SFORMUŁOWANIE WARIACYJNE

Podobne dokumenty
Elementy rachunku wariacyjnego

Równania i nierówności kwadratowe z jedną niewiadomą

1 Definicja całki oznaczonej

Zadania. I. Podzielność liczb całkowitych

RACHUNEK CAŁKOWY. Funkcja F jest funkcją pierwotną funkcji f na przedziale I R, jeżeli. F (x) = f (x), dla każdego x I.

Całki niewłaściwe. Rozdział Wprowadzenie Całki niewłaściwe I rodzaju

MATeMAtyka 3 inf. Przedmiotowy system oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych. Zakres podstawowy i rozszerzony. Dorota Ponczek, Karolina Wej

VI. Rachunek całkowy. 1. Całka nieoznaczona

Wykład 2. Granice, ciągłość, pochodna funkcji i jej interpretacja geometryczna

Notatki z Analizy Matematycznej 4. Jacek M. Jędrzejewski

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 Wykład 1

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Realizacje zmiennych są niezależne, co sprawia, że ciąg jest ciągiem niezależnych zmiennych losowych,

Ekoenergetyka Matematyka 1. Wykład 15. CAŁKI OZNACZONE. Egzaminy I termin poniedziałek :00 Aula B sala 12B Wydział Informatyki

Wymagania na ocenę dopuszczającą z matematyki klasa II Matematyka - Babiański, Chańko-Nowa Era nr prog. DKOS /02

usuwa niewymierność z mianownika wyrażenia typu

III. Rachunek całkowy funkcji jednej zmiennej.

Temat lekcji Zakres treści Osiągnięcia ucznia

Wykład 2. Pojęcie całki niewłaściwej do rachunku prawdopodobieństwa

Całkowanie. dx d) x 3 x+ 4 x. + x4 big)dx g) e x 4 3 x +a x b x. dx k) 2x ; x 0. 2x 2 ; x 1. (x 2 +3) 6 j) 6x 2. x 3 +3 dx k) xe x2 dx l) 6 1 x dx

Całka oznaczona i całka niewłaściwa Zastosowania rachunku całkowego w geometrii

CAŁKOWANIE NUMERYCZNE

CAŁKOWANIE NUMERYCZNE

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki oznaczone. lim δ n = 0. σ n = f(ξ i ) x i. (1)

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI W KLASIE IIc ZAKRES PODSTAWOWY I ROZSZERZONY

f(x)dx (1.7) b f(x)dx = F (x) = F (b) F (a) (1.2)

WEKTORY skalary wektory W ogólnym przypadku, aby określić wektor, należy znać:

2. FUNKCJE WYMIERNE Poziom (K) lub (P)

Wymagania edukacyjne na poszczególne oceny z matematyki w klasie II poziom rozszerzony

Wymagania kl. 2. Uczeń:

Oznaczenia: K wymagania konieczne; P wymagania podstawowe; R wymagania rozszerzające; D wymagania dopełniające; W wymagania wykraczające

EGZAMIN MATURALNY OD ROKU SZKOLNEGO 2014/2015 MATEMATYKA POZIOM ROZSZERZONY ROZWIĄZANIA ZADAŃ I SCHEMATY PUNKTOWANIA (A1, A2, A3, A4, A6, A7)

Wymagania edukacyjne matematyka klasa 2 zakres podstawowy 1. SUMY ALGEBRAICZNE

Rozwiązania maj 2017r. Zadania zamknięte

Prace Koła Matematyków Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie (2014)

Wektor kolumnowy m wymiarowy macierz prostokątna o wymiarze n=1 Wektor wierszowy n wymiarowy macierz prostokątna o wymiarze m=1

CAŁKA OZNACZONA JAKO SUMA SZEREGU

Propozycja przedmiotowego systemu oceniania wraz z określeniem wymagań edukacyjnych (zakres podstawowy)

4. RACHUNEK WEKTOROWY

WYMAGANIA I KRYTERIA OCENIANIA Z MATEMATYKI W 3 LETNIM LICEUM OGÓLNOKSZTAŁCĄCYM

Matematyka dla biologów Zajęcia nr 7.

