第七章:消除某些限制。微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 在第一章問題的積分。
96 曲線可能由有限個正則軌跡組成,而不是單個正則軌跡。
97 F {\displaystyle F} 關於 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 的一階導數對曲線 G = 0 {\displaystyle G=0} 以連續方式變化,即使曲線的方向發生突然變化。
98 前一篇文章中給出的結果的解釋。
99 總結。
100 第一章問題 I 的微分方程解。
101 ,102 不連續解。
103 對於問題 II,文章 9 中求解的方程 G = 0 {\displaystyle G=0} .
104 兩個固定點必須位於擺線的同一個環上。
105 經過兩點可以畫出一條且只有一條擺線環,它不包含尖點。
106 問題 III. 表面上的最短線問題。
107 用不同的方法推匯出相同的結果。
108 問題 IV. 提供最小阻力的旋轉曲面。
109 ,110 對於第一章問題 IV,方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的解。
第 96 條 . 在推導第五章公式時,假設所考慮的曲線段在其整個軌跡中以連續的方式改變其方向;也就是說, x ′ {\displaystyle x'} , y ′ {\displaystyle y'} 以連續的方式變化。我們現在只假設曲線由正則曲線段組成;因此,切線不必在曲線的每個點都連續變化。然後,可以如下所示,每個曲線段都必須滿足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 。因為如果曲線由兩個正則曲線段 A C {\displaystyle AC} 和 C B {\displaystyle CB} 組成,那麼在 A B {\displaystyle AB} 的所有可能變分中,存在 C B {\displaystyle CB} 保持不變而只有 A C {\displaystyle AC} 發生變化。
如上所述,我們得出結論,這部分曲線必須滿足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 。 C B {\displaystyle CB} 也是如此。
我們現在可以取消曲線由一個正則軌跡組成的限制,並假設它由有限個正則軌跡組成。
第 97 條 . 假設函式 F {\displaystyle F} 不顯式包含變數 x {\displaystyle x} ,因此 ∂ F ∂ x = 0 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x}}=0} 。 讓我們不用方程 G = 0 {\displaystyle G=0} ,而是採用 G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,即
∂ F ∂ x − d d t ∂ F ∂ x ′ = 0 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}{\frac {\partial F}{\partial x'}}=0} .
由此可得
∂ F ∂ x ′ = constant {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\text{ constant}}} ,
此常數與 t {\displaystyle t} 無關;但是,我們 *先驗* 地不知道 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 在 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 不連續點處不會發生突變。因此,對微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 進行積分來說,以下定理更為重要。
即使 x ′ {\displaystyle x'} 、 y ′ {\displaystyle y'} ,以及由此得到的曲線的走向,在某些點上發生突然變化,但對於 G = 0 {\displaystyle G=0} 的整條曲線上,量 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 、 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 以連續的方式變化。
如果曲線中存在間斷點 t ′ {\displaystyle t'} ,那麼在 t ′ {\displaystyle t'} 兩側,我們取點 τ {\displaystyle \tau } 和 τ ′ {\displaystyle \tau '} ,以使在部分 τ … t ′ {\displaystyle \tau \ldots t'} 和 t ′ … τ ′ {\displaystyle t'\ldots \tau '} 中,曲線的方向沒有其他間斷點。然後,曲線的可能變化也是一種變化,其中 t 0 … τ {\displaystyle t_{0}\ldots \tau } 和 τ ′ … t 1 {\displaystyle \tau '\ldots t_{1}} 保持不變,而 τ … τ ′ {\displaystyle \tau \ldots \tau '} 僅部分 τ … τ ′ {\displaystyle \tau \ldots \tau '} 發生變化。這裡,點 τ {\displaystyle \tau } 和 τ ′ {\displaystyle \tau '} 被認為是固定的,而 t ′ {\displaystyle t'} 則會進行任何型別的滑動。
積分的變化
I = ∫ t 0 t 1 F ( x , y , x ′ , y ′ ) d t {\displaystyle I=\int _{t_{0}}^{t_{1}}F(x,y,x',y')~{\text{d}}t} ,
然後僅取決於積分總和的變化
∫ τ t ′ F ( x , y , x ′ , y ′ ) d t + ∫ t ′ τ ′ F ( x , y , x ′ , y ′ ) d t {\displaystyle \int _{\tau }^{t'}F(x,y,x',y')~{\text{d}}t+\int _{t'}^{\tau '}F(x,y,x',y')~{\text{d}}t} .
