Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение Эйлера – Пуассона

Простейшую вариационную задачу можно обобщить на случай, когда подынтегральная функция содержит производные высших порядков и функционал имеет вид

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (1)

Здесь функция F предлагает (n+2) раза дифференцируемой по всем аргументам, а граничные условия заданы в форме

Уравнение эйлера пуассона для функционала(2)

т.е. в граничных точках заданы значения не только функции, но и ее производных до порядка (n-1) включительно (всего 2n условий).

Решение задачи J = min ищется в классе C2n[t0,t1] гладких 2n раз дифференцируемых функций. Методика получения необходимого условия минимума функционала остается прежней: находится первая вариация критерия и приравнивается к нулю, что после преобразований приводит к уравнению

Уравнение эйлера пуассона для функционала, (3)

которые называются уравнением Эйлера-Пуассона и представляет в общем случае нелинейное дифференциальное уравнение 2n-порядка.

Его решение x(t,c1,c2,…,c2n) содержит 2n постоянных интегрирования. Последние находятся на основании такого же количества граничных условий (2).

Дадим вывод уравнения (3), ограничившись для простоты выкладок случаем, когда функционал зависит от производной не старше второго порядка:

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (4)

Предположим, что экстремум достигается на функции x(t), и прибавим к ней вариацию Уравнение эйлера пуассона для функционалатакую, что на концах при t=t0 и t=t1 как Уравнение эйлера пуассона для функционалаобращаются в нуль.

Определим вариацию функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала. (5)

Преобразуем теперь выражение (5), пользуясь формулой интегрирования по частям, причем третий член вариации будем интегрировать по частям дважды:

Уравнение эйлера пуассона для функционала(6)

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала. (7)

Вследствие условий на концах участка все неинтегральные члены обращаются в нуль, и, следовательно, на основе (5) — (7) получаем

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (8)

Поскольку необходимым условием экстремума является равенство нулю первой вариации функционала, а вариация Уравнение эйлера пуассона для функционалапроизвольна, то из равенства Уравнение эйлера пуассона для функционалаи леммы Лагранжа (основной леммы вариационного исчисления) следует уравнение (3).

В этом случае имеет место следующий аналог условия Лагранжа, позволяющий отличить максимум от минимума функционала (1): если функция x(t) доставляет минимум (максимум) функционалу, необходимо, чтобы Уравнение эйлера пуассона для функционала).

Пример. Применим теорему Лежандра к функционалу Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Следовательно, функционал достигает минимума на функции x(t) = t 2 , которую мы определили ранее.

Проверим это. Для чего подставим экстремаль в функционал и вычислим его значение

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Для сравнения вычислим значения функционала, например, на прямой линии, соединяющей те же точки (см. предыдущий рис.) – x(t) = t:

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Таким образом, мы убедились, что на экстремали x(t) = t 2 значения функционала меньше, чем на кривой x(t) = t: Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала, т.е. функционал действительно достигает на экстремали минимума, как это указывалось в условии Лежандра.

6. Задачи на условный экстремум: метод множителей Лагранжа.

Решение многих технических вопросов приводит к таким вариационным задачам, в которых функции, доставляющие экстремум должны, кроме того, удовлетворять некоторым дополнительным условиям. Так, например, в задаче о кратчайшей морской трассе на поверхности земного шара нужно найти минимум функционала – длины кривой

Уравнение эйлера пуассона для функционала(1)

при условии, что эта кривая лежит на поверхности земного шара, т.е. удовлетворяет уравнению сферы Уравнение эйлера пуассона для функционала. (2)

Экстремум функционала, определяемый при таком дополнительном условии называется условным экстремумом.

Наиболее простой в методическом плане способ решения указанной задачи на условный экстремум состоит в следующем. Из уравнения (2) выражаем функцию z(x) через функцию y(x)

Уравнение эйлера пуассона для функционала

и дифференцируем ее по х:

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (3)

Подставляем функцию (3) в функционал (1)

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала. (4)

Таким образом исходная задача на условный экстремум (1), (2) сведена к стандартной задаче на поиск экстремума функционала (4).

Однако необходимо подчеркнуть, что указанная процедура исключения неизвестных приводит часто к сложным вычислениям, а во многих случаях не может быть выполнена точно аналитически. В связи с этим Лагранжем был предложен другой достаточно простой метод решения – метод неопределенных множителей (множителей Лагранжа).

