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變分法/第三章

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第三章:懸鏈線的性質。

  • 33 概述。
  • 34 懸鏈線的普遍方程。
  • 35 其切線的幾何結構。
  • 36 懸鏈線的幾何結構。
  • 37 當懸鏈線上的一點及其該點處切線的方向已知時,懸鏈線是唯一的。
  • 38 懸鏈線必須存在的界限。
  • 39,40,41 可以透過兩個固定點繪製的懸鏈線的數量。
  • 42 函式 .
  • 43 函式 的討論。
  • 44 函式 的討論。
  • 45 對超越方程根的近似幾何結構。
  • 46,47,48 函式 的圖形表示。
  • 49,50 出現的不同情況和相應的懸鏈線數量。
  • 50,51,52 每種情況下透過兩個固定點的切線交點的定位。
  • 53,54 對兩條懸鏈線的公共切線。
  • 55 具有相同引數且僅在一個點相交的懸鏈線。
  • 56 林德洛夫定理。
  • 57 對同一個定理的第二個證明。
  • 58,59 討論旋轉最小曲面的幾種情況。
  • 60,61 應用於肥皂泡。

第 33 條.
由於林德洛夫和其他作家發現了一些定理,因此在變分法中尋求的一些旋轉最小曲面的特徵,在懸鏈線旋轉的情況下,可以在不使用該理論的情況下獲得。我們將在此給出這些結果,因為當我們來到透過變分法的方法得出的結果時,它們提供了一種方便的比較方法。

在介紹本章的主題時,遵循了施瓦茲教授在柏林的講座。託德亨特在他的變分法研究中以略有不同的形式推導了這些結果,第 54 頁;另見戈德施密特的獲獎論文,皇家天文學會月刊,第 12 卷,第 84 頁;傑勒特,變分法,1850 年,第 145 頁;莫尼奧和林德洛夫,變分法,1861 年,第 204 頁;等等。

第 34 條.
取上一章第 30 節中給出的懸鏈線方程的形式[1]

.

由此立即得出

.

方程的右邊是一個單值函式,但左邊是一個雙值函式。因此有必要定義左邊,使其成為對應於右邊的單值函式。

如果我們使 ,那麼是

因此, 是正數。但當 時,可以看出

然後 是負數。因此, 只有一個根,並且這個根對應於值 。 對應的 值是

此值 能取到的最小值;當 時,為最大值或最小值的條件,且由於 為正,因此 的最小值。此外,由於 始終為正或始終為負,因此 沒有最大值。曲線在點 的切線平行於 軸,因為在這個點上 .

第 35 條.
在曲線的每一點,我們有

.

因此,要在懸鏈線的任意點上作切線,例如在點,作垂線,並以為直徑作半圓。然後,以為半徑,以為圓心作圓,該圓與半圓交於點;連線。直線即為所求切線。

再有

因此

;

並積分,

其中表示弧長從懸鏈線的最低點開始測量。

的幾何軌跡是一條曲線,它與懸鏈線的切線垂直相交,因此是該切線系族的 **正交軌跡**。這條軌跡具有一個非凡的性質:在懸鏈線切線構造中使用的長度為 的垂直線 等,它們本身就是軌跡的切線。

這條軌跡還具有一個非凡的性質:如果我們將它繞 軸旋轉,旋轉得到的曲面具有恆定的曲率。

此外, 是懸鏈線的法線,

,並且
,

或者

(見圖),

其中 是曲率半徑的長度。

第 36 條.
懸鏈線的幾何構造。 取一個等於 的縱座標。這確定了點 (見圖)。以 為圓心,半徑等於 ,畫一個圓。該圓與 相交於一點 ,假設為。在這個圓的圓周上取一點 ,非常靠近點 ,並畫一條線 ,並在這條延長線上取點 ,使得 。以半徑 畫另一個圓,在這個圓上取一點 ,非常靠近點 ,並畫一條線 。在這條延長線上取點 ,使得 ,等等。點 的軌跡即為所求的懸鏈線。

附圖大致顯示了懸鏈線、其漸開線和軌跡的相對位置。

第 37 條.
從上一條看來,當我們知道懸鏈線上任意一點及其在該點的切線時,懸鏈線就被完全確定了。這可以透過以下分析來證明

, 為一條直線經過的點,該直線與 軸的夾角的正切值為 。懸鏈線經過該點並以該直線為切線的條件是

,
.