Matematyka stosowana i metody numeryczne

N(0, 1) ) = φ( 0, 3) = 1 φ(0, 3) = 1 0, 6179 = 0, 3821 < t α 1 e t dt α > 0. f g = fg. f = e t f = e t. U nas: g = t α 1 g = (α 1)t α 2

Wymagania edukacyjne z matematyki FUNKCJE dopuszczającą dostateczną dobrą bardzo dobrą

Wymagania edukacyjne matematyka klasa 2b, 2c, 2e zakres podstawowy rok szkolny 2015/ Sumy algebraiczne

< f g = fg. f = e t f = e t. U nas: e t (α 1)t α 2 dt = 0 + (α 1)Γ(α 1)

Analiza matematyczna v.1.6 egzamin mgr inf niestacj 1. x p. , przy założeniu, że istnieją lim

Kodowanie liczb. Kodowanie stałopozycyjne liczb całkowitych. Niech liczba całkowita a ma w systemie dwójkowym postać: Kod prosty

Grażyna Nowicka, Waldemar Nowicki BADANIE RÓWNOWAG KWASOWO-ZASADOWYCH W ROZTWORACH ELEKTROLITÓW AMFOTERYCZNYCH

Niewymierność i przestępność Materiały do warsztatów na WWW6

Pochodne i całki, macierze i wyznaczniki

Rozwiązywanie zadań z dynamicznego ruchu płaskiego część I 9

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI DLA KLASY VIII w roku szkolnym 2015/2016

Rachunek prawdopodobieństwa i statystyka matematyczna.

Analiza matematyczna i algebra liniowa Całka oznaczona

Wyznacznikiem macierzy kwadratowej A stopnia n nazywamy liczbę det A określoną następująco:

Analiza matematyczna i algebra liniowa

Wykład 6 Dyfrakcja Fresnela i Fraunhofera

PRÓBNA MATURA Z MATEMATYKI Z OPERONEM LISTOPAD ,0. 3x 6 6 3x 6 6,

WEKTORY skalary wektory W ogólnym przypadku, aby określić wektor, należy znać:

Katalog wymagań programowych na poszczególne stopnie szkolne. Matematyka. Poznać, zrozumieć

Szczegółowe wymagania edukacyjne z matematyki, klasa 2C, poziom podstawowy

Technikum Nr 2 im. gen. Mieczysława Smorawińskiego w Zespole Szkół Ekonomicznych w Kaliszu

O pewnych zgadnieniach optymalizacyjnych O pewnych zgadnieniach optymalizacyjnych

Zagadnienie brachistochrony jako przyk lad zastosowania rachunku wariacyjnego

Całka Riemanna. Analiza Matematyczna. Alexander Denisjuk

R + v 10 R0, 9 k v k. a k v k + v 10 a 10. k=1. Z pierwszego równania otrzymuję R 32475, Dalej mam: (R 9P + (k 1)P )v k + v 10 a 10

Wartość bezwzględna. Proste równania i nierówności.

Klucz odpowiedzi do zadań zamkniętych i schemat oceniania zadań otwartych

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki krzywoliniowe

INSTRUKCJA. - Jak rozwiązywać zadania wysoko punktowane?

SZTUCZNA INTELIGENCJA

1 Rachunek zdań 3. 2 Funkcje liczbowe 6

( ) Lista 2 / Granica i ciągłość funkcji ( z przykładowymi rozwiązaniami)

Całki oznaczone. Funkcja górnej granicy całkowania. Zastosowania całek oznaczonych. Całki niewłaściwe. Małgorzata Wyrwas

Analiza Matematyczna (część II)

Metoda sił jest sposobem rozwiązywania układów statycznie niewyznaczalnych, czyli układów o nadliczbowych więzach (zewnętrznych i wewnętrznych).

Wymagania edukacyjne z matematyki

ANALIZA MATEMATYCZNA 1

Maciej Grzesiak. Iloczyn skalarny. 1. Iloczyn skalarny wektorów na płaszczyźnie i w przestrzeni. a b = a b cos ϕ. j) (b x. i + b y

Modelowanie i obliczenia techniczne. Metody numeryczne w modelowaniu: Różniczkowanie i całkowanie numeryczne

PRZEGLĄD FUNKCJI ELEMENTARNYCH. (powtórzenie) y=f(x)=ax+b,

KONKURS MATEMATYCZNY dla uczniów gimnazjów w roku szkolnym 2012/13. Propozycja punktowania rozwiązań zadań

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Matematyka. Poziom rozszerzony. Listopad Wskazówki do rozwiązania zadania

ZADANIA OTWARTE. Są więc takie same. Trzeba jeszcze pokazać, że wynoszą one 2b, gdyż taka jest długość krawędzi dwudziestościanu.

