数学代写|变分法代写Calculus of Variations代考|MATH655

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数学代写|变分法代写Calculus of Variations代考|The Euler Equations of the Simplest Functional

Theorem 2.4.1 Let the simplest functional
$$
J[y(x)]=\int_{x_0}^{x_1} F\left(x, y, y^{\prime}\right) \mathrm{d} x
$$
obtain extremum and satisfy the fixed boundary conditions
$$
y\left(x_0\right)=y_0, y\left(x_1\right)=y_1
$$
then the extremal curve $y=y(x)$ should satisfy the following necessary condition
$$
F_y-\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x} F_{y^{\prime}}=0
$$
there, $F$ is the known function of $x, y, y^{\prime}$ and has the second continuous partial derivative.

Note that the second term on the left side of Eq. (2.4.3) is the total derivative to the independent variable $x$.

Equation (2.4.3) is called the Euler equation of the function (2.4.1), it was obtained by Swiss mathematician Euler in 1736 (otherwise in 1741 or in 1744). However, at that time Euler’s proof was some complicated, he deduced the Euler equation with the method of broken line approximating curve. Later the French mathematician Lagrange improved Euler’s proof in very concise way, and on August 12 , 1755 he told the proof in the form of a letter to Euler. Therefore Eq. (2.4.3) is also called the Euler-Lagrange(‘s) equation. Thus, the calculus of variations formed a new branch of mathematical analysis. The Euler equation is the variational condition of a functional in the domain. In the calculus of variations, all of the differential equations corresponding to the functional with the structure of Eq. (2.4.1) can be called the Euler equation.
The Euler equation can also be written as
$$
F_y-F_{x y^{\prime}}-F_{y y^{\prime}} y^{\prime}-F_{y^{\prime} y^{\prime}} y^{\prime \prime}=0
$$

数学代写|变分法代写Calculus of Variations代考|Several Special Cases of the Euler Equation

Because the various partial derivatives $F_y, F_{y^{\prime} y^{\prime}}, F_{y^{\prime} y}$ and $F_{y^{\prime} x}$ of $F$ in the Euler equation (2.4.4) may contain $x, y$ and $y^{\prime}$, in general, it is not a linear differential equation, so the equation often can not be simply solved, but when $F$ doesn’t explicitly contain one or two among $x, y$ and $y^{\prime}$, the problems are likely to get simplified. This section will discuss some special forms of the integrand $F\left(x, y, y^{\prime}\right)$ in the functional (2.4.1)
(1) $F$ does not depend on $y^{\prime}$ or only relies on $y$, namely $F=F(x, y)$ or $F=F(y)$
At this time, $F_{y^{\prime}} \equiv 0$, so the Euler equation $F_y(x, y)=0$ or $F_y(y)=0$, this is a function equation, the solution does not contain arbitrary constant. The solution of the function equation doesn’t satisfy the boundary conditions: $y\left(x_0\right)=y_0, y\left(x_1\right)=y_1$, the variational problem has no solution. In rare cases, for instance, only when the solution of $F_y(x, y)=0$ or $F_y(y)=0$ passes through points $\left(x_0, y_0\right)$ and $\left(x_1, y_1\right)$, it can become an extremal curve. If the problem has a solution, there will be no additional boundary conditions.

Example 2.5.1 Known the functional $J[y]=\pi \int_{x_0}^{x_1} y^2 \mathrm{~d} x, y\left(x_0\right)=y_0, y\left(x_1\right)=y_1$, find the extremum of the functional $J[y]$.

Solution The Euler equation of the functional is $2 y=0$ or $y=0$, if and only if $y_0=y_1=0, y=0$ the value of the functional $J[y]$ is minimum. Otherwise the minimum of the functional $J[y(x)]$ can not be reached in the continuous function class.

Example 2.5.2 Known the functional $J[y]=\int_0^\pi y(2 x-y) \mathrm{d} x, y(0)=0, y(\pi)=$ 1 , find the extremal curve of the functional.

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数学代写|变分法代写Calculus of Variations代考|The Euler Equations of the Simplest Functional

定理 2.4.1 让最简单的泛函
$$
J[y(x)]=\int_{x_0}^{x_1} F\left(x, y, y^{\prime}\right) \mathrm{d} x
$$
求极值并满足固定边界条件
$$
y\left(x_0\right)=y_0, y\left(x_1\right)=y_1
$$
然后是极值曲线 $y=y(x)$ 应满足以下必要条件
$$
F_y-\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x} F_{y^{\prime}}=0
$$
那里, $F$ 是已知函数 $x, y, y^{\prime}$ 并具有二阶连续偏导数。
请注意,等式左侧的第二项。(2.4.3) 是自变量的总导数 $x$.
方程 (2.4.3) 被称为函数 (2.4.1) 的欧拉方程,它是由瑞士数学家欧拉于1736年 (或1741年或1744年) 得 到的。但是,当时欧拉的证明有些复杂,他用折线逼近曲线的方法推导出了欧拉方程。后来法国数学家拉 格朗日以非常简洁的方式改进了欧拉的证明,并于 1755 年 8 月 12 日以给欧拉的一封信的形式讲述了这个 证明。因此方程。(2.4.3) 也称为 Euler-Lagrange(‘s) 方程。因此,变分法形成了数学分析的一个新分支。欧 拉方程是域中泛函的变分条件。在变分法中,所有微分方程都对应于具有等式结构的泛函。(2.4.1) 可以称 为欧拉方程。
欧拉方程也可以写成
$$
F_y-F_{x y^{\prime}}-F_{y y} y^{\prime}-F_{y^{\prime} y^{\prime}} y^{\prime \prime}=0
$$

数学代写|变分法代写Calculus of Variations代考|Several Special Cases of the Euler Equation

性微分方程,所以方程往往不能简单求解,但当 $F$ 没有明确包含其中的一两个 $x, y$ 和 $y^{\prime}$ ,问题可能会得到简 化。本节将讨论被积函数的一些特殊形式 $F\left(x, y, y^{\prime}\right)$ 在功能 (2.4.1)
(1) $F$ 不依赖于 $y^{\prime}$ 或仅依靠 $y$ ,即 $F=F(x, y)$ 或者 $F=F(y)$
此时, $F_{y^{\prime}} \equiv 0$, 所以欧拉方程 $F_y(x, y)=0$ 或者 $F_y(y)=0$ ,这是一个函数方程,解不包含任意常数。函 数方程的解不满足边界条件: $y\left(x_0\right)=y_0, y\left(x_1\right)=y_1$ ,变分问题无解。例如,在极少数情况下,只有当 $F_y(x, y)=0$ 或者 $F_y(y)=0$ 通过点 $\left(x_0, y_0\right)$ 和 $\left(x_1, y_1\right)$ ,它可以变成一条极值曲线。如果问题有解,就不 会有额外的边界条件。
示例 2.5.1 已知函数 $J[y]=\pi \int_{x_0}^{x_1} y^2 \mathrm{~d} x, y\left(x_0\right)=y_0, y\left(x_1\right)=y_1$, 求泛函的极值 $J[y]$.
解泛函的欧拉方程是 $2 y=0$ 或者 $y=0$ , 当且仅当 $y_0=y_1=0, y=0$ 函数值 $J[y]$ 是最小值。否则函数的 最小值 $J[y(x)]$ 在连续函数类中无法达到。
示例 2.5.2 已知函数 $J[y]=\int_0^\pi y(2 x-y) \mathrm{d} x, y(0)=0, y(\pi)=1$ 、求泛函的极值曲线。

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