為了簡潔,我們寫成 ,使得上述條件變為

.

因此,

;

所以

以及

.

因此我們有

.

由於 都是正數,因此我們可以只取上式中的正號。因此,如果我們寫成

,

我們有

,
,

以及

.

此外,由於 對於 的確定值只有一個實數值,所以常數 由以下公式唯一確定:

並且量 唯一確定一條懸鏈線,該懸鏈線在點 , 處有該直線作為切線。

第 38 條.
特別地,考慮以 K 軸為對稱軸的懸鏈線,並設兩點 在曲線上等高,使得它們的座標為

由於 ,懸鏈線的方程現在是:

;

因此

這裡我們把 視為常數, 視為變數。

我們希望確定這個最後一個方程是否為 提供了一個或多個實數解。我們看到 時都是無窮大。

此外

,

或者

因此,當 為零時, 為負無窮大;當 為無窮大時,為1;當 從零變為無窮大時,符號只改變一次。 的最小值對應於滿足 值。

如果給定的 值大於 的最小值,則存在兩個滿足[1]的 值;如果給定的 值等於 的最小值,則只有一個 值;如果給定的 值小於 的最小值,則不存在可能的 值。

Moigno 和 Lindelöf 證明了滿足

大約為 ;然後從 [1] 得出 ;因此 (見 Todhunter,loc. cit.. 藝術 60)。因此,有兩個懸鏈線滿足規定的條件,或者根據 大於、等於或小於 1.50888...,一個或沒有。

如果我們寫 ,可以看到 是可以透過原點繪製的懸鏈線的兩條切線。

由於比率 無關,因此也遵循所有形式為 的懸鏈線,它們可以透過改變 推匯出,它們具有相同的兩條透過原點的切線,接觸點為 .

第 39 條.
回到懸鏈線 ,我們將看到,這裡也有三種情況需要我們研究,具體取決於:

  I. 可以透過固定點繪製兩條懸鏈線;

 II. 可以透過這些點繪製一條懸鏈線;

III. 無法透過這兩個點繪製任何懸鏈線。

我們可以假設 ,我們只需要改變 軸的正負方向;或者我們可以考慮 的情況,其中 關於 座標的映象點。

第 40 條.
從懸鏈線的方程可以得出

,

以及

.

因此

從這個關係可以看出 的符號取決於 。因此,我們也有

第 41 條.
在假設 的情況下,我們首先需要證明在當前討論中,以下圖形是不存在的。我們知道

.

可以從以下事實得出 一定為正數:縱座標 對應於值 ,並且是一個最小值(參見第 34 條)。假設 。根據假設 ,並且 ,因此 。曲線的形狀如圖形所示;在區間 之間,存在一個 值,對應於一個大於端點縱座標的縱座標 。因此,在該區間內, 必須存在一個最大值。但我們已經證明(第 34 條),y不存在最大值[2]

因此,

,

並且,與公式[I]不同,這裡不能有減號,因此,

第 42 條.
從[a]和[b]中消去,並注意到[a]中存在 符號,我們得到了 的兩個不同函式,可以寫成

,

以及

,

我們將討論兩個超越性質的函式。我們需要檢查 關於 是否存在根,即是否能為 賦予正的實數值,以使方程 成立。如果能這樣確定 ,我們接下來需要檢查從方程 [a] 和 [b] 中匯出的 值是否單值。

的一階導數為

在這個表示式中,右邊 為正,同時 為正,並且

為正,如果

因此,在區間 內, 為正。

此外,

.

第 43 條.
還可以看到,在區間 內連續增加,因此 可以取到的最小值。

再者

那麼,如果

  I 沒有根;

 II. 只有一個根,

III. 存在一個根,.

在懸鏈線之外;
, 位於懸鏈線上;
, 位於懸鏈線內。

這可以透過以下方法證明

;

因為當 , ; 因此,當 , 。我們還有

.

因此

;

其中,當 時取正號,當 時取負號。

我們還有 。將此方程與上面方程 [II] 對比,並注意到圖示,可以看出,當

, 則 在懸鏈線上,
, 則 在懸鏈線外,
, 則 在懸鏈線內。

因此,當 時,在區間 內只有一個實根,我們可以過點 畫出一條懸鏈線,其最低點的橫座標為

第 44 條.
討論 。我們已經看到(第 42 條)

.