Całki oznaczone. Funkcja górnej granicy całkowania. Zastosowania całek oznaczonych. Całki niewłaściwe. Małgorzata Wyrwas

Arkusz 1 - karta pracy Całka oznaczona i jej zastosowania. Całka niewłaściwa

ZADANIA Z GEOMETRII RÓŻNICZKOWEJ NA PIERWSZE KOLOKWIUM

Redukcja układów sił działających na bryły sztywne

Wymagania na poszczególne oceny z matematyki w Zespole Szkół im. St. Staszica w Pile. Kl. II poziom podstawowy

Materiały diagnostyczne z matematyki poziom podstawowy

Wymagania na poszczególne oceny z matematyki w Zespole Szkół im. St. Staszica w Pile. Kl. I poziom podstawowy

Pierwiastek z liczby zespolonej

Wymagania edukacyjne z matematyki Klasa IIB. Rok szkolny 2013/2014 Poziom podstawowy

KOMPENDIUM MATURZYSTY Matematyka poziom podstawowy

Zastosowanie multimetrów cyfrowych do pomiaru podstawowych wielkości elektrycznych

Macierz. Wyznacznik macierzy. Układ równań liniowych

O SZEREGACH FOURIERA. T (x) = c k e ikx

WYMAGANIA EDUKACYJNE NIEZBĘDNE DO UZYSKANIA POSZCZEGÓLNYCH ŚRÓDROCZNYCH I ROCZNYCH OCEN KLASYFIKACYJNYCH Z MATEMATYKI POZIOM PODSTAWOWY KLASA 2

TEORIA PŁYT I POWŁOK (KIRCHHOFFA-LOVE)

Transkrypt:

SFORMUŁOWANIE WARIACYJNE Abstrkt Ktrzyn Miller 1, Krolin Pelcer grup projektow 6 Zgdnienie Sformułownie wricyjne zjmuje się szukniem ekstremlnych wrtości funkcjonłów i m zstosownie w rozwiązywniu równń różniczkowych. W niniejszym rtykule strłyśmy się przedstwić podstwowe informcje dotyczące tego temtu. Pierwsz część teoretyczn przedstwi krótką notkę historyczną i trzy podstwowe zdni rchunku wricyjnego. Wyjśni pojęci: funkcjonł, funkcjonł liniowy, przyrost, wricj, ekstremum funkcjonłu i wrunek konieczny istnieni ekstremum. Oprócz tego podne są przykłdy funkcjonłu orz podził funkcjonłów liniowych. Zostje wyprowdzone równnie Euler i pokzne są jego szczególne przypdki. W części prktycznej utorki przedstwiją odpowiednie przykłdy wyjśnijące jk znleźć ekstremum funkcjonłu, rozwiązne zostje zdnie o brchistochronie i zdnie o njmniejszym polu obrotowym. W celu szybszego zrozumieni przez czytelników niektórych zgdnień sporządzono odpowiednie rysunki i dokłdnie rozwiązno zdni. Słow kluczowe: funkcjonł, funkcjonł liniowy, przyrost funkcjonłu, wricj, ekstremum funkcjonłu, równnie Euler, podstwowe zdni rchunku wricyjnego 1 Wstęp Artykuł zostł npisny przez studentki trzeciego roku mtemtyki finnsowej n Politechnice Gdńskiej: Ktrzynę Miller i Krolinę Pelcer. Temt Sformułownie wricyne zostł wcześniej przedstwiony w formie prezentcji n zjęcich projektowych z przedmiotu Metody elementów skończonych. Ktrzyn Miller oprcowł mterił dotyczący trzech podstwowych zdń rchunku wricyjnego, podstwowe pojęci i definicje orz zdnie 1 znlezienie ekstremum funkcjonłu. 1 Nr indeksu 114483, Politechnik Gdńsk wydził Fizyki Technicznej i Mtemtyki Stosownej Nr indeksu 114495, Politechnik Gdńsk wydził Fizyki Technicznej i Mtemtyki Stosownej 1

