Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Rozova_Maximova

.pdf
Скачиваний:
153
Добавлен:
15.04.2015
Размер:
714.37 Кб
Скачать

Рассмотрим функцию h*(t), которая обращается в

нуль вне Sδ(t*), а внутри этой окрестности строго положительна (например, функция типа «шапочки»). Тогда

b

 

 

C

 

A(t)h * (t)dt =

 

A(t)h * (t)dt >

h * (t)dt > 0 .

2

a

Sδ (t*)

 

Sδ (t*)

 

 

Получили противоречие с условиями леммы. Лемма доказана.

Лемма Дюбуа–Рэймона. Если A(t) C[a;b]

и

b

A(t)h(t)dt = 0 , h(t) C1[a;b]: h(a)=h(b)=0 , то A(t)const

a

на отрезке [a;b].

Док-во (от обратного).

Пусть A(t)const на [a;b]. Тогда существуют точки t1, t2 [a;b]: A(t1)A(t2). Аналогично лемме Лагранжа, можно считать, что t1, t2 (a;b). Пусть, для определенности,

A(t1)< A(t2).

Тогда существует такая константа C, что

A(t1)<C< A(t2).

Рассмотрим на отрезке [a;b] функцию h*(t) такую, что

b

 

dt = 0,

(h * (t))

и (h*(t)) >0 при t Sδ(t1),

a

 

 

 

 

 

 

(h*(t)) <0 при t Sδ(t2),

(h*(t))=0 вне окрестностей Sδ(t1) и Sδ(t2).

21

Тогда

b

 

 

b

 

 

b

A(t)(h * (t))dt = ( A(t) C)(h * (t))dt + C(h * (t))dt =

a

 

 

a

 

 

a

=

 

(A(t) C)(h * (t))dt +

 

( A(t) C)(h * (t))dt < 0.

 

 

 

 

Sδ (t1 )

<0

>0

Sδ (t2 )

>0

<0

Получили противоречие с условием леммы, стало быть, не

существует таких t1, t2 [a;b], что A(t1)A(t2), т.е. A(t)const

на отрезке [a;b]. Лемма доказана.

Замечание. Леммы Лагранжа и Дюбуа– Рэймона называются основными леммами вариационного исчисления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

(t))

 

 

 

Теорема существования

d f (t, xˆ(t), x

.

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть xˆ(t) – экстремаль. Тогда вдоль экстремали су-

ществует производная:

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d f (t, xˆ(t), x(t))

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Док-во

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

f

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

f

 

ˆ

 

 

 

F (xˆ)[h] = [

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

(t, xˆ(t), x

(t))h +

 

 

x

(t, xˆ

(t), x

(t))h]dt.

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим первое слагаемое

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

f

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

b

 

t

f

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

x

(t, xˆ(t), x(t))h(t)dt = h(t)d[

x

 

 

(s, xˆ(s), x(s))ds] =

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

f

 

 

b

 

 

b

t

f

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

x

ds h(t)

 

a [

x

(s, xˆ(s), x

(s))ds] h(t)dt .

 

 

a

 

 

 

 

 

 

a

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первое слагаемое обращается в нуль, так как в задаче с закрепленными концами h(a)=h(b)=0.

22

Получаем

 

 

 

 

b

t

f

 

 

 

 

ˆ

 

 

f

 

ˆ

 

F (xˆ)[h] = [

 

(s, xˆ

 

 

 

 

(t, xˆ

 

x

(s), x

(s))ds +

 

x

(t), x

(t))]hdt.

 

 

 

 

a

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По необходимому

условию

экстремума

на

экстремали

F (xˆ)[h] = 0 , h . По лемме Дюбуа–Рэймона имеем:

t

f

 

 

 

ˆ

 

 

 

f

 

 

ˆ

 

 

 

 

x

(s, xˆ

(s), x(s))ds

+

x

(t, xˆ(t), x(t)) = const

= C.

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

ˆ

 

 

t

 

f

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

(t, xˆ(t), x

(t)) =

 

 

 

(s, xˆ(s), x

(s))ds + C.

 

 

x

 

x

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оба слагаемых в правой части последнего равенства дифференцируемы по t, следовательно, и левая часть равенства так

же

дифференцируема по t, т.е. существует производная

 

 

 

ˆ

(t))

 

 

d f (t, xˆ(t), x

, что и доказывает теорему.

 

dt

 

 

 

 

x

 

 

Теорема существования второй производной экстремали.

Экстремаль x= xˆ(t) дважды дифференцируема во всех

точках t [a;b], в которых

2

f (t, xˆ

 

ˆ

(t))

0 .

 

 

 

 

(t), x

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

Док-во.