Сформулируем в общем виде задачу на условный экстремум.

Пусть задан функционал

Уравнение эйлера пуассона для функционала(4)

при наличии условий Уравнение эйлера пуассона для функционалаi=1,…,m, m

Функции Уравнение эйлера пуассона для функционалаi=1,…,m предполагаются гладкими и независимыми по переменным x1,…,xn .

Теорема. Если X(t) – экстремаль функционала (4), удовлетворяющая условиям (5),(6), то она удовлетворяет уравнениям Эйлера, составленным для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала, (7)

где Уравнение эйлера пуассона для функционала— соответствующим образом подобранные функции (множители Лагранжа).

В соответствии с данной теоремой, экстремали функционала (4) и функции Уравнение эйлера пуассона для функционала, i=1,…,m должны удовлетворять уравнениям:

Уравнение эйлера пуассона для функционала, (8)

Уравнение эйлера пуассона для функционала(9)

так называемая функция Лагранжа.

Таким образом экстремаль задачи (4) — (6) определяется обычными методами поисками экстремалей функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Докажем справедливость теоремы на примере задачи при n=2, m=1:

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала(10)

Уравнение эйлера пуассона для функционала(11)

Записываем функцию Лагранжа Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Для определения трех функций x(t), y(t), Уравнение эйлера пуассона для функционалав соответствии с теоремой имеем как раз три уравнения Эйлера:

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала,

Уравнение эйлера пуассона для функционала, (12)

Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Для доказательства теоремы получим соотношения (12) с использованием вариационных методов. Предположим, что экстремум функционала (10) доставляется функциями x(t) и y(t); добавим к ним вариации Уравнение эйлера пуассона для функционала, отличные от нуля только в окрестности точки t = c, и обозначим

Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Отметим, что поскольку определяются не достаточные, а только необходимые условия экстремума, то вариации Уравнение эйлера пуассона для функционаламожно брать наиболее удобные для дальнейших выкладок, от этого общность вывода не снижается.

Вариация функционала (10) будет равна

Уравнение эйлера пуассона для функционала(13)

Однако вариации Уравнение эйлера пуассона для функционалав уравнении (13) не произвольны, а подчинены условию, требующему, чтобы проварьированные функции y+ Уравнение эйлера пуассона для функционала, как и исходные, удовлетворяли уравнению связи (11), т.е.

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (14)

Используя понятие дифференциала функции многих переменных и теорему о значении определенного интеграла, соотношение (14) преобразуем к виду

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (15)

Подставляя равенство (15) в выражение для вариации (13), получаем

Уравнение эйлера пуассона для функционала,

откуда вследствие Уравнение эйлера пуассона для функционалавытекает, что выражение в квадратных скобках равно нулю, т.е.

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (16)

Обозначая правую и левую часть равенства (16) через Уравнение эйлера пуассона для функционала, приходим как раз к уравнениям (12). Это доказывает теорему в случае n=2, m=1. При больших значениях n, m теорема доказывается аналогично.

7. Вариационные изопериметрические задачи. Особенности их решения.

Как частный случай задачи Лагранжа можно рассматривать и представляющую самостоятельный интерес изопериметрическую задачу, когда условия которым подчинена искомая функция, заданы в интегральной форме. Например, простейшая задача формулируется следующим образом: определить экстремум функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала(22)

при условии, что другой функционал

Уравнение эйлера пуассона для функционала(23)

сохраняет заданное значение С, а экстремаль проходит через точки: x(t0)=x0; x(tk)=xk. Название изопериметрических такого рода задачи получили по названию одной из них: среди всех кривых равной длины (одинакового периметра) найти ту, которая ограничивает наибольшую площадь. Эта задача была известна еще древним грекам под названием «задача Дидоны». По преданию, легендарная основательница Карфагена царица Дидона покупала у туземцев землю, на которой должен быть основан город. Ей согласились продать лишь участок, который можно охватить бычьей шкурой. Тогда Дидона разрезала шкуру на тонкие ремни и расположила их так, чтобы охватить наибольшую площадь. Если пользоваться современными математическими понятиями, Дидона решила именно изопериметрическую задачу, выбирая функцию y(x), доставляющую максимум интегралу