Krolin Pelcer oprcowł równnie Euler i jego szczególne przypdki orz zdnie o brchistochronie i zdnie 3 o njmniejszym polu obrotowym. Wspólnie oprcowno związek pomiędzy metodmi elemntów skończonych Sformułowniem wricyjnym. Metody elementów skończonych, Sformułownie wricyjne Rozwiąznie proksymcyjne metody elementów skończonych może powodowć wiele problemów, ze względu n postć opisujących je równń różniczkowych. Wynik to z fktu, że pojwiją się tm często pochodne stosunkowo wysokich rzędów, co przy bezpośrednim rozwiązywniu tych równń wymg zstosowni wysokich rzędów funkcji proksymujących. Aby pozbyć się tych problemów możemy stosowć Sformułownie wricyjne, poniewż w wielu przypdkch problem cłkowni równni różniczkowego (zwyczjnego lub o pochodnych cząstkowych) możn zstąpić równowżnym problemem znlezieni funkcji, któr ekstremlizuje pewną cłkę (funkcjonł). 3 Podstwowe zdni W 1696 roku Jn Bernoulli opublikowł list, w którym sformułowł pytnie o linii njszybszego spdku nzwnej brchistochroną. Dło to początek trzem podstwowym zdniom rchunku wricyjnego. 3.1 Zdnie o brchistochronie W zdniu o brchistochronie szukmy linii łączącej dw punkty A i B, nieleżące n jednej prostej pionowej, po której punkt mterilny stcz się njszybciej. Krzywą tką nzyw się brchistochroną. Zuwżmy, że lini t nie jest prostą łączącą punkty A i B. Tk prost byłby njkrótszą drogą po jkiej punkt mterilny stcz się, jednk prędkość rosłby wolno. Krzyw zś stromo zmierzjąc z punktu A jest dłuższ, le prędkość jest większ. Tką krzywą nzyw się cykloidą. 3. Zdnie o linich geodezyjnych A i B to dw ustlone punkty nieleżące w jednej płszczyźnie pionowej. Spośród wszystkich krzywych płskich, znjdujemy tę któr m njmniejszą długość. Linie tkie nzywmy geodezyjnymi. N obrzku widzimy, że spośród trzech nrysownych krzywych, njkrótsz

Rysunek 1: Przedstwi spdek punktu mterilnego z pkt.a do pkt.b [7] Rysunek : Różne krzywe łączące pkt.a i pkt.b jest czerwon krzyw. Jest więc on linią geodezyjną. Njkrótsze są funkcje liniowe czyli f = f(x). 3.3 Zdnie izoperymetryczne Zdnie izoperymetryczne poleg n znlezieniu lini zmkniętej o zdnej długości S. Lini t powinn ogrniczć mksymlne pole. Krzywą tką jest okrąg. Rysunek 3: Przedstwi mksymlne pole 3

4 Pojęci, definicje 4.1 Funkcjonł Funkcjonłem nzywmy wielkości zmienne, których wrtości zleżne są od jednej lub kilku funkcji. Funkcjonł kżdej funkcji (pewnej klsy) przyporządkowuje jednozncznie pewną liczbę.[1] Przykłdy funkcjonłu: 1. Długość l łuku krzywej, łączącej dw dne punkty;. Pole S pewnej powierzchni; 3. Jeśli drodze łączącej punkty A i B przyporządkujemy czs, w którym rozptrywne ciło przejdzie tę drogę; 4. Funkcjonł liniowy Definicj 1 [] Funkcjonł J[f] nzywmy funkcjonłem liniowym, jeśli spełni nstępujące wrunki: J[k f] = k J[f] dl kżdego k R J[f 1 + f ] = J[f 1 ] + J[f ] 4.3 Podził funkcjonłów liniowych 4.3.1 Podził ze względu n rodzj zmiennych W funkcjonłch występują dw rodzje zmiennych: zmienne niezleżne: x 1, x,... zmienne zleżne: f 1 (x), f (x),... 4.3. Podził ze względu n ilość zmiennych Funkcjonły możemy podzielić tkże ze względu n ilość zmiennych w funkcji: Funkcjonł zleży od jednej zmiennej niezleżnej i kilku zmiennych zleżnych: J[f] = F (x, f 1, f,..., f n, f 1, f,..., f n)dx Funkcjonł zleży od kilku zmiennych niezleżnych i jednej zmiennej zleżnej: 4

J[f] = x 1 x x3 x 11 x 1 x 31 F (x 1, x, x 3, f, f x 1, f x, f x 3 )dx 1 dx dx 3 Funkcjonł zleży od jednej zmiennej niezleżnej i pochodnych wyższego rzędu: J[f] = F (x, f, f, f,..., f (n) )dx Funkcjonł zleży od kilku zmiennych niezleżnych i kilku zmiennych zleżnych: J[f] = x 1 x x 11 x 1... x n x n1 F (x 1, x,... x n, f 1, f,..., f n, j x i j=1,,...n i=1,,...n )dx 1dx... dx n 4.4 Przyrost funkcjonłu, wricj Niech J: X R będzie funkcjonłem określonym n pewnej przestrzeni funkcyjnej X. Wtedy J = J[f + h] J[f] będzie przyrostem wrtości funkcjonłu odpowidjącym przyrostowi rgumentu o h. Zuwżmy, że dl ustlonego f przyrost J jest funkcjonłem zleżnym od h (n ogół nieliniowym). Rysunek 4: Przyrost wrtości funkcjonłu [7] Definicj [5] Mówimy, że funkcjonł J jest różniczkowlny w punkcie f wtedy i tylko wtedy gdy przyrost J dje się przedstwić w postci gdzie: J = γ(h) + α(f, h) h, γ(h) jest funkcjonłem liniowym względem h lim h 0 α(f, h) = 0 h = mx h gdzie h to odlegołość między funkcjmi (ptrz Rysunek4) Różniczką w sensie Frèchet lub wricją funkcjonłu J nzywmy główną liniową część przyrostu J funkcjonłu J, czyli funkcjonł liniowy γ(h), różniący się od J o wielkość nieskończenie młą rzędu wyższego od pierwszego w stosunku do h. Zpisujemy ją symbolicznie jko δj(h). 5

