變分學
微分運算的推廣
f(x)
F[ f(x) ] or F [f]
作用量與最小作用量
思考:無外界干擾下的運動,力學能(機械能)守恆,很好。但是,山上的石頭為什麼要滾下來?能量沒有增加呀?
受力的規則,是來自運動方程式。
方程式(有別於不等式),是有等號的。可寫成 f(x) = 0。
若是有微分操作的方程式,則可進一步看成 F[f] 的極值發生的條件。
問:什麼樣的極值問題,可以得到牛頓運動方程式?
問題說明
I = ∫x0x1 L( x(t), x'(t); t ) dt
問,怎麼樣的函數 x(t),能讓上式 I 有極值?
這種數學問題怎麼求解?
這不同於問那一個 x 使得 f(x) 有極值
作法:依題意,x 使 df/dx = 0,故解 df/dx =0 求滿足該條件之 x 。
另外,注意這�堛滲S徵,L 只是 x 與 x' 的函數(而不是 x, x', x'', x''' .... 的函數)
推導
如何做 dI/dx?這個符號沒有定義,
故暫用 δI/δx 來記錄
要找的目標:各種 可能變動的函數 x(t) ,那一個(或一些?)讓 I 有極值,即 某 x(t) 為中心之微小變動愛範圍內,ΔI =0
寫下能變化的 x(t) 的形式
x(ε, t ) = x(t) + εη(t)
其中η(t) 是 t 的任意函數(但在 x0 及 x1 處為零),大小由 ε控制
δI/δx = ∂I /∂ε = ∫x0x1 (∂L /∂ε) dt
由於 L 與自變數的關係是 L = L(x, x'),因此 dL = (∂L/∂x) dx + (∂L/∂x') dx'
故∂L /∂ε= (∂L/∂x) (∂x/ ∂ ε) + (∂L/∂x') (∂x' / ∂ ε) = (∂L/∂x) η(t) + (∂L/∂x') η'(t)
上式乃因∂x' / ∂ ε = ∂x'(ε, t ) / ∂ ε= ∂(x'(t) + εη'(t)) / ∂ ε = η'(t)
∂I /∂ε = ∫x0x1 Lx η(t) dt + ∫x0x1 Lx' η'(t) dt = (使用分部積分)
∫x0x1 Lx' η'(t) dt = ∫x0x1 [d(Lx' η(t))/dt] dt - ∫x0x1 (dLx'/dt) η(t) dt = Lx' η(t)|x0x1 - ∫x0x1 (dLx'/dt) η(t) dt
則∂I /∂ε= ∫x0x1 Lx η(t) dt - ∫x0x1 d/dt(Lx') η(t) dt
= ∫x0x1 { Lx- d/dt(Lx') } η(t) dt
∂I /∂ε= 0
除非
Lx- d/dt(Lx') = 0
上式即有名的 Euler-Lagrange equation ,是積分量 I 有極值的必要條件。
Hamilton 原理與 Lagrange 運動方程式
L = T - V
使用例:
對於某個 i,如果 x''i = (k/m) xi,就好辦多了,但這�堳o不能如願 ,而有 x''i = (k/m) xi + (K/M) xi+1 + ...
這種其他的 xi+1 出現的項。
但注意,所有 等號右邊的項都作線性(一次方)的組合,這使得我們有機會寫下
x'' = M x
使得解有 x = A eiωt 的形式,其中 ω 與 A 待定,此解代入上式 後,得 -ω2 A eiωt = M A eiωt = eiωt M A,消去 eiωt 後得 -ω2 A = M A,即 M A = -ω2 A
也就是說,只要解 M v = λv 的本徵值問題,得到一組 λn 以及對應的 vn(其中 n = 1 ~ m,整數m 是矩陣 M 的維度) ,就可以確定 上式的 -ω2 及 A,而問題也就求解完畢了。
此時 A 的意義是什麼?它是
相當於原問題本來在 M A = λA 在看,作相似轉換以保持本徵值,R A = B 、R M R-1 = D,其中 D 是一個對角矩陣 ,原問題變成 D B = λB。
這時候我們會想,如果有可以重定 Xi ,其中各 Xi 是由 x1, x2, x3 ...所線性組合而成,使得這個些新的 Xi 就滿足了
X1'' = - d1 X1、 X2'' = - d2 X2、 X3'' = - d3 X3
如此,X1 = A eiωt