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(t))

 

Существование производной

d f (t, xˆ(t), x

озна-

dt

 

 

 

 

чает, что существует предел:

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

1

[ f (t +

ˆ

 

ˆ

t)) f

ˆ

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

t, x(t + t), x(t +

(t, x(t), x(t))] =

t0

t

x

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

[ f

(t + θ

 

ˆ

 

 

ˆ

 

 

t))

t +

 

 

 

 

= lim

 

 

 

 

 

 

 

+ θ

 

 

 

 

 

 

t, x(t + θ

t), x(t

 

 

 

 

 

t0

 

t

 

xt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ f xx (t + θ t, xˆ(t + θ

 

+ θ t)) xˆ +

 

 

 

 

 

 

t), x(t

 

 

 

 

 

 

+ f (t + θ

 

 

ˆ

 

 

 

ˆ

 

+ θ t))

ˆ

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, x(t + θ

t), x(t

x]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

= lim[ f

 

+ f

 

 

 

 

 

+ f

x

] = f

 

 

+ f

 

 

 

 

 

x

, где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + lim f

 

 

t0

xt

 

 

 

xx

 

 

t

 

 

 

xx

t

 

xt

 

xx

 

 

t0

xx

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, xˆ(t + θ

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f xt

 

= f xt (t + θ

 

 

+ θ

t)),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t), x(t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, xˆ(t + θ

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f xx

 

= f xx (t + θ

 

(t

+ θ

t)),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t), x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

= f (t + θ

 

 

 

 

+ θ t)).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t, x(t + θ

 

t), x(t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопоставляя начало и конец этой цепочки преобразований, заметим, что предел левой части и первые два слагаемых правой части существуют, откуда вытекает, что у третьего слагаемого в правой части существует предел во

всех точках t [a;b], в которых

2

f (t, xˆ

ˆ

(t))

0 . Таким

 

(t), x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

x

 

 

образом, мы доказали существование

ˆ

. Теорема доказана.

x(t)

5.2. Вывод уравнения Эйлера для классической задачи вариационного

исчисления

По принципу Ферма F (xˆ)[h] = 0 h Преобразуем выражение для производной

b

f

 

ˆ

 

f

 

 

F (xˆ)[h] = [

x

(t, xˆ

(t), x

(t))h +

x

(t, xˆ

(t

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

), ˆ( )) ]

x t h dt =

24

b

f

 

 

ˆ

 

 

d

 

f

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

= [

x

(t, xˆ

(t), x(t))h (

dt

 

x

(t, xˆ

(t), x

(t))h]dt +

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(t, xˆ

 

ˆ

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

(t), x

(t))h(t)

 

a ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d f (t, xˆ

(t))

так как, по доказанному выше, производная

 

(t), x

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

существует.

Последнее слагаемое равно нулю в силу закрепленных концов, так как h(a)=h(b)=0.

 

 

b

 

f

 

 

 

ˆ

 

 

 

 

d

 

 

f

 

 

ˆ

 

Тогда F (xˆ)[h] =

[

 

(t, xˆ

(t), x

(t))

 

 

 

 

 

(t, xˆ

(t), x

(t))]hdt h .

x

 

dt x

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По лемме Лагранжа получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

(t, xˆ

 

 

ˆ

 

 

d

 

f

 

, xˆ

 

 

 

ˆ

(t)) = 0 .

 

x

(t), x

(t))

dt

 

 

(t

(t), x

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, мы доказали следующую теорему.

Теорема. Пусть xˆ(t) – точка локального экстремума в

задаче

b

F(x) = f (t, x(t), x(t))dt extr, x(a)=xa, x(b)=xb,

a

f (t, x(t), x(t)) дважды непрерывно дифференцируема как

функция трех переменных, тогда выполнено уравнение Эйлера

f

(t, xˆ

ˆ

 

d f

(t, xˆ

ˆ

(t)) = 0 , t [a;b].

x

(t), x

(t))

 

 

 

(t), x

 

 

 

dt x

 

 

 

Замечание. Запишем уравнение Эйлера в развернутом

виде:

25

 

 

 

 

 

ˆ

(t))

 

2

 

 

ˆ

(t))

 

 

 

 

 

f (t, xˆ(t), x

 

f (t, xˆ(t), x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xt

 

 

 

 

 

2

f (t, xˆ

ˆ

(t))

 

 

2

f (t, xˆ

ˆ

(t))

 

 

 

(t), x

 

 

 

(t), x

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

Замечание. Данная теорема дает лишь необходимое, но не достаточное условие слабого локального экстремума.

Итак, для нахождения кривой, реализующей экстремум функционала в задаче с закрепленными концами, необходимо:

1.Выписать уравнение Эйлера;

2.Решить полученное дифференциальное уравнение второго порядка;

3.Определить обе произвольные постоянные, входящие в общее решение этого уравнения, из краевых условий

x(a)=xa, x(b)=xb.

Замечание. Экстремум функционала может реализоваться только на допустимых экстремалях. Однако для того чтобы установить, реализуется ли экстремум и притом максимум или минимум, надо воспользоваться достаточными условиями экстремума, изложенными в пункте 8.4.

Пример 1. Найти экстремали функционала

 

2

2

2tx)dt; x(1)=0, x(2)= 1.

 

 

 

F(x) = (x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2tx . Уравнение Эйле-

Решение. Здесь f (t, x(t), x(t)) = x

 

ра имеет вид

x + t = 0.