4.5 Ekstremum funkcjonłu 4.5.1 Eksteremum mocne funkcjonłu Wrtość funkcjonłu J[f 0 ] nzywmy ekstremum mocnym, jeżeli jest on ekstremlą (krzywą cłkową równni Euler) ze względu n te wszystkie funkcje f(x), które nleżą do obszru określoności funkcjonłu J[f] i spełniją wrunek f f 0 < ɛ gdzie ɛ > 0 (tj. są bliskie f 0 w sensie normy przestrzeni C 3 )[1] 4.5. Ekstremum słbe funkcjonłu Funkcjonł J[f] osiąg dl f = f 0 ekstremum słbe, jeśli istnieje tkie ɛ > 0, że J[f] J[f 0 ] zchowuje stły znk dl wszystkich tych f z przestrzeni D 1 4, dl których funkcjonł J[f] jest określony i f f 0 < ɛ. [1] Kżde ekstremum mocne jest równocześnie ekstremum słbym. Rozptrujemy funkcjonły określone w pewnym zbiorze funkcji różniczkowlnych. Funkcje te uwżmy z elementy przestrzeni C i D 1. 4.5.3 Wrunek konieczny istnieni ekstremum Twierdzenie 1 [1] Wrunkiem koniecznym n to, by funkcjonł J[f] osiągł dl f = f 0 ekstremum jest, by jego różniczk (jeśli istnieje) był dl f = f 0 równ zero,tj. δj 0 dl f = f 0 Dowód tego twierdzeni w złączniku 8.1.1. 5 Równnie Euler 5.1 Wyprowdzenie równni Euler Niech F(x,f,f ) będzie funkcją mjącą ciągłe pochodne cząstkowe dowolnego rzędu ze względu n wszystkie zmienne. Pośród wszystkich funkcji f(x) mjących ciągłe pochodne i spełnijących wrunki: f()=a, f(b)=b, poszukujemy tej, dl której funkcjonł 3 Przestrzeń C, skłdjąc się ze wszystkich funkcji ciągłych, określonych n pewnym odcinku [,b]. Dodwnie elementów i mnożenie ich przez liczby wprowdzmy tutj jko zwyczjne dodwnie funkcji i mnożenie ich przez liczby, normę określmy jko mksimum modułu, czyli y = mx f(x) dl x b. 4 Przestrzeń D 1 jest przestrzenią skłdjącą się ze wszystkich funkcji określonych n pewnym odcinku [,b] i ciągłych n tym odcinku rzem z ich pierwszymi pochodnymi. Opercje dodwni i mnożeni przez liczby wprowdzmy tk smo jk w C, normę zś określmy z pomocą wzoru y 1 = mx f(x) + mx f (x) dl x b. 6

J[f] = F (x, f, f )dx osiąg ekstremum. Wyznczmy wricję funkcjonłu J[f] ndjąc funkcji f(x) przyrost h(x). Aby funkcj f(x)+h(x) spełnił wrunki brzegowe, h(x) musi się zerowć n końcch przedziłu cłkowni h()=0, h(b)=0. Obliczmy przyrost funkcjonłu: J = δj(h) + α(f, h) h = F (x, f + h, (f + h) )dx F (x, f, f )dx = = F (x, f + h, f + h )dx W celu wyznczeni pierwszej z cłek skorzystmy ze wzoru n różniczkę: F (x, f, f )dx F (x, f + h, f + h ) = F (x, f, f + h ) + F (x, f, f + h ) h = = F (x, f, f ) + F (x, f, f ) h + F (x, f, f ) h + F (x, f, f ) hh Podstwijąc do wzoru n przyrost funkcjonłu otrzymujemy: J = δj(h) + α(f, h) h = = ( b F (x, f, f )+ F (x,f,f ) h + F (x,f,f ) = ( b F (x,f,f ) h + F (x,f,f ) h + F (x,f,f ) h+ F (x,f,f ) hh ) dx hh ) dx F (x, f, f )dx = Wricj jest główną liniową częścią przyrostu funkcjonłu J[f], zś α(f, h) h są to wyrzy rzędu wyższego od pierwszego ze względu n h i h. Zpiszmy ztem wricję: δj(h) = ( b F (x,f,f ) h + F (x,f,f ) h ) dx Wrunek konieczny istnieni ekstremum funkcjonłu J[f] możemy przedstwić w postci równni: δj(h) = ( b F (x,f,f ) h + F (x,f,f ) h ) dx = 0 Postć powyższego równni nie jest wygodn, poniewż pojwi się funkcj h i jej pochodn h. Wprowdz to pewną dowolność i nie wskzuje jednozncznie funkcji f będącej poszukiwnym rozwiązniem. Wyeliminujmy pochodną h z drugiego członu cłki stosując cłkownie przez części: 7

