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泛函与变分简介泛函与变分简介u 前言前言 如果某个定解问题不能严格解出，但另一个与它差如果某个定解问题不能严格解出，但另一个与它差别甚微的定解问题能严格解出，那么就可以运用别甚微的定解问题能严格解出，那么就可以运用近似法近似法求近似解求近似解近似解法涉及：变分法，有限差分法和模拟法等近似解法涉及：变分法，有限差分法和模拟法等 变分法变分法是研究求解泛函极值（极大或极小）的方法，是研究求解泛函极值（极大或极小）的方法，变分问题即是变分问题即是求泛函的极值问题求泛函的极值问题把定解问题转化为把定解问题转化为变分问题变分问题，再求变分问题的解，再求变分问题的解变分法的优点变分法的优点:(2)变分法易于变分法易于实现数学的统一化实现数学的统一化因为一般而言，因为一般而言，数学物理方程的定解问题都可以转化为变分问题尤其数学物理方程的定解问题都可以转化为变分问题尤其是前面介绍的斯特姆刘维尔本征值问题可转化为变分是前面介绍的斯特姆刘维尔本征值问题可转化为变分问题，变分法提供了施刘型本征值问题的本征函数系问题，变分法提供了施刘型本征值问题的本征函数系的完备性等结论的证明；的完备性等结论的证明；(1)变分法在物理上可以变分法在物理上可以归纳定律归纳定律因为几乎所有的自因为几乎所有的自然定律都能用变分原理的形式予以表达；然定律都能用变分原理的形式予以表达；(3)变分法变分法是解数学物理定解问题常用的近似方法，是解数学物理定解问题常用的近似方法，其其基本思想基本思想是是把数学物理定解问题转化为变分问题把数学物理定解问题转化为变分问题由直接解变分问题发展了一些近似解法，其中最有用由直接解变分问题发展了一些近似解法，其中最有用的是的是里茨里茨（Ritz）法）法 由于里茨法中的试探函数的选由于里茨法中的试探函数的选取较为麻烦，计算系数矩阵也十分困难，随着计算机取较为麻烦，计算系数矩阵也十分困难，随着计算机的展，又迅速发展了一种有限元法；的展，又迅速发展了一种有限元法；(4)变分法的应用变分法的应用不仅在经典物理和工程技术域，不仅在经典物理和工程技术域，而且在现代量子场论，现代控制理论和现代信息理论而且在现代量子场论，现代控制理论和现代信息理论等高技术领域都有十分广泛的应用等高技术领域都有十分广泛的应用有限差分法有限差分法：有限差分法把定解问题转化为代数方程，：有限差分法把定解问题转化为代数方程，然后通过电子计算机求定解问题的数值解然后通过电子计算机求定解问题的数值解模拟法模拟法：即用一定的物理模型来模拟所研究的定解问题，：即用一定的物理模型来模拟所研究的定解问题，而在模型上实测解的数值而在模型上实测解的数值 变分法变分法是这些方法中最为重要和切实有效的方法，是这些方法中最为重要和切实有效的方法，已经广泛应用于科学研究和工程计算之中已经广泛应用于科学研究和工程计算之中u变分法的基本概念变分法的基本概念 泛函泛函 变分法研究的对象是变分法研究的对象是泛函泛函，泛函是函数概念的推广，泛函是函数概念的推广为了说明泛函概念先看为了说明泛函概念先看2个例题：个例题：泛函通常以泛函通常以积分形式积分形式出现，比如上面描述的最速降线出现，比如上面描述的最速降线落径问题的公式更为一般而又典型的泛函定义为落径问题的公式更为一般而又典型的泛函定义为其中其中 称为称为泛函的核泛函的核 泛函的极值泛函的极值变分法变分法对于不同的自变量函数对于不同的自变量函数，与此相应的泛函，与此相应的泛函 也有不同的数值找出一个确定的自变量函数也有不同的数值找出一个确定的自变量函数，使泛函，使泛函 具有极值（极小或极大），这种泛函的极小值与极大具有极值（极小或极大），这种泛函的极小值与极大值统称为值统称为泛函的极值泛函的极值引入泛函的概念后，对于上述的最速降线问题变为泛函引入泛函的概念后，对于上述的最速降线问题变为泛函的极小值问题物理学中常见的有光学的极小值问题物理学中常见的有光学中的中的费马费马(Fermat)原理原理，分析力学中的，分析力学中的哈密顿哈密顿(Hamiton)原理原理等，都是泛函的极值问题等，都是泛函的极值问题 变分法变分法：所谓的变分法：所谓的变分法就是求泛函极值的方法就是求泛函极值的方法 泛函表示为一个自变量，一个函数及其一阶导数泛函表示为一个自变量，一个函数及其一阶导数的积分形式的积分形式泛函表示为一个自变量，一个函数及其一阶导数的积分形式，泛函表示为一个自变量，一个函数及其一阶导数的积分形式，即（即（17.1.2）若考虑两端固定边界的泛函问题若考虑两端固定边界的泛函问题：积分是在区域内通过两点积分是在区域内通过两点 的任意曲线进行的，其中的任意曲线进行的，其中 泛函中泛函中 为为由于由于两端固定两端固定，所以要求，所以要求，即，即 由由(17.1.8)，有，有（17.2.3）式式(17.2.3)的积分号下既有的积分号下既有，又有，又有，对第二项，对第二项应用分部积分法可使积分号下出现应用分部积分法可使积分号下出现(17.2.4)根据（根据（17.2.2）,所以所以 ,再根据再根据（17.2.4）故有故有（17.2.5）因为因为 并且并且 是任意的，所以是任意的，所以 (17.2.6)上式上式(17.2.6)称为称为欧拉（欧拉（Euler）拉格朗日（）拉格朗日（Lagrange）方程，简称为方程，简称为E-L方程方程 即为即为不显含不显含，故其故其E-L方程为（方程为（17.2.7）式）式令令，故有，故有 令令，分离变量得到，分离变量得到再令再令，代入上式得到，代入上式得到即得到即得到此即为摆线的参数方程，积分常数可由初始位置此即为摆线的参数方程，积分常数可由初始位置