由於此表示式的第一個變分必須消失,我們必然有(第 79 節)
0 = ∫ τ t ′ G ( y ′ ξ − x ′ η ) d t + ∫ t ′ τ ′ G ( y ′ ξ − x ′ η ) d t + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] τ t ′ + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] t ′ τ {\displaystyle 0=\int _{\tau }^{t'}G(y'\xi -x'\eta )~{\text{d}}t+\int _{t'}^{\tau '}G(y'\xi -x'\eta )~{\text{d}}t+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{\tau }^{t'}+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{t'}^{\tau }} .
由於整個曲線上的 G = 0 {\displaystyle G=0} ,因此
[ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] τ t ′ + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] t ′ τ = 0 {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{\tau }^{t'}+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{t'}^{\tau }=0} .
量 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 在固定點 τ {\displaystyle \tau } 和 τ ′ {\displaystyle \tau '} 都為零;並且,如果我們用
[ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ − {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{-}} 和 [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ + {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{+}} 表示,當我們從點 τ {\displaystyle \tau } 或 τ ′ {\displaystyle \tau '} 接近點 t ′ {\displaystyle t'} 時,量 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 可能取到的值,
上面的表示式變為
( [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ − − [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ + ) ( ξ ) ′ + ( [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ − − [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ + ) ( η ) ′ = 0 {\displaystyle \left(\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{-}-\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{+}\right)(\xi )'+\left(\left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{-}-\left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{+}\right)(\eta )'=0} ,
其中 ( ξ ) ′ {\displaystyle (\xi )'} 和 ( η ) ′ {\displaystyle (\eta )'} 是 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 在點 t ′ {\displaystyle t'} 處的取值。由於量 ( ξ ) ′ {\displaystyle (\xi )'} 和 ( η ) ′ {\displaystyle (\eta )'} 是完全任意的,因此,上述表示式中它們的係數必須分別消失,從而
[ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ − = [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ + {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{-}=\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{+}} 和 [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ − = [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ + {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{-}=\left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{+}} ;
也就是說,量 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 和 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 透過從曲線的某個規則部分到另一個規則部分的過渡以連續的方式變化,即使 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 在這一點上發生了突然變化。
這是一個新的必要條件,用於積分 I {\displaystyle I} 存在最大值或最小值,它不依賴於微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的性質。
第 98 條 . 自然而然地會產生這樣的問題:函式 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} , ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} ,它們依賴於 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} ,以連續的方式變化,即使 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 經歷了間斷? 為了回答這個問題,我們可以說這些函式的組合具有特殊性質,即,包含 x ′ {\displaystyle x'} , y ′ {\displaystyle y'} 的項乘以在所考慮的點處消失的函式。在第 100 條中討論的例子中,這一點更加清楚。該定理在確定常數方面至關重要。在上一篇文章的特殊 dp 情況下,其中 ∂ F ∂ x ′ = {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}=} 常數,很明顯,該常數對於曲線的任何點都必須具有相同的值。該定理也可以在許多情況下用來證明曲線的方向在任何地方都不會以不連續的方式改變,因此它不包含多個規則部分,而是一個單一的規則軌跡。這一點在接下來的例子中也有說明(第 100 條及其後續部分)。