F (x,f,f ) h dx = h F (x,f,f ) h d dx Poniewż h()=h(b)=0, możemy npisć: F (x,f,f ) dx F (x,f,f ) h dx = h d dx F (x,f,f ) dx Stąd otrzymujemy: δj(h) = ( b h F (x,f,f ) d F (x,f,f ) dx )dx Funkcj h może przyjmowć dowolny znk, w szczególności możemy dobierć ją tk, by iloczyn funkcji podcłkowych był zwsze nieujemny lub niedodtni (nie zmienił znku w przedzile cłkowni), jedynie h 0, to wricj będzie równ zeru tylko wówczs gdy: F (x,f,f ) d F (x,f,f ) dx = 0 Powyższe równnie różniczkowe nzywmy równniem Euler. Możemy je zpisć w prostszej postci: F f d dx F f = 0 Krzywe cłkowe równni Euler nzywmy ekstremlmi [1], [6], [8]. 5. Szczególne przypdki równni Euler W zleżności od postci funkcji podcłkowej rozptrujemy przypdki [1]: 1. Funkcj podcłkow nie zleży od x: bdny funkcjonł m postć: F (f, f )dx postć wzoru Euler: d dx (F f F f ) = 0 stąd otrzymujemy pierwszą cłkę rozptrywnego równni Euler m on postć : F f F f = C gdzie C R. Funkcj podcłkow nie zleży od f: bdny funkcjonł m postć: F (x, f )dx 8

postć wzoru Euler: d dx F f = 0 stąd otrzymujemy pierwszą cłkę rozptrywnego równni Euler m on postć : F f = C gdzie C R 3. Funkcj podcłkow nie zleży od f : bdny funkcjonł m postć: F (x, f)dx postć wzoru Euler: F f = 0 nie jest to równnie różniczkowe, lecz zwyczjne równnie określjące jedną lub kilk krzywych. Wyprowdzenie wzorów równni Euler dl szczególnych przypdków w złączniku 8..1. 6 Przykłdy 6.1 Zdnie 1 znlezienie ekstremum funkcjonłu Określić n jkich krzywych może osiągć ekstremum funkcjonł J[f] = 1 (f xf)dx z wrunkmi brzegowymi f(1) = 0, f() = 1. Rozwiąznie: Wzór Euler: F f d dx F f = 0 F (x, f, f ) = f xf F f = x d dx F f = d dx (f (x)) = f (x) Podstwimy wyliczone funkcje do wzoru Euler: 9

x f (x) = 0 Otrzymliśmy równnie różniczkowe, które potrfimy obliczyć: x f (x) = 0/ : ( ) f (x) + x = 0 f (x) = x f (x)dx = xdx f (x) = x + C gdzie C R f (x)dx = x + Cdx f(x) = x3 6 + C 1 x + C gdzie C 1, C R Otrzymliśmy wzór krzywej jednk jest on zleżn od dwóch stłych C 1, C. Możemy obliczyć je korzystjąc z wrunków brzegowych: f(1) = 1 6 + C 1 + C = 0 f() = 8 6 + C 1 + C = 1 { C1 + C = 1 6 C 1 + C = 1 3 Obliczjąc C 1, C z tego ukłdu równń otrzymujemy: { C1 = 1 6 C = 0 Ztem ekstremum może być osiągnięte tylko n krzywej: f(x) = x 6 (1 x ) [3]. 6. Zdnie o brchistochronie Znleźć krzywą łączącą n pionowej płszczyźnie punkty A i B, nieleżące n jednej linii pionowej, po której w njkrótszym czsie poruszjący się, pod dziłniem siły ciężkości, punkt mterilny przemieści się z punktu A do punkty B. Trcie i opór pomijmy. Rozwiąznie: Wprowdźmy ukłd współrzędnych: 10

