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第90章 变分法问题深入剖析(1/2)

由此,我们可推导出如下结论:

1.若构造二阶常微分方程(1)的任意一个单参数积分曲线族,再建立一个同样以这些积分曲线为解的一阶常微分方程:

(略)

则函数(原文未明确函数符号,此处按上下文保留“函数”表述)必然是一阶偏微分方程(1*)的一个解;

2.反之,若(略)表示一阶偏微分方程(1*)的任意一个解,则一阶常微分方程(2)的所有非奇异积分,同时也是二阶常微分方程(1)的积分。

简而言之,若(略)是二阶微分方程(1)的一个一阶积分,则(略)是偏微分方程(1*)的一个解;反之亦然[第39页]。因此,二阶常微分方程的积分曲线,同时也是一阶偏微分方程(1*)的特征线。

在当前情形下,我们可通过简单计算得到相同结论:计算后,我们所讨论的微分方程(1)与(1*)可表示为如下形式(略),其中下标表示对(略)的偏导数。由此,上述关系的正确性便显而易见。

前文推导且刚刚证明的“二阶常微分方程(1)与一阶偏微分方程(1*)之间的密切联系”,在我看来,对变分法具有根本性意义。因为,由“积分(略)与积分路径无关”这一事实可推出:

(略)

若将等式左侧积分视为沿任意路径(略)的积分,右侧积分视为沿微分方程(略)的积分曲线(略)的积分。

借助方程(3),我们可得到魏尔斯特拉斯公式:

(略)

其中(略)表示魏尔斯特拉斯表达式,该表达式依赖于(略)。

因此,由于求解过程仅需找到一个“在我们所研究的积分曲线(略)的某邻域内单值且连续”的积分(略),上述推导无需引入二阶变分,仅通过对微分方程(1)应用极线法[第40页],就能直接得到雅可比条件的表达式,并回答“雅可比条件与魏尔斯特拉斯条件(略)相结合,在多大程度上是取得最小值的必要且充分条件”这一问题。

上述推导无需额外计算,即可推广到“存在两个或更多待求函数”的情形,也可推广到“积分是二重积分或多重积分”的情形。例如,考虑在给定区域(略)上的二重积分:

(略)

在通常意义下,其一阶变分(略)等于零,可得到关于两个变量(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“两个变量”表述)与(略)的待求函数(略)所满足的着名二阶微分方程:

(略)

另一方面,我们考虑积分(原文未明确积分符号,此处按上下文保留“积分”表述,标注为积分J):

(略)

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