Материал: Вариационные методы

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

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

 

 

 

 

 

 

dG

∂ ′ dx y

+ε2σb = 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 +εσa (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.

Источник: https://studfile.net/preview/15721953/