Проинтегрировав два раза, получим

 

 

 

 

 

 

 

общее решение уравнения Эйлера:

26

x(t) = − t 3 + C1t + C2 . 6

Граничные условия дают систему линейных уравнений для определения С1 и С2:

C1 + C2 = 16 ,

2C C 2 .+ =

1 2 6

Отсюда C1 = 16 ,C2 = 0 . Следовательно, экстремум может

достигаться лишь на кривой

xˆ = 6t (1 t 2 ) ,

в классе x(t) C1([1;2]).

Пример 2. Найти экстремали функционала

2π

F(x) = (x2 x2 )dt ,

0

удовлетворяющие граничным условиям x(0)=1, x(2π)=1.

Решение. Уравнение Эйлера имеет вид x + x = 0. Его общим решением является

x(t)=C1cost+C2sint.

Используя граничные условия, получим xˆ(t) =cost+Csint,

где С – произвольная постоянная.

Таким образом, поставленная вариационная задача имеет множество экстремалей.

27

5.3. Специальные случаи уравнения Эйлера

1. Функция f (t, x(t), x(t))

линейно зависит от x , т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

f (t, x(t), x(t)) = M (t, x) + N(t, x)x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда уравнение Эйлера имеет вид

 

M

 

N

 

 

d

N (t, x) = 0,

x

+

x

dt

x

M

N

 

N

N

 

x

+

x

x t

x

x = 0,

M

N

= 0.

 

(5.2)

x

 

t

 

 

 

 

 

Возможны два случая:

1.Полученное уравнение – алгебраическое. Если данное уравнение имеет решение x(t), то оно не содержит произвольных постоянных. Таким образом, если полученное ре-

шение x(t) не удовлетворит краевым условиям x(a)=xa, x(b)=xb, то экстремальная задача решения не имеет.

2.Если (5.2) – тождество, т.е. Mx (t, x) = Nt (t, x) , то M(t,x)dt+N(t,x)dx – полный дифференциал.

Тогда

b b b

f (t, x, x)dt = (M (t, x)dt + N (t, x)dx) = dΦ = Φ

a = const.

 

 

 

b

a

a

 

 

a

Таким образом, значение функционала постоянно на допустимых кривых. Вариационная задача не имеет смысла.

Пример 1. Найти экстремали функционала

b

F(x) = (x

2

 

x(b)=xb.

 

+ 2txx)dt , x(a)=xa,

a

 

 

 

Решение. Здесь

f (t, x(t), x(t)) = M (t, x) + N(t, x)x .

 

 

 

 

28

Тогда уравнение Эйлера примет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

N

= 0,

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

= 2x,

N

= 2x.

 

 

 

 

 

M

 

N

x

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

То есть

=

– тождество.

 

 

 

 

 

 

 

 

x

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда (x

2

 

 

(tx

2

) = tx

2

 

b

2

2

= const.

 

+ 2txx)dt = d

 

 

 

a = bxb

 

axa

a

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, вариационная задача не имеет смысла.

Пример 2. Найти экстремали в следующей задаче

2π

 

π )=

π

 

x(2t x)dt ,

а) x(0)=0, x(

,

0

 

2

2

 

b) x(0)=0, x( π2 )= π4 .

Решение. Уравнение Эйлера примет вид 2t2x=0. Получили алгебраическое уравнение, решив которое, получим:

x(t)=t.

Проверим краевые условия:

а) x(0)=0, x( π2 )= π2 . В данном случае кривая x(t)=t удовле-

творяет краевым условиям и, следовательно, xˆ(t) = t – решение поставленной задачи;

b) x(0)=0, x( π2 )= π4 . В данном случае полученная кривая

x(t)=t не удовлетворяет краевым условиям и поставленная задача не имеет решений.

29

2. Функция

f (t, x(t), x(t))

 

 

явно

от

t

не

зависит, т.е.

f (t, x, x) = f (x, x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда уравнение Эйлера имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

2 f

 

2 f

 

 

 

 

 

2

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

2

 

x = 0 ,

 

 

 

 

 

 

 

xt

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

2 f

 

 

 

 

2 f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

x

 

 

 

x = 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

x :

Умножим обе части полученного уравнения на

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

2 f

2

 

2 f

 

 

 

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

xx

 

 

d

 

f

 

 

 

 

xx

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

( f

 

= 0 , таким образом, получаем первый ин-

 

 

 

dt

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теграл

f f x x = C1 = const.

Таким образом, мы получили дифференциальное уравнение первого порядка, тогда как исходное уравнение было второго порядка.

То есть в данном случае удается понизить порядок уравнения Эйлера.

3. Функция

f (t, x(t), x(t)) зависит

только от x , т.е.

 

 

 

 

 

 

 

f (t, x(t), x(t)) = f (x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение Эйлера в данном случае примет вид

 

 

d

 

f

f

 

 

 

 

 

= 0 , т.е.

 

= const .

 

 

 

 

 

 

dt x

x

 

Получили алгебраическое уравнение относительно x .

Тогда x(t)=C1t+C2.

30