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歐拉-拉格朗日方程 - Wikipedia

歐拉-拉格朗日方程

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歐拉-拉格朗日方程 (Euler-Lagrange equation) 為變分法中的一條重要方程。它提供了求泛函的極值的一個方法。

目录

[编辑] 第一方程

設 f=f(x,\ y,\ z) ，以及 f_y,\ f_z 在 [a,\ b]\times\mathbb{R}^2 中連續, 並設泛函

J(y)=\int_a^b f(x, y(x), y'(x))dx 。

若 y\in C^1[a,\ b] 使得泛函 J(y) 取得局部極值，則對於所有的 x\in(a,\ b) ，

\frac{d}{dx}\frac{\partial}{\partial y'}f(x, y, y')=\frac{\partial}{\partial y}f(x, y, y') 。

推廣到多維的情況， 記

\vec{y}(x)=(y_1(x), y_2(x), \ldots, y_n(x)) ，
\vec{y}'(x)=(y'_1(x), y'_2(x), \ldots, y'_n(x)) ，
f(x, \vec{y}, \vec{y}')=f(x, y_1(x), y_2(x), \ldots, y_n(x), y'_1(x), y'_2(x), \ldots, y'_n(x)) 。

若 \vec{y}'(x)\in(C^1[a, b])^n 使得泛函 J(\vec{y})=\int_a^bf(x, \vec{y}, \vec{y}')dx 取得局部極值，則在區間 (a,\ b) 內對於所有的 i=1,\ 2,\ \ldots,\ n ，皆有

\frac{d}{dx}\frac{\partial}{\partial y'_i}f(x, \vec{y}, \vec{y}')=\frac{\partial}{\partial y_i}f(x, \vec{y}, \vec{y}') 。

[编辑] 第二方程

設 f=f(x,\ y,\ z) ，及 f_y,\ f_z 在 [a,\ b]\times\mathbb{R}^2 中連續，若 y\in C^1[a,\ b] 使得泛函 J(y)=\int_a^b f(x, y(x), y'(x))dx 取得局部極值，則存在一常數 C ，使得

f(x, y, y')-y'(x)f_{y\,'}(x, y, y')=\int_a^x f_x(x(t), y(t), y'(t))dt+C 。

[编辑] 例子

設 (0,\ 0) 及 (a,\ b) 為直角坐標上的兩個固定點，欲求連接兩點之間的最短曲線。設 (x(t),\ y(t)) (t\in[0,\ 1]) ，並且

(x(0),\ y(0))=(0,\ 0),\ (x(1),\ y(1))=(a,\ b) ；

這裏，(x(t),\ y(t))\in C^1[0,\ 1] 為連接兩點之間的曲線。則曲線的弧長為

L(y)=\int_0^1\sqrt{[x'(t)]^2+[y'(t)]^2}dt 。

現設

\vec{y}(t)=(x(t),\ y(t)) ，
f(t,\ \vec{y}(t),\ \vec{y}'(t))=\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2} ，

取偏微分，則

f_{x'}=\frac{x'(t)}{\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}} ，
f_{y'}=\frac{y'(t)}{\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}} ，
fx = fy = 0 。

若 y 使得 L(y) 取得局部極值，則 y 符合第一方程：

\frac{d}{dt}f_{x'}(t, y, y')=f_y(t, y, y')=0 ，
\frac{d}{dt}f_{y'}(t, y, y')=f_y(t, y, y')=0 。

因此，

\frac{d}{dt}\frac{x'}{\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}}=0 ，
\frac{d}{dt}\frac{y'}{\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}}=0 。

隨 t 積分，

\frac{x'}{\sqrt{x'^2+y'^2}}=C_0 ，
\frac{y'}{\sqrt{x'^2+y'^2}}=C_1 ；

這裏，C_0,\ C_1 為常數。重新編排，

x'=\sqrt{\frac{C_0^2}{1-C_0^2}}=r ，
y'=\sqrt{\frac{C_1^2}{1-C_1^2}}=s 。

再積分，

x(t) = rt + r' ，
y(t) = st + s' 。

代入初始條件

(x(0),\ y(0))=(0,\ 0) ，
(x(1),\ y(1))=(a,\ b) ；

即可解得 (x(t),\ y(t))=(at,\ bt) ，是連接兩點的一條線段。

另經過其他的分析, 可知此解為唯一解，並且該解使得 L(y) 取得極小值，所以在平面上連結兩點間弧長最小的曲線為一直線。

[编辑] 參閱

[编辑] 參考書籍

  • Troutman, John L. Variational Calculus and Optimal Control, 2nd edition, (Springer, 1995), ISBN 978-0387945118.


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