Уравнение эйлера пуассона для функционала(24)

(площади, охваченной ремнем), при заданном значении интеграла

Уравнение эйлера пуассона для функционала(25)

Изопериметрическую задачу легко свести к общей задаче Лагранжа. Действительно, обозначив

Уравнение эйлера пуассона для функционала(26)

(интеграл с переменным верхним пределом), получим

Уравнение эйлера пуассона для функционала(27)

и приходим к следующей задаче Лагранжа: найти функции x(t), Уравнение эйлера пуассона для функционала, доставляющие экстремум функционалу (22) при наличии уравнения связи Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Согласно теореме, для решения этой задачи следует составить уравнение Эйлера для вспомогательной функции Уравнение эйлера пуассона для функционала(28) которые будут иметь вид

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала. (29)

Из второго уравнения (29) следует, что Уравнение эйлера пуассона для функционала=const, т.е. для изопериметрической задачи множитель Лагранжа обращается в постоянное число. В тоже время это уравнение не дает никакой информации о функции Уравнение эйлера пуассона для функционала, однако в этом и нет необходимости: ведь мы должны найти только одну функцию x(t), доставляющую экстремум функционалу (22) при наличии условия (23). Для этого достаточно одного уравнения – первого уравнения системы (29), в котором Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Таким образом, получаем следующее мнемоническое правило: для того чтобы найти функцию x(t), доставляющую экстремум интегралу (22) при условии, что интеграл (23) сохраняет заданное значение, следует составить одно уравнение Эйлера для промежуточной функции

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (30)

В решение уравнения Эйлера будут входить три произвольные постоянные – две постоянные интегрирования и постоянная Уравнение эйлера пуассона для функционала. Для их определения имеем как раз три уравнения: два уравнения следуют из условий прохождения экстремали через две заданные точки, а третье – из условия, что интеграл (23) равен заданному значению С.

Применяя это правило к задаче Дидоны можно установить, что ее решение является окружностью с радиусом Уравнение эйлера пуассона для функционала[3]. Так при этом значение функционала равно С, то отсюда Уравнение эйлера пуассона для функционаланаходим значение множителя Лагранжа Уравнение эйлера пуассона для функционала.

8. Функционалы, зависимые от многих функций: уравнения Эйлера, условие Лежандра.

Одним из обобщений простейшей вариационной задачи является задача отыскания экстремума функционала, зависящего от n функций Уравнение эйлера пуассона для функционала(9)

при заданных граничных значениях для всех функций

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (10)

Требуется в классе функций C1[t0,t1] найти функции xi(t), i=1,2,…,n, проходящие через граничные точки (10) и доставляющие минимум функционалу (9).

Для получения необходимых условий экстремума рассматриваемого функционала будем варьировать лишь одну из функций xi(t), i=1,2,…n, оставляя все остальные функции неизменными. При этом функционал Уравнение эйлера пуассона для функционалапревращается в функционал, зависящий лишь от одной варьируемой функции, например, от xj(t) Уравнение эйлера пуассона для функционала= Уравнение эйлера пуассона для функционалаи следовательно, функция, реализующая экстремум, должна удовлетворять уравнению Эйлера

Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Так как это рассуждение применимо к любой функции xj, j=1,2…,n ,то получаем систему дифференциальных уравнений Эйлера

Уравнение эйлера пуассона для функционала, (11)

которая определяет совокупность необходимых условий экстремума вариационной задачи (9), (10).

Экстремали, соответствующие системе (11), содержат 2n постоянных интегрирования, находящихся из заданных граничных условий (10).

В современной литературе по теории оптимального управления полученный результат часто записывают в матричной форме. Введем в рассмотрение вектор Уравнение эйлера пуассона для функционалаи запишем функционалл (9) в следующем виде

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Используя понятие производной скалярной функции Уравнение эйлера пуассона для функционалаот векторного аргумента Х

Уравнение эйлера пуассона для функционала,

условия (11) можно записать в компактной матричной форме Уравнение эйлера пуассона для функционала. (12)

(полный аналог скалярного уравнения Эйлера).

Используя матричные операции легко записать условия Лежандра для функционала (9). С этой целью введем в рассмотрение матрицу

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционалаУравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала, (13)

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционалаУравнение эйлера пуассона для функционала

которая является аналогом скалярного выражения Уравнение эйлера пуассона для функционала.

