Определение. Переменная называется функционалом,
зависящим от функции
, если каждой кривой из
заданного класса функций
соответствует действительное значение
, т.е. функции соответствует число.
Далее будем использовать следующие классы функций:
1) – непрерывные функции
, определенные на отрезке
с нормой
;
2) –
непрерывные функции
, имеющие непрерывные производные
до порядка m включительно, определенные на
отрезке
с нормой .
Определение. -окрестностью
порядка m кривой
называется
совокупность кривых такая, что
|
(13.1) |
Кривые ,
на которых сравниваются значения функционала, называются допустимыми кривыми
или кривыми сравнения. Через
будем обозначать
допустимую кривую, на которой функционал достигает экстремума. Разность
называется вариацией кривой
.
Используя вариацию , можно представить любую
допустимую кривую в виде
|
(13.2) |
где –
фиксированная функция;
– числовой параметр.
Используя вариацию ,
можно ввести определение вариации функционала. Будем называть величину
|
(13.3) |
первой вариацией функционала, а величину
|
(13.4) |
второй вариацией функционала.
Говорят,
что функционал , определенный на классе
кривых
, достигает
на кривой
глобального минимума
(максимума), если
.
Понятие
локального экстремума связано с исследованием поведения функционала на близких кривых. Говорят, что функционал достигает на кривой
слабого локального минимума (максимума), если
в
-окрестности нулевого порядка кривой
. Аналогично вводится понятие сильного
локального минимума (максимума), если
-окрестности
кривой
будут первого порядка.
Приведем необходимые условия локального экстремума, которые совпадают для сильного и слабого экстремума.
Теорема 1 [8]. Если функционал ,
имеющий вариацию, достигает минимума или максимума на кривой
, где
есть
внутренняя точка
области определения функционала, то при первая
вариация функционала равна нулю
|
(13.5) |
При выводе необходимых условий экстремума для различных задач вариационного исчисления используется следующая важная теорема.
Теорема 2 [10] (основная лемма вариационного исчисления). Если для
каждой непрерывной функции
|
(13.6) |
где функция непрерывна
на отрезке
, то
на
том же
отрезке.
Утверждение
этой теоремы не изменится, если на функцию наложить
ограничения:
имеет непрерывную
производную и
.
Все изложенное выше без изменения
переносится на функционалы , зависящие от
вектор-функции
одной переменной или
зависящие от функций нескольких переменных.
Простейшая вариационная задача
Рассмотрим множество допустимых функций
, удовлетворяющим условиям:
а) функции определены
и непрерывно дифференцируемы
на отрезке , где
и
заданы, т.е.
;
б) функции удовлетворяют
граничным условиям
|
(13.7) |
где значения заданы,
т.е. кривые проходят через две закрепленные граничные точки.
На множестве задан
функционал
|
(13.8) |
где подынтегральная функция имеет непрерывные частные
производные до второго порядка включительно по всем переменным.
Среди допустимых кривых требуется найти
кривую , на которой функционал (13.8)
достигает экстремума, т.е.
|
(13.9) |
Так как на кривые не
наложено дополнительных условий, кроме граничных, задача (13.9) называется
задачей поиска безусловного экстремума.
Стратегия поиска решения задачи (13.9)
состоит в определении
вариации функционала и приравнивании ее к
нулю согласно теореме
о необходимых условиях экстремума функционала. В результате получаются
соотношения, позволяющие найти кривые, “подозрительные”
на наличие экстремума. С помощью анализа второй вариации функционала выводятся
достаточные условия экстремума, позволяющие сделать вывод о достижении сильного
или слабого минимума или максимума.
Найдем первую вариацию из выражения (13.3)
и приравняем
ее к нулю:
|
(13.10) |
где ,
– соответствующие производные
подынтегральной функции.
К выражению (13.10) применима основная
лемма вариационного
исчисления, так как в силу условий задачи на
кривой функция
является
непрерывной, а вариация
– произвольной
непрерывно дифференцируемой функцией, удовлетворяющей условиям
.
Следовательно, кривая
, на которой достигается
экстремум функционала, удовлетворяет уравнению
|
(13.11) |
Уравнение (13.11) называется уравнением Эйлера. В развернутой форме уравнение (13.11) имеет вид
|
(13.12) |
и при представляет
собой обыкновенное дифференциальное уравнение второго порядка. Его общее
решение
определяет семейство экстремалей, а
два граничных условия
позволяют найти произвольные константы
и
и,
как следствие, кривую
, на который может
достигаться экстремум.
Теорема 3 [необходимые условия
экстремума в задаче (13.9)]. Если на кривой ,
удовлетворяющей граничным условиям
, достигается
слабый экстремум функционала в задаче (13.6), то она удовлетворяет уравнению
Эйлера (13.11). Если кроме того
имеет непрерывные
частные производные до второго порядка
включительно, то во всех точках
,
где
, функция
имеет
непрерывную вторую производную.
Краевая задача (13.11), (13.7) не всегда имеет решение, а если имеет, то не всегда единственное. Уравнение Эйлера интегрируется в квадратурах лишь в исключительных случаях. Приведем некоторые из них.
1) Функция не
зависит от x явно:
, тогда уравнение Эйлера принимает
вид
и, следовательно,
|
(13.13) |
Соотношение (13.13) называется первым
интегралом уравнения
Эйлера.
2) Функция не
зависит от t и x
явно:
,
тогда уравнение Эйлера (13.9) записывается в форме .
Его общее решение имеет вид
|
(13.14) |
3) Функция не
зависит от t и
явно:
или
не зависит от явно:
, тогда задача (13.9) в общем случае
решения не имеет, так как уравнение Эйлера принимает вид
и не является дифференциальным, т.е. его решение не содержит произвольных
констант и поэтому не удовлетворяет граничным условиям.
Однако если решение уравнения проходит через
граничные
точки и
,
то экстремаль существует.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.