Rysunek 5: Ukłd współrzędnych xoy Początek ukłdu współrzędnych będzie w punkcie A, oś Ox skierujmy poziomo, oś Oy- pionowo w dół. Krzyw AB jest określon równniem jwnym y = y(x), 0 x x 1. Z zsdy zchowni energii wiemy, że: mv = mgy (1) gdzie y-wysokość, n której znjdzie się punkt mterilny, v-wrtość prędkości w dnej chwili czsu, g-przyśpieszenie ziemskie, m-ms cił. Z wzoru (1) możemy npisć: v = gy Długość wektor prędkości wyrż się wzorem: v(t) = ( dx dt ) + ( dy dt ) po zminie zmiennych otrzymujemy: v(t)dt = 1 + ( dy dx ) dx Po uwzględnieniu zsdy zchowni energii mmy: gydt = 1 + ( dy dx ) dx 1 + ( dy dx dt = ) dx gy Cłkowity czs ruchu cił z położeni A(0,0) w położenie B(x 1, y 1 ) będzie wyrżony cłką: 1 x1 1 + y J[y] = dx g 0 y Funkcjonł nie zwier rgumentu x, jego wyrżenie podcłkowe jest zpisne w formie F = F (y, y ). Równnie Euler po pierwszym cłkowniu m 11

postć F y F y = C W nszym przypdku równnie to zpisujemy jko: 1 + y y y y(1 + y ) = C Stąd po uproszczeniu będziemy mieć: 1 y(1 + y ) = C y(1 + y ) = C 1 Wprowdźmy prmetr t, zkłdjąc że y = ctg t wówczs otrzymmy: C 1 y = 1 + ctg t = C 1 sin t = C 1 (1 cos t) Korzystjąc z powyższego wzoru znjdujemy: dx = dy y x = = C 1 sin t cos tdt ctg t = C 1 sin t dt C 1 (1 cos t)dt = C 1 t C 1 sin t + C = C 1 (t sin t) + C Tk więc w formie prmetrycznej równnie szuknej krzywej m postć: x C = C 1 (t sin t) y = C 1 (1 cos t) Zstosujmy podstwienie t = t 1 i biorąc pod uwgę, że dl t = 0 również x = 0, otrzymmy, że C = 0. Osttecznie dochodzimy do równni rodziny cykloid, zpisnego w formie prmetrycznej: { x = C 1 (t 1 sin t 1 ) y = C 1 (1 cos t 1 ) gdzie C 1 -promień toczącego się okręgu. Wykzliśmy, że brchistochroną jest cykloid [1], [3], [4], [6]. 6.3 Zdnie 3 o njmniejszej powierzchni obrotowej Określić krzywą y = y(x) z zdnymi punktmi grnicznymi, przy obrocie której wokół osi odciętej tworzy się powierzchni o njmniejszym polu. 1

Rysunek 6: Powierzchni obrotow [3] Rozwiąznie: Pole powierzchni obrotowej jest określone wzorem: J[y] = π y 1 + y dx Funkcj podcłkow zleży tylko od y i y, ztem pierwsz cłk równni Euler będzie mił postć: F y F y = C W nszym przypdku równnie to zpisujemy w postci: y 1 + y yy = C 1 + y Stąd po uproszczeniu będziemy mieć: y 1 + y = C Wprowdźmy prmetr t zkłdjąc, że y = sinh t. Wtedy y = C cosh t, dx = dy x = y = Cdt C sinh tdt sinh t = dt Tk więc szukn powierzchni powstje przez obrót lini, której równnie w formie prmetrycznej m postć: x = Ct + C 1 y = C cosh t Wykluczjąc prmetr t, otrzymmy: y = C cosh x C 1 C. Jest to rodzin krzywych łńcuchowych, przy obrocie których powstje szukn powierzchniktenoid. Stłe C i C 1 są określone n podstwie wrunku przechodzeni krzywej łńcuchowej przez wyznczone punkty grniczne [3], [6]. 13