Для достижения на некоторой совокупности экстремалей минимума функционала (9) необходимо, чтобы все угловые миноры этой матрицы были неотрицательны, т.е.

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционалаУравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала, …, Уравнение эйлера пуассона для функционала,

где Уравнение эйлера пуассона для функционаласимвол определителя. В математике условия (14) известны как необходимые и достаточные условия Сильвестра положительной определенности матрицы Г.

Для достижения максимума J неравенства (14) должны иметь противоположный знак.

Функционал (9) может содержать производные высших порядков. В этом случае система уравнений будет состоять из уравнений Эйлера-Пуассона.

9. Применение классического вариационного исчисления к задаче оптимального управления, двухточечная краевая задача.

10. Применение классического вариационного исчисления к задаче оптимального управления, уравнения Эйлера — Лагранжа в канонической форме.

Вспомним теперь формулировку задачи оптимального управления с закрепленными концами. Объект управления описывается уравнениями

Уравнение эйлера пуассона для функционала. Уравнение эйлера пуассона для функционала

Требуется найти вектор управляющих воздействий u(t) и соответствующую фазовую траекторию x(t) при условии, что X(t0) = X0, X(tk) = Xk и функционал

Уравнение эйлера пуассона для функционалаУравнение эйлера пуассона для функционала

принимает экстремальное значение.

Очевидно, что сформулированная задача по существу является вариационной задачей и отличается от обычной вариационной задачи на условный экстремум только тем, что в нее входят два вида функций: функция X(t), характеризующая состояние системы, и функция управления U(t).Это отличие не принципиально и легко показать, что задача оптимального управления, удовлетворяющая основным положениям классического вариационного исчисления (отсутствие ограничений на фазовые координаты и управляющие воздействия, непрерывность и дифференцируемость управляющих воздействий), является общей задачей Лагранжа. Действительно, интеграл (9) можно рассматривать как функционал, зависящий от n+m функций x1,…,xn, u1,…,un.

Эти функции связаны дифференциальными уравнениями объекта (8), которые можно записать в виде уравнений связи

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (10)

Следовательно, для решения задачи оптимального управления, которая удовлетворяет основным положениям классического вариационного исчисления, можно использовать метод неопределенных множителей Лагранжа и записать необходимое условие экстремума функционала (9) при наличии ограничения (10) в виде уравнения Эйлера – Лагранжа. Согласно методу неопределенных множителей введем вспомогательный функционал

Уравнение эйлера пуассона для функционала(11)

Уравнение эйлера пуассона для функционала(12)

есть функция Лагранжа. Тогда уравнение Эйлера-Лагранжа будут иметь вид

Уравнение эйлера пуассона для функционала(13)

В дальнейшем будем использовать, так называемую каноническую форму записи уравнений Эйлера-Лагранжа. Такая форма записи уравнения Эйлера-Лагранжа имеется в вариационном исчислении мы рассмотрим ее применительно к задачам оптимального управления.

Введем функцию, называемую гамильтонианом (функция Гамильтона).

Уравнение эйлера пуассона для функционала(14)

(l0=-1) и сравним ее с функцией Лагранжа (12). Выразим вспомогательную функцию L через гамильтониан H:

Уравнение эйлера пуассона для функционала(15)

(т.е. к функции H добавлено слагаемое, которое отличает ее от функции L).

Запишем необходимое условие экстремума (уравнения Эйлера-Лагранжа) с использованием функции H. Для частных производных, которые входят в уравнения Эйлера-Лагранжа (13) согласно (15) имеем

Уравнение эйлера пуассона для функционала Уравнение эйлера пуассона для функционала(16)

Подставим найденные выражения в (13), получим уравнения Эйлера-Лагранжа в канонической форме:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Здесь уравнения (17а) являются уравнениями объекта (8). Уравнения (17б), записанные относительно вспомогательных переменных Уравнение эйлера пуассона для функционала, образуют так называемую сопряженную к (17а) систему. Они согласно (14) имеют вид :

Уравнение эйлера пуассона для функционалаУравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнения (17в) являются алгебраическими. Действительно

Уравнение эйлера пуассона для функционалаУравнение эйлера пуассона для функционала

Заметим, что значения функции, удовлетворяющие условию в виде (17в), называются стационарными значениями функции, а точки пространства аргументов, в которых эти условия выполняются — стационарными точками (стационарными называются точки, в которых производная функции равна нулю). Следовательно, оптимальное управление есть стационарная точка функции Гамильтона.