第 99 條 . 這裡可以總結一下,透過第一個變分消失作為積分 I {\displaystyle I} 存在最大值或最小值的必要條件所獲得的內容
1) 提供最大值或最小值的曲線必須滿足微分方程
G ≡ ∂ 2 F ∂ x ∂ y ′ − ∂ 2 F ∂ y ∂ x ′ + F 1 ( x ′ d y ′ d t − y ′ d x ′ d t ) = 0 {\displaystyle G\equiv {\frac {\partial ^{2}F}{\partial x\partial y'}}-{\frac {\partial ^{2}F}{\partial y\partial x'}}+F_{1}\left(x'{\frac {{\text{d}}y'}{{\text{d}}t}}-y'{\frac {{\text{d}}x'}{{\text{d}}t}}\right)=0} ,
或者,等價地,這兩個方程
G 2 ≡ ∂ F ∂ x − d d t ( ∂ F ∂ x ′ ) = 0 {\displaystyle G_{2}\equiv {\frac {\partial F}{\partial x}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\left({\frac {\partial F}{\partial x'}}\right)=0} , G 2 ≡ ∂ F ∂ y − d d t ( ∂ F ∂ y ′ ) = 0 {\displaystyle G_{2}\equiv {\frac {\partial F}{\partial y}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\left({\frac {\partial F}{\partial y'}}\right)=0} ;
2) 函式 F {\displaystyle F} 關於 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 的兩個導數必須以連續的方式變化,即使在曲線方向不連續變化的點上也是如此。
為了確定透過方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 確定的曲線是否提供最大值或最小值,我們必須研究第五章中 Δ I {\displaystyle \Delta I} 的二階項。然而,為了闡明已經寫下的內容,我們可以將我們的推論應用到一些已經提出的問題上。
\begin{center}第一章問題中微分方程 G=0 的解
第 100 條 . 讓我們考慮第 7 條中的問題 I。我們需要最小化的積分是
S 2 π = ∫ t 0 t 1 y x ′ 2 + y ′ 2 d t {\displaystyle {\frac {S}{2\pi }}=\int _{t_{0}}^{t_{1}}y{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}~{\text{d}}t} . [1] {\displaystyle \qquad {\text{[1]}}}
因此
F = y x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle F=y{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} , [2] {\displaystyle \qquad {\text{[2]}}}
因此
∂ F ∂ x ′ = y x ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {yx'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} ; ∂ F ∂ y ′ = y y ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial y'}}={\frac {yy'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} . [3] {\displaystyle \qquad {\text{[3]}}}
由此可見, ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 和 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 與曲線上任何點 x ( t ) {\displaystyle x(t)} , y ( t ) {\displaystyle y(t)} 的切線方向餘弦成正比; 而且,由於 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 和 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 必須在所有地方以連續的方式變化,因此曲線的方向也必須在所有地方以連續的方式變化,除了 y = 0 {\displaystyle y=0} 的情況。但數量 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 如果 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 不連續,則以不連續的方式變化; 然而,同時, y {\displaystyle y} 等於零,正如以下圖形中更清楚地看到的那樣。
由於 F {\displaystyle F} 不包含 x {\displaystyle x} *顯式*,我們可以使用以下公式
G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,或者 ∂ F ∂ x ′ = y x ′ x ′ 2 + y ′ 2 = β {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {yx'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}=\beta } , [4] {\displaystyle \qquad {\text{[4]}}}
其中 β {\displaystyle \beta } 是積分常數。因此
y 2 ( d x d t ) 2 = β 2 [ ( d x d t ) 2 + ( d y d t ) 2 ] {\displaystyle y^{2}\left({\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}\right)^{2}=\beta ^{2}\left[\left({\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}\right)^{2}+\left({\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}t}}\right)^{2}\right]} 。 [5] {\displaystyle \qquad {\text{[5]}}}
該方程的解是懸鏈線
x = α + β t {\displaystyle x=\alpha +\beta t} , y = β 2 ( e t + e − t ) , {\displaystyle \qquad y={\frac {\beta }{2}}(e^{t}+e^{-t}),} [6] {\displaystyle \qquad {\text{[6]}}}
其中 α {\displaystyle \alpha } 是第二個任意常數。
第 101 條 . 一個不連續解 。如果我們取弧 s {\displaystyle s} 作為自變數而不是變數 t {\displaystyle t} ,曲線的微分方程是
y d x d s = β {\displaystyle y{\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}=\beta } .