7 Podsumownie W dzisiejszych czsch Sformułownie wricyjne, konkretnie Rchunek wricyjny, zjmuje w mtemtyce szczególne miejsce. Jest jednym z wżniejszych, z punktu widzeni zstosowń, rozdziłów klsycznej nlizy mtemtycznej. Zdni wricyjne polegją n znlezieniu wrtości mksymlnych i minimlnych funkcjonłów, które zstępują równni różniczkowe. Rozwiązujemy w ten sposób problem polegjący n cłkowniu owych równń różniczkowych. Zprezentowne przykldy pokzły, że przy użyciu porostych przeksztłceń i wzorów możemy obliczyć wiele zgdnień mtemtycznych jk, i fizycznych. 8 Złącznik 8.1 Ekstremum funkcjonłu 8.1.1 Wrunek konieczny istnieni ekstremum Twierdzenie Wrunkiem koniecznym n to, by funkcjonł J[f] osiągł dl f = f 0 ekstremum jest, by jego różniczk (jeśli istnieje) był dl f = f 0 równ zero,tj. δj 0 dl f = f 0 Dowód 1 [1],[5] Dowód przez sprzeczność. Rozptrzmy dl określoności przypdek minimum. Jeżeli J[f] osiąg dl f = f 0 minimum, to znczy, że J[f 0 + h] J[f 0 ] 0 dl wszystkich h, dl których norm h jest dosttecznie mł. Ale zgodnie z określeniem wricji, J[f 0 + h] J[f 0 ] = δj[h] + α(f, h) h i α(f, h) 0 dl h 0. Jeżeli δj[h] 0, to dl dosttecznie młych h znk wyrżeni δj[h] + α(f, h) h określ pierwszy skłdnik (główny). Ale δj jest funkcjonłem liniowym, dltego δj[ h] = δj[h] ztem, przy δj 0 wyrżenie δj[h] + α(f, h) h może być tk dodtnie, jk i ujemne przy dowolnie młych h, czyli ekstremum w tym przypdku jest niemożliwe. 14

8. Równnie Euler 8..1 Szczególne przypdki równni Euler W zleżności od postci funkcji podcłkowej rozptrujemy przypdki: 1. Funkcj podcłkow nie zleży od x: bdny funkcjonł m postć: F (f, f )dx postć wzoru Euler: d dx (F f F f ) = 0 stąd otrzymujemy pierwszą cłkę rozptrywnego równni Euler m on postć : F f F f = C gdzie C R Dowód [1] Skorzystjmy ze wzoru Euler: F f d dx F f = 0 Rospisując powyższy wzór dl nszej funkcji podcłkowej otrzymmy: F f d dx F f = F f F f f f F f f f pomnożymy to równnie przez f : F f f F f f f f F f f f f korzystjąc z postci wzoru Euler dl tego przypdku funkcjonłu zpiszmy: d dx (F f F f ) = F f f F f f f f F f f f f Otrzymliśmy to smo ztem pierwsz cłk rozptrywnego równni Euler m on postć : F f F f = C gdzie C R. Funkcj podcłkow nie zleży od f: bdny funkcjonł m postć: F (x, f )dx postć wzoru Euler: 15

d dx F f = 0 stąd otrzymujemy pierwszą cłkę rozptrywnego równni Euler m on postć : F f = C gdzie C R Dowód 3 [1] W tym przypdku dowód jest brdzo prosty, poniewż ze wzoru Euler F f d dx F f = 0 wynik, że F f = 0 ztem bierzemy tylko pod uwgę d dx F f = 0, stąd pierwsz cłk to: F f = C gdzie C R. 3. Funkcj podcłkow nie zleży od f : bdny funkcjonł m postć: F (x, f)dx postć wzoru Euler: F f = 0 Litertur nie jest to równnie różniczkowe, lecz zwyczjne równnie określjące jedną lub kilk krzywych. [1] I.M. Gelfnd, S.W. Fomin: Rchunek wricyjny, Pństwowe Wydwnictwo Nukowe, Wrszw 1979r., s. 7-30. [] L.E. Elsgolc: Rchunek wricyjny, Pństwowe Wydwnictwo Nukowe, Wrszw 1960r., s. 7-10,14,33-34. [3] J. Głzunow: Metody wricyjne, Wydwnicto Elbląskiej Uczelni Humnistyczno-Ekonomicznej, Elbląg 005r., s. 11,45-49. [4] strony www: http://www.ftj.gh.edu.pl/ lend/wricje.pdf n dzień 06.03.010r. [5] strony www: http://www.mini.pw.edu.pl/ mm/konw/wykl 13.pdf n dzień 06.03.010r. [6] strony www: http://www.mini.pw.edu.pl/ mm/konw/node65.html n dzień 06.03.010r. [7] strony www: http://pnormix.ift.uni.wroc.pl/ knft/mterily/wricje.pdf n dzień 06.03.010r. [8] Mteriły podne przez Pnią J. Pielszkiewicz MES mteril1 16