Уравнения (19) позволяют определить управление в виде функции

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (20)

Уравнение эйлера пуассона для функционалаПодставив (20) в (17а и б), получим систему дифференциальных уравнений:

Уравнение эйлера пуассона для функционала(21)

Общее решение такой системы, как известно, зависит от 2n параметров (начальных условий) поскольку управление найдено как функция (X и l). В задаче с закрепленными концами n параметров задано на левом конце фазовой траектории (X(t0)=X0), и n параметров на правом конце (X(tk)=Xk). Такая задача называется краевой.

Таким образом решение задачи оптимального управления оказалось сведенным к решению краевой задачи для систем дифференциальных уравнений. Отметим, что в силу только необходимости уравнений Эйлера-Лагранжа решения системы (17) не обязательно дают оптимальное управление, но только решение системы (17) могут претендовать на роль оптимального управления. С помощью уравнений Эйлера-Лагранжа обычно удается найти оптимальное управление и оптимальную траекторию системы, поскольку существование и характер экстремума функционала в конкретной задаче оптимального управления, как правило, известно заранее.

Пример. Определим из условия минимума функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала(22)

оптимальное управление U(t) для объекта, описываемого уравнениями

Уравнение эйлера пуассона для функционала

составим функцию Гамильтона

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (24)

Уравнение Эйлера-Лагранжа имеет вид

Уравнение эйлера пуассона для функционала(25)

Из последнего уравнения имеем Уравнение эйлера пуассона для функционала(26)

Исключим из оставшихся двух уравнений l. Для чего подставим уравнение (26) в первое уравнение (25)

Уравнение эйлера пуассона для функционала,

откуда Уравнение эйлера пуассона для функционала

Затем продифференцируем Уравнение эйлера пуассона для функционала

После чего подставим Уравнение эйлера пуассона для функционалаво второе уравнение (25)

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Окончательно имеем уравнение относительно x(t):

Уравнение эйлера пуассона для функционала(27)

Решением этого уравнения является функция

Уравнение эйлера пуассона для функционала(28)

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Постоянные С1 и С2 определяются из граничных условий. Так как x(¥)=0, то

Уравнение эйлера пуассона для функционала(29)

и для выполнения (29) необходимо положить С1=0.

При t=0 имеем x(0)=x0, тогда

Уравнение эйлера пуассона для функционала(30)

и для выполнения равенства (30) должно быть С2 = x0, следовательно

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (31)

Используя уравнение (23) – уравнение объекта, найдем

Уравнение эйлера пуассона для функционала. (32)

Управление (32) найдено как функция времени и начальных условий – это так называемое программное управление.

В данном примере легко найти и управление в форме обратной связи. Из сравнений выражений (31) и (32) следует

Уравнение эйлера пуассона для функционала(33)

Видео:06. Формула ЭйлераСкачать

06. Формула Эйлера

Различные обобщения уравнения Эйлера. Уравнение Пуассона-Эйлера и Остроградского.

Функционалы с производными высшего порядка

Рассмотрим сначала случай, когда подинтегральная функция содержит производные до второго порядка, и соответствующую вариационную задачу с закреплёнными концами:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционала(2)

В этой задаче необходимо взять четыре условия закрепления, т.е

в два раза больше, чем порядок старшей производной в функционале J(y).

Вычисляя вариацию функционала (1) аналогично тому, как это

было сделано ранее, убеждаемся, что выражение для δI(y, δy) содер-

жит дополнительное слагаемое, именно, в отличие от примера 2.8,

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Отметим теперь, что в качестве области определения D(I) = X функционала J(y) нужно выбрать такие функции из Уравнение эйлера пуассона для функционала, которые удовлетворяют краевым условиям (2). Тогда, очевидно, приращения δy(x) должны удовлетворять краевым условиям

Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционала(4)

Применим к функционалу (3) приём интегрирования по частям, причём для второго слагаемого, как и раньше, один раз, а для третьего — два раза. При этом учтём условия (4). Тогда необходимое условие экстремума приводит к соотношению

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Здесь предполагается, что функция F(x, y, y’, y’’) имеет непрерывные производные по своим аргументам вплоть до четвёртого порядка. Тогда выражение в скобках (5) — непрерывная функция, если искомая функция y = y(x) четырежды непрерывно дифференцируема, и по основной лемме вариационного исчисления из (5) получаем, что y = y(x) должна быть решением уравнения

Уравнение эйлера пуассона для функционала, (6)

которое называют уравнением Эйлера-Пуассона.