因此

.

變化到 時,量 持續減小,因此 變得越來越大。因此,如果表示式 取值為 ,它在從 的區間內只取一次。該表示式確實在這個區間內取值 可以從以下事實看出:對於 ,其中 ,所以 具有負值;但是,對於 ,所以該表示式一定在 的這兩個值之間取值零。

的這個值,它滿足該方程,因此

這是一個關於 的八次代數方程,或者關於 的四次代數方程。

第 45 條.
對於位於 之間的根的近似幾何作圖。 圖中可以看到三角形 相似,三角形 也是如此;因此,如果 是直線 的長度,我們有

,

以及

.

在兩個半圓上取等長線段 ,並延長 直到它們相交,交點軌跡構成一條曲線。這條曲線必須與 軸相交於一點,設為 。注意到

,

由此可知

,

與上面的方程 [A] 對比可知

.

第 46 條.
函式 的圖形表示。 長度 軸上測量。等式 [c] 給出 ;也就是說,曲線 在點 處的切線平行於 軸。此外,,因此 軸的負半部分是曲線 的漸近線。該曲線的支線在此為代數的,因為 ,對於 ,是代數無限的。

第 47 條.
接下來考慮曲線 。可以看出 ;同時 ,因此該點處的切線[3] 也平行於 軸。此外, 軸的負半軸是曲線的漸近線;但曲線 的分支在點 是超越的;因為對數出現在該函式在 附近的展開式中,如下所示

,

其中 表示 的正整數升冪的冪級數;因此,該函式在 附近的表現類似於對數。

第 48 條.
我們看到

.

對於值 ,括號內的表示式為零,而當 時,該表示式變為 ,且為負數。如上所述,在區間 ,表示式

越來越大,因此在值 之間,它是負的。

此外, 之間為正,在 之間為負。

因此, 之間遞增,在 之間遞減;因此, 是最大值。

第 49 條.
我們必須考慮函式 取不同的值時,看看可以在點 之間鋪設多少條懸鏈線。

我們有

情況一。 .

在這種情況下, 處處不為零,並且沒有 的根,我們無法使用。此外, 也沒有根,因為 並且 ,所以 ,並且沒有根(參見第 43 條)。

情況二。

除了 之外的所有 值都使得 為負,因此方程 只有一個根,因此只有一條懸鏈線。在這種情況下, 永遠不可能為零;因為 並且 ,所以,結果類似於情況一。

情況三。

這裡有兩個懸鏈線。一個根 位於 之間,並且通常 另一個根位於 之間,從下面可以看出。

以及 .

由於 在區間 中連續增加,它在這個區間內只能取一次值 .

在區間 中, 連續減小,因此如果 ,則在這個區間內沒有 的根;但如果 ,則在這個區間內只有一個根,並且在後一種情況下有兩個懸鏈線。

接下來,我們必須考慮 的根。當 時,則 ,因此 沒有根。但當 時,則 ;而 有一個根 ,我們剛剛考慮過它。

因此

A) 當 時, 有兩個根;當 時, 除屬於 的根之外,還有一個根。

B) 但當 時, 只有一個根,它位於 之間;這個根用 表示。

第 50 條.
的公式 (第 42 條) 我們有

.

我們考慮 在區間 內的值;當 時,;當 時,。因此,在這個區間內, 為正,因此 也為正;由於 ,所以可知

另一方面,;由於,我們有。此外,在區間內, 連續遞增,並且,因此在區間內, 沒有根,而在區間內,有一個根。

因此,在 B) 下, 在區間內有一個根,並且只有一個根,而 之間有一個根,並且只有一個,這使得在 B) 下總共有兩個懸鏈線。

我們有以下總結

沒有懸鏈線;
,一個懸鏈線;
,兩個懸鏈線。

第 51 條.
關於在點 繪製的懸鏈線的切線的交點的考慮。

情況 I. 如上所示,沒有懸鏈線,因此對切線的考慮沒有意義。

情況二。

這裡,懸鏈線具有一個顯著的性質,即在點 繪製的切線在 -軸上相交。為了證明這一點,我們必須回到在點 繪製切線的構造。已知 (第 45 條) 點 位於半圓周 上,使得 (在本例中為 ),然後直線 是所需的切線,它們在 -軸上相交。

情況三。

A) .

