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