Уравнение Эйлера-Пуассона представляет собой обыкновенное дифференциальное уравнение четвёртого порядка, его общее решение содержит четыре произвольных постоянных, которые находятся из четырёх краевых условий (2).

Функционалы от функций нескольких переменных

Рассмотрим для определённости случай, когда аргументом функционала является функция двух переменных z = z(x, y), заданная в некоторой области Ω ⊂ Уравнение эйлера пуассона для функционала

Функционал I, содержащий саму функцию и ее первые частные производные

Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционалаимеет вид

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Для простейшей вариационной задачи на контуре Γ= ∂Ω следует задать краевое условие Дирихле

Уравнение эйлера пуассона для функционала

где Уравнение эйлера пуассона для функционала–известна.

Здесь, очевидно, в качестве области определения D(J) = X функционала J(z) следует взять множество

Уравнение эйлера пуассона для функционала

где Уравнение эйлера пуассона для функционала— множество непрерывно дифференцируемых функций в замыкании области Ω.

Если Уравнение эйлера пуассона для функционала(x, y) — решение вариационной задачи, а z(x, y) — любая другая функция из D(J), то

δz = z(x, y) − Уравнение эйлера пуассона для функционала(x, y), δz = 0 (на Γ).

Воспользуемся формулой вычисления вариации функционала J(z):

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Теорема. Пусть F = F(x, y, z, p, q) — дважды непрерывно дифференцируемая функция по всем своим аргументам. Если z(x, y) ∈ D(J) даёт экстремум функционалу J(z), то она является решением уравнения

Уравнение эйлера пуассона для функционала(2)

называемым уравнением Эйлера-Остроградского.

Доказательство. Воспользуемся соотношениями

Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционала

запишем второе и третье слагаемое (5.12) в виде повторного интеграла и осуществим интегрирование по частям во внутреннем интеграле. Например,

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Аналогично для последнего слагаемого в (1) имеем

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Поэтому, приравнивая нулю правую часть (1), т.е. вариацию

функционала J(z) и учитывая приведенные формулы, будем иметь

Уравнение эйлера пуассона для функционала(3)

Уравнение эйлера пуассона для функционала, Уравнение эйлера пуассона для функционала(на Γ= ∂Ω)

Теперь можно воспользоваться основной леммой вариационного исчисления для функций уже не одной, а нескольких переменных.Так как δz произвольна, непрерывна и обращается в нуль на Γ, то соотношение (3) возможно тогда и только тогда, когда выражение в скобках в (3) равно нулю, т.е. выполнено уравнение Эйлера-Остроградского (2).

Дата добавления: 2015-09-10 ; просмотров: 23 | Нарушение авторских прав

Видео:Найти экстремаль функционалаСкачать

Найти экстремаль функционала

Интеграл Эйлера — Пуассона. Подробно о способах вычисления

Уравнение эйлера пуассона для функционала

В статье подробно, вплоть до самых мелочей, рассмотрены три способа взятия интеграла Эйлера-Пуассона. В одном из способов выводится вспомогательная формула редукции. Для нахождения некоторых сложных интегралов можно использовать формулы редукции, которые позволяют понизить степень подынтегрального выражения и вычислить соответствующие интегралы за конечное число шагов.

Данный интеграл берется от гауссовой функции: Уравнение эйлера пуассона для функционала
Здесь есть очень интересный математический способ. Чтобы найти исходный интеграл, сначала ищут квадрат этого интеграла, а потом от результата берут корень. Почему? Да потому что так гораздо проще и безболезненно можно перейти в полярный координаты. Поэтому, рассмотрим квадрат Гауссового интеграла:
Уравнение эйлера пуассона для функционала
Мы видим, что у нас получается двойной интеграл от некоторой функции Уравнение эйлера пуассона для функционала. В конце этого поверхностного интеграла стоит элемент площади в декартовой системе координат Уравнение эйлера пуассона для функционала.
Теперь давайте переходить в полярную систему координат:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Тут нужно заметить, что r может изменяться в пределах от 0 до +∞, т.к. x изменялось в таких же пределах. А вот угол φ изменяется от 0 до π/2, что описывают область интегрирования в первой четверти декартовой системы координат. Подставляя в исходный, получим:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