然後,正如已經展示的, 有兩個根,其中一個位於 之間,另一個位於 之間。讓這些根分別為 。對於根 ,我們有

;
.

我們斷言,這裡在 的切線的交點位於曲線與 軸的另一側。

為了證明這一點,我們只需要證明

.

這是這樣看到的

.

現在,由於區間 內的 為正,並且由於 位於此區間內,因此 為正。因此 為負,因此 為負。

注:在這個考慮中,整個解釋取決於根位於區間 內的事實,並且相同的討論適用於情況 B),其中 ,並且根位於 之間。

第 52 條.
關於根 的考慮。

。當

根位於區間 內,並且這裡 在區間內為負;因此 為正,因此

;

所以

;

為了使 位於與曲線相同的 軸的一側。

。當 時;則根 是方程 的根,因此我們這裡需要考慮

在區間 內的符號。

我們已經證明,在這個區間內 是正的,並且由於

是正的,因此可以得出

是負的。因此

.

因此

.

由於 是一個正值,因此,

,

並且交點位於 軸與曲線的同一側。

第五十三條.
我們已經看到,兩條具有相同準線的懸鏈線最多隻能在兩個點 相交。如上所述,用 表示這兩條曲線的較小引數,用 表示較大的引數。然後可以看到,(引數較小的曲線)從下方向上,穿過 (引數較大的懸鏈線),並且在穿過 後,再也不會找到出路。因為,考慮曲線 上點 沿著這條曲線移動時的切線 。這條切線一開始必須與 相交,但在頂點處它平行於 軸,顯然沒有與 公共點。因此,在這兩個位置之間的某個位置, 的切線也必須是 的切線,可以看到 有兩條公切線,接下來我們將證明它們在準線上相交。

第 54 條.
畫出公共切線,並畫出曲線 的切線。然後在這兩條線之間,我們可以畫出無數條具有相同準線的懸鏈線。其中一條懸鏈線必須是,因為它與 相切,並且是唯一能夠透過 切點畫出的懸鏈線(見第 37 條)。因此, 是這兩條曲線的另一個公共切線。

我們還看到,點 超出 與兩個公共切線的接觸點,而對於,切線的接觸點超出。還可以看到,當兩條曲線 趨於重合時,不同曲線的公共切線變為單一曲線的切線,分別位於點(見第 51 條)。如果我們將 稱為與這條後一條曲線對應的 的值,則有

第 55 條.
假設我們有兩個非重合的懸鏈線,它們具有相同的引數。用以下公式表示它們的方程:

,
.

這兩條懸鏈線僅在一個點相交。因為我們有:

,

所以

,

或者

.

因此

,

因此

,

這些是 _唯一_ 一個點的座標。

第 56 條.
林德洛夫定理 (1860).

如果我們假設懸鏈線繞著-軸旋轉,以及直線 也繞 -軸旋轉,那麼懸鏈線旋轉產生的表面積等於兩條直線 繞著-軸旋轉產生的表面積之和。

假設以 為相似中心(Aehnlichkeits-punkt),曲線 受到拉伸,使得 移動到點 ,而 移動到點 ,距離 很小,假設它等於

那麼

.

為了簡化,令

表示由 生成的曲面; 表示由 生成的曲面; 表示由 生成的曲面; 表示由 生成的曲面; 表示由懸鏈線 生成的曲面; 表示由懸鏈線 生成的曲面。

從應變的性質來看,切線 是新曲線在點 的切線,因此我們可以將 看作曲線 的一個變分。

可以看出

;
;
.

從圖中可以看出, 的旋轉面是

,

其中 表示二階的變化。

因此

.

因此

,

因此

,

或者最終

,

這是一個關於一階微分的正確結果。

以類似的方式

;

因此

;

或者

是一個絕對正確的表示式。

第 57 條.
另一種證明。

我們已經看到

,

以及(參見第 45 條中的圖)

;

因此,兩個圓錐的表面積分別為

.

懸鏈線產生的表面積為

.

在懸鏈線中 (參見第 35 條),因此

其中我們取了 符號與 因為 為負,因此 在[A]中為負。

但從[1]

.