Suppose that β = 0 {\displaystyle \beta =0} , which value it must retain within the whole interval t 0 … t 1 {\displaystyle t_{0}\ldots t_{1}} . Further, since y ≠ 0 {\displaystyle y\neq 0} at the point P 0 {\displaystyle P_{0}} . it dx follows that d x d s = cos ( ϕ ) = 0 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}=\cos(\phi )=0} (where ϕ {\displaystyle \phi } is the angle which the tanas gent makes with the X {\displaystyle X} -axis), and that cos ( ϕ ) {\displaystyle \cos(\phi )} must remain zero until y = 0 {\displaystyle y=0} ; that is the point which describes the curve must move along the ordinate P 0 M 0 {\displaystyle P_{0}M_{0}} to the point M 0 {\displaystyle M_{0}} . At this point d x d s {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}} cannot, and must not, equal zero if the point is to move to P 1 {\displaystyle P_{1}} . Hence, at M 0 {\displaystyle M_{0}} there is a sudden change in the direction of the curve, as there is again at the point M 1 {\displaystyle M_{1}} . The curve giving the minimum surface of revolution is consequently, in this case, offered by the irregular trace P 0 M 0 M 1 P 1 {\displaystyle P_{0}M_{0}M_{1}P_{1}} . The case where β = 0 {\displaystyle \beta =0} may be regarded as an exceptional case. The unconstrained lines P 0 M 0 {\displaystyle P_{0}M_{0}} and P 1 M 1 {\displaystyle P_{1}M_{1}} , i.e. , x = x 0 {\displaystyle x=x_{0}} and x = x 1 {\displaystyle x=x_{1}} satisfy the condition G = 0 {\displaystyle G=0} , since y ′ G = G 1 {\displaystyle y'G=G_{1}} , and for these values G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ; also for these lines, y ≠ 0 {\displaystyle y\neq 0} . But G ≠ 0 {\displaystyle G\neq 0} for the restricted portion M 0 M 1 {\displaystyle M_{0}M_{1}} and is, in fact, equal to 1.
第 102 條 . 我們可以證明,兩個縱座標和 X {\displaystyle X} 軸的截線給出一個最小值。當我們證明所有允許的變形的第一變分都是正 的時,這一點就一目瞭然。這個問題是第 79 條的特殊情況。
第一變分可以分解成幾個部分(參見第 79 條和第 81 條)
δ I = − ∫ M 0 P 0 G w N d s + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] M 0 P 0 − ∫ M 1 M 0 G w N d s + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] M 1 M 0 − ∫ P − 1 M 1 G w N d s + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] P 1 M 1 {\displaystyle \delta I=-\int _{M_{0}}^{P_{0}}Gw_{N}~{\text{d}}s+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{M_{0}}^{P_{0}}-\int _{M_{1}}^{M_{0}}Gw_{N}~{\text{d}}s+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{M_{1}}^{M_{0}}-\int _{P-1}^{M_{1}}Gw_{N}~{\text{d}}s+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{P_{1}}^{M_{1}}} .
因為,現在所有邊界項都為零
∂ F ∂ x ′ = y ′ x x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {y'x}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} , ∂ F ∂ y ′ = y y ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial y'}}={\frac {yy'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} ,
因此,兩者在點 M 0 {\displaystyle M_{0}} 和 M 1 {\displaystyle M_{1}} 為零,而 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 在 P 0 {\displaystyle P_{0}} 和 P 1 {\displaystyle P_{1}} 為零。在第一個和第三個積分中 G = 0 {\displaystyle G=0} ;在第二個中,此函式等於 1,並且如果我們反轉限制, d s {\displaystyle {\text{d}}s} 為正, w N {\displaystyle w_{N}} 也是。因此,第一個變分 δ I {\displaystyle \delta I} 始終為正 。
當任意常數 < β ≠ 0 {\displaystyle <\beta \neq 0} 時,曲線包含一條位於 X {\displaystyle X} 軸完全上方的規則軌跡。需要進一步調查才能確定這條曲線何時真正提供最小值。
第 103 條 . 在第二個問題(第 9 條)中,我們有關於下降時間的積分:
T = ∫ t 0 t 1 x ′ 2 + y ′ 2 4 g y + α 2 d t {\displaystyle T=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\frac {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}~{\text{d}}t} 。 [1] {\displaystyle \qquad {\text{[1]}}}
