Пример 5

Пример 4.

Уравнение Эйлера имеет вид . Первое граничное условие удовлетворяется, но второе граничное условие удовлетворяется лишь при а = 1. Если же , то экстремали, удовлетворяющей граничным условиям, не существует.

Уравнение Эйлера превращается в тождество . Подынтегральное выражение является точным дифференциалом, и интеграл не зависит от пути интегрирования:

по какой бы кривой мы ни интегрировали. Вариационная задача не имеет смысла.

3) F зависит лишь от у':

Уравнение Эйлера имеет вид , так как . Отсюда у"=0 или . Если y`` = 0, то — двухпараметрическое семейство прямых линий. Если же уравнение имеет один или несколько действительных корней , то , и мы получаем однопараметрическое семейство прямых, содержащееся в полученном выше двухпараметрическом семействе . Таким образом, в случае F = F(у') экстремалями являются всевозможные прямые линии .

Пример 6. Длина дуги кривой

имеет экстремалями прямые линии

Пример 7. Время t[y(x)], затрачиваемое на перемещение по некоторой кривой у=у(х) из точки А(, ) в точку В(, ), если скорость зависит только от у', является функционалом вида

Следовательно, экстремалями этого функционала являются прямые линии.

4) F зависит лишь от х и у':

Уравнение Эйлера приобретает вид и, следовательно, имеет первый интеграл. , причем так как полученное уравнение первого порядка не содержит у, то уравнение может быть проинтегрировано или путем непосредственного разрешения относительно у' и интегрирования, или путем введения подходящим образом выбранного параметра.

Пример 8. Функционал

(t — время, затрачиваемое на перемещение по кривой у = у(х) из одной точки в другую, если скорость движения v = х, так как если , то и ). Первый интеграл уравнения Эйлера имеет вид . Это уравнение проще всего интегрируется, если ввести параметр, полагая у' = tg t; тогда

или , где

интегрируя, получаем . Итак,

или, исключая t, получаем — семейство окружностей с центрами на оси ординат.

5) F зависит лишь от у и у':

Уравнение Эйлера имеет вид: , так как . Если умножить почленно это уравнение на у', то, как нетрудно проверить, левая часть превращается в точную производную

Следовательно, уравнение Эйлера имеет первый интеграл причем так как это уравнение первого порядка не содержит явно х, то оно может быть проинтегрировано путем разрешения относительно у' и разделения переменных или путем введения параметра.

Рисунок 6

Пример 9. Задача о наименьшей поверхности вращения: определить кривую с заданными граничными точками, от вращения которой вокруг оси абсцисс образуется поверхность наименьшей площади (рис. 6).

Как известно, площадь поверхности вращения

Подынтегральная функция зависит лишь от у и у' и, следовательно, первый интеграл уравнения Эйлера будет иметь вид или в данном случае .

После упрощений получаем . Проще всего это уравнение интегрируется подстановкой у' = sh t, тогда у = cht, a

Итак, искомая поверхность образуется вращением линии, уравнение которой в параметрической форме имеет вид

Исключая параметр t, будем иметь семейство цепных линий, от вращения которых образуются поверхности, называемые катеноидами. Постоянные и определяются из условия прохождения искомой линии через заданные граничные точки (в зависимости от положения точек А и В может существовать одно, два или ни одного решения).

Пример 10. Задача о брахистохроне: определить кривую, соединяющую заданные точки А к В, при движении по которой материальная точка скатится из точки А в точку В в кратчайшее время (трением и сопротивлением среды пренебрегаем).

Поместим начало координат в точку А, ось Ох направим горизонтально, ось Оу — вертикально вниз. Скорость движения материальной точки откуда находим время, затрачиваемое на перемещение точки из положения А(0,0) в положение B(, ):

Так как этот функционал также принадлежит к простейшему виду и его подынтегральная функция не содержит явно х, то уравнение Эйлера имеет первый интеграл , или в данном случае

откуда после упрощений будем иметь или

Введем параметр t, полагая у' = ctg t; тогда получим:

Следовательно, в параметрической форме уравнение искомой линии имеет вид

Если преобразовать, параметр подстановкой 2t=t1 и принять во внимание, что = 0, так как при у=0, х=0, то мы получим уравнение семейства циклоид в обычной форме:

где радиус катящегося круга, который определяется из условия прохождения циклоиды через точку В(, ). Итак, брахистохроной является циклоида.

Список литературы

1. Л.Э. Эльсгольц «Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление»

2. И.М. Гельфанд, С.В. Фомин «вариационное исчисление»

3. М.Л. Краснов, Г.И. Макаренко «Вариационное исчисление»

Дата добавления: 2015-05-10