Теорема о необходимом условии экстремума для изопериметрической задачи
где
x2 |
x2 |
σa = ∫δa y dx, |
σb = ∫δb y dx |
x1 |
x1 |
и ε1, ε2 → 0 при σa, σb → 0 .
Потребуем теперь, чтобы проварьированная кривая y1(x)= y(x)+δa y +δb y
удовлетворяла условию (5.3). Вариацию функционала можно
|
∂G − |
d |
|
∂G |
|
|
|
||||||
∆K = K(y1 )− K(y)= |
|
|
|
|||
|
|
|
||||
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
dx |
∂y′ |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
Выберем теперь точку b так, что
представить в аналогичном виде
|
|
σ |
|
|
∂G |
− |
+ε′ |
|
+ |
∂y |
|||
1 |
|
|
a |
|
|
|
x=а |
|
|
|
|
|
|
d∂G
∂ ′ dx y
+ε2′ σb = 0
x=b
|
∂G |
|
d |
|
∂G |
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
≠ 0 |
|
|||
|
|
|
(5.6) |
|||||||
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
dx |
∂y′ |
|
x=b |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Теорема о необходимом условии экстремума для изопериметрической задачи
Такая точка существует, так как по условию теоремы y(x) не является экстремалью функционала – условия связи. При таком выборе точки ∆K=0 можно придать вид
|
|
|
|
∂G |
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
σ |
|
|
|
||
b |
= − |
|
|
|
|
|
|
∂G − |
|||
|
|
||||
|
|
|
|
||
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
d∂G
∂ ′ dx y
d∂G
∂ ′ dx y
x=a +ε′ σa (5.7)
x=b
Подставим (5.7) в (5.4), отбросив бесконечно малые
∂F
∆J = −∂y
d∂F
∂ ′ dx y
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
∂G − |
d |
|
|
∂G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
dx |
∂y′ |
|
|
|
|
∂F − |
|
∂F |
|
|
|
|
|
|||||||||||
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x=a |
|
d |
|
|
|
|
|
σ |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
∂G |
|
d |
|
∂G |
|
|
|
∂y |
dx |
|
∂y′ |
|
|
|
|
a |
(5.8) |
|||||||
x=a |
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x=b |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
∂y |
dx |
∂y′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
x=b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Теорема о необходимом условии экстремума для изопериметрической задачи
Обозначим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∂F |
|
|
d |
|
∂F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
∂y′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
λ = − |
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
x=b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.9) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
∂G |
|
|
d |
|
∂G |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
∂y′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
dx |
|
|
x=b |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
подставим (5.9) в (5.8) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
∂F − |
|
d |
|
∂F |
|
|
|
|
|
|
|
∂G |
|
d |
|
∂G |
|
|
|
|
|
||||||||
∆J = |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
λ |
− |
|
|
|
|
σ |
|
(5.10) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
∂y |
|
|
∂y′ |
|
|
|
|
|
|
|
|
∂y |
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|||||
|
|
dx |
|
|
x=a |
|
|
|
|
dx |
∂y′ |
|
x=a |
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Так как вариация функционала должна быть равно нулю, то из (5.10) следует, что экстремум функционала J при выполнении изопериметрического условия соответствует экстремуму функционала
x2
∫(F + λG)dx → extr Что и требовалось доказать.
x1
Пример 5.1 Решение вариационной задачи с изопериметрическим условием
Найти кривую в верхней полуплоскости, проходящую через точки (-1; 0) и (1; 0) , имеющую заданную длину π и охватывающую вместе с отрезком [-1; 1] максимальную площадь.
Мы ищем функцию y(x) для которой y(-1)=0, y(1)=0, интеграл
1
J(y) = ∫ ydx → max,
−1
принимает максимальное значение и выполняется условие
1
K(y)= ∫
1+ (y′)2 dx = π
−1
Мы имеем, таким образом изопериметрическую задачу.
Пример 5.1 Решение вариационной задачи с изопериметрическим условием
По Th 1 составляет функционал
1 |
|
|
|
dx |
2 |
||||
J(y)+ λK(y)= ∫ |
y + λ |
1+(y′) |
|
|
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
и пишем для него уравнение Эйлера
|
d |
|
|
y |
′ |
|
|
|
1−λ |
|
|
|
|
= 0 |
|||
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
dx |
1+ (y′) |
|
|
|
|||
отсюда находим
x −λ |
|
y′ |
|
= c1, |
|
|
|
||
|
|
|
||
1+(y′)2 |
|
|
y |
′ |
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1+(y′) |
|
||
|
2 |
x −c1 |
|
|
= |
||
|
|
|
|
λ |
|||
|
|
|
|
2 |
y′ = |
x −c |
|
||
|
, |
1 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ2 −(x −c1 )2 |
|
Интегрируя, получаем уравнение семейства окружностей
(x −c1 )2 + (y −c2 )2 = λ2
Значения произвольных постоянных и множителя Лагранжа λ определяются из граничных условий и условия связи.