),計算得到
欣賞如下幾個實際的具體例子,這些例子在相應(yīng)學(xué)科發(fā)展史上也起過關(guān)鍵的作用,它們也是理解變分法基本原理、結(jié)構(gòu)和方法的良好途徑.
例2.1:最短線(或稱短程線)問題:眾所周知,連接兩固定點的所有連續(xù)曲線中最短路徑是直線段,這是顯然的事實,可要從數(shù)學(xué)嚴(yán)格意義下得到并不容易.以平面問題為例論證.
圖1 最短線問題
(8)
(9)
把式(8)代入式(9),展開后有
(10)
由于式(10)對于任意的η=η(x)都成立,根據(jù)變分引理,得到
(11)
求解之,這意味y=C1x+C2.因此,在平面上過固定兩點距離最近的光滑曲線是直線.
注2.2:幾何光學(xué)問題:費馬原理表明光線在光學(xué)介質(zhì)中的傳播會選擇傳播時間最短的方式.在非均勻的平面介質(zhì)中光的速度c(x,y)是隨點的變化而變化,與介質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)有關(guān).假設(shè)光線傳播的軌跡為曲線y=u(x),t為時間變量; 則
(12)
積分之,于是關(guān)于曲線u(x)的時間泛函為
(13)
這時,費馬原理轉(zhuǎn)化為:尋找連續(xù)可導(dǎo)函數(shù)y=u(x),使得達到min(T[u]).如果是在均勻介質(zhì)(如真空)中傳播,這時c(x,y)=c是常數(shù);例2.1表明此時的傳播路徑是直線.
注2.3:曲面上測地線問題:歐式空間R3中曲面S可用函數(shù)z=F(x,y)的圖[x,y,F(x,y)]表示,在曲面S上尋找連接給定兩點M[a1,b1,F(a1,b1)],N[a2,b2,F(a2,b2)]的最短曲線C?S,稱為其測地線.設(shè)曲線C以x為參數(shù)表示:x=x,y=u(x),z=F[x,u(x)].于是我們所尋找的測地線是滿足邊界條件:u(a1)=b1,u(a2)=b2的如下泛函極小值:
(14)
(15)
u(0)=P1,u(1)=P2
連接弧長P1P2的弧長為
(16)
其中c是一個積分常數(shù),由定義知: -1≤c<1.所以
即cθ′2=cos4θ-c2cos2θφ′(t)2,作變量代換t=tanθ,有
例2.5:最速降線問題:在重力作用下,一個粒子沿著該路徑可以在最短時間從給定點A到達不直接在它底下的給定點B,如圖2所示.
解:先在該豎直平面上取一直角坐標(biāo)系,以A為坐標(biāo)原點,水平為x軸,向下為y軸.曲線的方程為y=y(x),A點坐標(biāo)(x0,y0)=(0,0),B點坐標(biāo)(x1,y1).曲線上任意一點P時的速度為
因此,重物沿該曲線從A點滑到B點所需要的總時間為
(17)
由于y(0)=0, 所以d=0.于是最速降曲線是一族經(jīng)過原點的一段擺線(旋輪線)
即:圓周x2+(y-r)2=r2沿x軸滾動時,圓周上點(0,0)的運動軌跡.
注2.6:對于旋轉(zhuǎn)極小曲面泛函式(16),有
則有
由于
得
(18)
這是一條懸鏈線,常數(shù)c、c1由邊界條件給出.若取特定常數(shù),得到該參數(shù)曲線為旋輪線(或稱為擺線)
即:圓周x2+(y-r)2=r2沿x軸滾動時,圓周上點(0,0)的運動軌跡.
例2.7:等周問題:用參數(shù)表示的平面曲線方程為x=x(s),y=y(s),參數(shù)s可以理解為曲線從起點的長度.如果曲線的長度為l,那么s∈[0,l].由于曲線是封閉,所以有邊界條件
x(0)=x(l),y(0)=y(l)
(19)
而該曲線的長度為
(20)
該曲線所圍成的面積為(根據(jù)Green公式)
(21)