將[B]代入,我們有,在使 後,鏈繞成曲面的面積為

,

如上所示,這是兩個圓錐體表面積的總和。

第 58 條.
Let us consider[4] again the following figure, in which the strain is represented. In order to have a minimum surface of revolution, the curve which we rotate must satisfy the differential equation of the problem. If, then, we had a minimum, this would be brought about by the rotation of the catenary; for the catenary is the curve which satisfies the differential equation. But in our figure this curve can produce no minimal surface of revolution for two reasons: because, drawing tangents (in Art. 59 it is proved that there exists an infinite number) which intersect on the -axis, it is seen that the rotation of is the same as that of the two lines and , as shown above, so that there are an infinite number of lines that may be drawn between and which give the same surface of revolution as the catenary between these points; because between and lines may be drawn which, when caused to revolve about the -axis, would produce a smaller surface area than that produced by the revolution of the catenary. For the surface area generated by the revolution of is the same as that generated by . But the straight lines and do not satisfy the differential equation of the problem, since they are not catenaries. Hence the first variation along these lines is , so that between the points , and , curves may be drawn whose surface of rotation is smaller than that generated by the straight lines and .

上述情況 II 被稱為過渡情況,即切線的交點從 軸的一側移動到另一側,也沒有最小表面,因為,正如已經看到的那樣,透過改變數 (第 56 條),有無數個旋轉曲面具有相同的面積。

第 59 條.
在情況 III 中,我們有兩個 的根,我們稱之為 ,其中 。我們首先考慮引數為 的懸鏈線。此引數滿足不等式

曲線的切線方程為

,

其中, 是正在執行的座標。這條直線與 軸的交點是

,或

,

.

因此,當 時,,當 時,.

另一方面, 始終為正,因此 增加時始終增加,並且切線從 沿著 -軸移動到 ,並且從未兩次透過同一個點。因此可以看出,懸鏈線上 之間的點對有無限多個,使得在這些點對中任一點的切線在 -軸上相交,因此不可能有最小值。這樣的點對被稱為 *共軛點*。

時,切線在 -軸上方相交,實際上存在最小值,這一點將在後面看到。

第 60 條.
應用。 假設我們有兩個大小相同的環,它們連線到同一個軸上,該軸垂直穿過它們的中心。如果這些環的邊緣透過一層自由的液體薄膜(肥皂液)連線,那麼薄膜會呈現什麼形狀?

根據物理學定律,薄膜有使自身面積最小化的趨勢。因此,只有作為最小表面,薄膜才處於平衡狀態。設 的中點。薄膜關於 軸對稱,並具有繞 軸旋轉的曲面形式,這個曲面是一個旋轉拋物面。直線 是生成懸鏈線的對稱軸。從原點到懸鏈線,作切線 。只有當 位於圓圈邊緣之外時,懸鏈線的生成弧才會沒有共軛點,只有在這種情況下,我們才會有一個最小表面和薄膜的穩定平衡位置。

第 61 條.
我們在(第 38 條)中看到,所有具有相同對稱軸和相同準線的懸鏈線都可以放置在兩條直線之間,這兩條直線相對於準線傾斜的角度約為,並且經過準線和對稱軸的交點。所有正在考慮的懸鏈線都被包含在直線 之內,並且這兩條直線作為切線。這些懸鏈線在它們與 接觸點的弧線不會相互交叉。透過角度 內部的任何點 將明顯地經過這些弧線之一,並且相同的弧線(由於懸鏈線的對稱軸 )將包含點 ,該點與 關於 對稱。弧線 不包含任何共軛點(第九章,第 128 條),因此生成一個旋轉的極小曲面。此外,這是經過點 的懸鏈線的唯一弧線,它生成一個極小曲面。

假設我們最初將兩個環接觸在一起,然後以相同的速度沿軸線向相反方向推開它們,從點 開始。只要 位於角 內(或者,只要 ),那麼 的切線將在 軸的上方相遇,並且存在一個懸鏈線的弧,它給出旋轉的最小表面,薄膜有傾向於佔據一個確定的位置並保持在那裡。但是,一旦角 等於或大於 ,這種趨勢就停止了,薄膜的平衡變得不穩定。事實上(參見第 101 條),現在唯一存在的最小值是由兩個環的表面給出的,薄膜已經斷裂並進入這種形式。

  1. 在整個討論中, 軸被視為準線。
  2. 換句話說, 不能大於 並且同時 大於
  3. 當然,距離 是在 軸上測量的。
  4. 另見 Todhunter,變分法的研究,第 29 頁。
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