В силу симметричности интеграла и положительной области значений подынтегральной функции, можно заключить, что

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Давайте поищем ещё какие-нибудь решения? Это ведь интересно! 🙂

Рассмотрим функцию Уравнение эйлера пуассона для функционала
А теперь вспомним школьную математику и проведем простейшее исследование функции с помощью производных и пределов. Не то, чтобы мы здесь будем считать сложные пределы (ведь в школе их не проходят), а просто порассуждаем что будет с функцией, если её аргумент стремится к нулю или к бесконечности, таким образом прикинем асимптотическое поведение, что в математике всегда очень важно. Это похоже на качественную оценку того, что происходит.

Уравнение эйлера пуассона для функционала0 to gleft( t right) — <rm> \ t > 0 to — te^

Она ограничена сверху единицей на интервале (-∞;+∞) и нулем на интервале [-1;+∞).

Cделаем следующую замену переменных Уравнение эйлера пуассона для функционала
И получим:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Ограничим в первом неравенстве изменение (0,1), а во втором — промежутком (0;+∞), возведём оба неравенства в степень n, так как неравенства с положительными членами можно возводить в любую положительную степень. Получим:

Уравнение эйлера пуассона для функционала1 \ end right.> \ end $» data-tex=»display»/>

Давайте для наглядного доказательства неравенств построим графики при n = 1
Уравнение эйлера пуассона для функционала
Теперь попробуем проинтегрировать неравенства в пределах, которые указаны в соответствующих системах. И сразу объединим всё в одно неравенство:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Опять таки, если посмотреть на графики, то данное неравенство справедливо.

С учетом небольшой замены, легко увидеть, что:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Т.е. в том большом неравенстве в середине у нас интеграл Эйлера-Пуассона, а вот теперь нам нужно найти интегралы, которые стоят на границах данного неравенства.

Найдем интеграл от левой границы:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Для того, чтобы его посчитать и оценить, давайте сначала найдем интеграл общего вида. Сейчас я покажу вам как можно вывести формулу редукции ( в математике под такими формулами подразумевают понижения степени ) для данного интеграла.

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Теперь если с помощью формулы редукции рассмотреть тот же интеграл, но с нашими пределами от 0 до π/2, то можно сделать некоторые упрощения:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Как мы видим, понижать можно до бесконечности (зависит от n). Однако, и тут есть одна тонкость. Формула изменяется в зависимости то того, является ли n четным числом или не является.
Для этого рассмотрим два случая.

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Где n!! — двойной факториал. Двойной факториал числа n обозначается n!! и определяется как произведение всех натуральных чисел в отрезке [1, n], имеющих ту же чётность что и n

В силу того, что 2n+1 — нечетное число при любом значении n, получим для левой границы нашего неравенства:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Найдем интеграл от правой границы:
(здесь используем ту же формулу редукции, которую доказали ранее)

Уравнение эйлера пуассона для функционала

После того, как мы оценили левую и правую части неравенства, сделаем некоторые преобразования, чтобы оценить пределы левой и правой частей неравенства при условии, что n стремится к ∞:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Возведем обе части неравенства в квадрат:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Теперь сделаем небольшое лирическое отступление. В 1655 году Джон Валлис (английский математик, один из предшественников математического анализа.) предложил формулу для определения числа π. Дж. Валлис пришёл к ней, вычисляя площадь круга. Это произведение сходится крайне медленно, поэтому для практического вычисления числа π формула Валлиса мало пригодна. Но для оценки нашего выражения она отлично подходит 🙂

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Теперь преобразуем наше неравенство так, чтобы мы могли увидеть где подставить формулу Валлиса:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Из формулы Валлиса следует, что и левое, и правое выражение стремятся к π/4 при n → ∞
В силу того, что функция exp[-x²] является четной, мы смело полагаем, что

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Впервые одномерный гауссов интеграл вычислен в 1729 году Эйлером, затем Пуассон нашел простой приём его вычисления. В связи с этим он получил название интеграла Эйлера — Пуассона.

Давайте еще попробуем вычислить Гауссов интеграл. Его можно написать в разных видах. Ведь ничего не меняет изменение название переменной, по которой идет интегрирование.

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Можно перейти от трехмерных декартовых к сферическим координатам и рассмотреть куб интеграла Гаусса.

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Якобиан этого преобразования можно посчитать следующим образом:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Посчитаем интегралы последовательно, начиная с внутреннего.

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Тогда в результате получим:

Уравнение эйлера пуассона для функционала

Интеграл Эйлера-Пуассона часто применяется в теории вероятностей.

Надеюсь, что для кого-нибудь статья будет полезной и поможет разобраться в некоторых математических приемах 🙂

💥 Видео

Интеграл Эйлера-Пуассона: e^(-x^2)Скачать

Интеграл Эйлера-Пуассона: e^(-x^2)

Основы вариационного исчисления | уравнение Эйлера Лагранжа | 1Скачать

Основы вариационного исчисления | уравнение Эйлера Лагранжа | 1

№9. Элементы вариационного исчисления. Уравнения Лагранжа-Эйлера.Скачать

№9. Элементы вариационного исчисления. Уравнения Лагранжа-Эйлера.

Линейное дифференциальное уравнение Коши-ЭйлераСкачать

Линейное дифференциальное уравнение Коши-Эйлера

Дифференциальное уравнение Эйлера. Основное уравнение гидростатикиСкачать

Дифференциальное уравнение Эйлера. Основное уравнение гидростатики

Функция ЭйлераСкачать

Функция Эйлера

Принцип наименьшего действия #2 - Уравнение Эйлера-ЛагранжаСкачать

Принцип наименьшего действия #2 - Уравнение Эйлера-Лагранжа

Уравнение Эйлера - bezbotvyСкачать

Уравнение Эйлера - bezbotvy

Метод ЭйлераСкачать

Метод Эйлера

Дифференциальное уравнение. Формула ЭйлераСкачать

Дифференциальное уравнение. Формула Эйлера

Гармонический анализ 10. Формула Эйлера-Пуассона. Интеграл ФурьеСкачать

Гармонический анализ 10. Формула Эйлера-Пуассона. Интеграл Фурье

25 19 ноя 15 Вариация функционалаСкачать

25 19 ноя 15 Вариация функционала

Гиперболические функции и формула ЭйлераСкачать

Гиперболические функции и формула Эйлера

✓ Формула Эйлера для графов и многогранников за 8 минут | Ботай со мной #103 | Борис ТрушинСкачать

✓ Формула Эйлера для графов и многогранников за 8 минут | Ботай со мной #103 | Борис Трушин

Основы вариационного исчисления | примеры функционаловСкачать

Основы вариационного исчисления | примеры функционалов

Основы вариационного исчисления | уравнение Эйлера Лагранжа | конкретные примеры | 3Скачать

Основы вариационного исчисления | уравнение Эйлера Лагранжа | конкретные примеры | 3

Основы вариационного исчисления | уравнение Эйлера Лагранжа | конкретные примеры | 4Скачать

Основы вариационного исчисления | уравнение Эйлера Лагранжа | конкретные примеры | 4

Ягола А. Г. - Вариационное исчисление - Понятие функционалаСкачать

Ягола А. Г. - Вариационное исчисление - Понятие функционала
Поделиться или сохранить к себе:
Читайте также:

  1. В которой начинают выясняться различные неприятные обстоятельства
  2. ВЛИЯНИЕ ГЕО- И ТЕХНОПАТОГЕННЫХ ЗОН НА РАЗЛИЧНЫЕ АСПЕКТЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
  3. Волновое уравнение
  4. Волновое уравнение. Формула Пуассона
  5. Выбор формы уравнения регрессии
  6. Вывод канонического уравнения параболы.
  7. ВЫДВИГАЮТСЯ РАЗЛИЧНЫЕ ПРЕДПОЛОЖЕНИЯ, КАСАЮЩИЕСЯ ЧАРЛЗА НАТТЕРА И ЛЕЙТЕНАНТА ПАДДОКА
  8. Геометрические свойства параболы (исследование канонического уравнения).
  9. Гипербола. Вывод канонического уравнения. Свойства. Асимптоты
  10. Гиперболические уравнения