為了使此表示式實際上表達下降時間(時間和因此增量 d t {\displaystyle {\text{d}}t} 本質上是一個正量),積分符號下出現的兩個根必須始終具有相同的符號。由於 4 g y + α 2 {\displaystyle {\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}} 始終可以取正值,因此, x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 在間隔 T 0 … t 1 {\displaystyle T_{0}\ldots t_{1}} 內必須為正。
然而,如果我們用 x {\displaystyle x} 和 y {\displaystyle y} 表示為 t {\displaystyle t} 的函式,那麼 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 可能在區間 t 0 … t 1 {\displaystyle t_{0}\ldots t_{1}} 內的某個 t {\displaystyle t} 值同時變為零。在這種情況下,曲線在對應於該 t {\displaystyle t} 值的點 x {\displaystyle x} , y {\displaystyle y} 處有一個奇點,此時運動點的速度為零。
假設這種情況發生在 t = t ′ {\displaystyle t=t'} 時,且對應的點為 x 0 {\displaystyle x_{0}} , y 0 {\displaystyle y_{0}} ,因此我們有
x = x 0 + a ( t − t ′ ) m + ⋯ {\displaystyle x=x_{0}+a(t-t')^{m}+\cdots } , y = y 0 + ( t − t ′ ) m + ⋯ {\displaystyle \qquad y=y_{0}+(t-t')^{m}+\cdots } ,
其中 m ≥ 2 {\displaystyle m\geq 2} ,且 a {\displaystyle a} 和 b {\displaystyle b} 中至少有一個不為零。
那麼有
x ′ 2 + y ′ 2 = m 2 ( a 2 + b 2 ) ( t − t ′ ) 2 ( m − 1 ) + ⋯ {\displaystyle x'^{2}+y'^{2}=m^{2}(a^{2}+b^{2})(t-t')^{2(m-1)}+\cdots } ,
以及
x ′ 2 + y ′ 2 = m a 2 + b 2 ( t − t ′ ) m − 1 + ⋯ {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}=m{\sqrt {a^{2}+b^{2}}}(t-t')^{m-1}+\cdots } .
這裡我們假設 a 2 + b 2 {\displaystyle {\sqrt {a^{2}+b^{2}}}} 為正。
如果現在 m {\displaystyle m} 是奇數,那麼對於 t − t ′ {\displaystyle t-t'} 的小值,右邊表示式為正,因此 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 始終為正。
相反,如果 m {\displaystyle m} 是偶數,例如等於 2,則曲線在點 x 0 {\displaystyle x_{0}} , y 0 {\displaystyle y_{0}} 處有一個尖點 ,因為這裡 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 有正值或負值,取決於 t > t ′ {\displaystyle t>t'} 還是 t < t ′ {\displaystyle t<t'} 。
因此,如果上面的積分要表示時間, x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 不能總是被設為同一個 t {\displaystyle t} 級數,而必須在經過尖點 後被設為級數的相反值。因此,我們只考慮沒有奇點的曲線的一部分。
在問題中,我們經常需要做出這樣的限制,否則積分就沒有確切的意義。因此,有了這個假設, x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 將永遠不會等於零。
我們可以寫成
F = x ′ 2 + y ′ 2 4 g y + α 2 {\displaystyle F={\frac {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}} , [2] {\displaystyle \qquad {\text{[2]}}}
因此
∂ F ∂ x ′ = 1 4 g y + α 2 x ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {1}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}{\frac {x'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} , ∂ F ∂ y ′ = 1 4 g y + α 2 y ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial y'}}={\frac {1}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}{\frac {y'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} . [3] {\displaystyle \qquad {\text{[3]}}}
從這裡我們可以得出結論,與第一個例子類似, ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} , ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 與曲線在點 x {\displaystyle x} , y {\displaystyle y} 的切線的指向餘弦成正比。由於現在 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} , ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 沿著整條曲線以連續的方式變化,並且,此外, 4 g y + α 2 {\displaystyle {\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}} 具有一個確定的非零值,因此可以得出結論,所求曲線的指向以連續方式變化,或者曲線必須由單個軌跡組成。
同樣在這裡 F {\displaystyle F} 與 x {\displaystyle x} 無關,因此我們採用微分方程 G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,從中我們得到
∂ F ∂ x ′ = 1 4 g y + α 2 x ′ x ′ 2 + y ′ 2 = C {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {1}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}{\frac {x'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}=C} , [4] {\displaystyle \qquad {\text{[4]}}}
其中 C {\displaystyle C} 是一個任意常數。
如果 C {\displaystyle C} 等於零,那麼在曲線 C {\displaystyle C} 的整個範圍內, C {\displaystyle C} 必須等於零;因此,由於 4 g y + α 2 {\displaystyle {\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}} 既不為 0 也不為 ∞ {\displaystyle \infty } , x ′ x ′ 2 + y ′ 2 = cos ( α ) {\displaystyle {\frac {x'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}=\cos(\alpha )} 必須始終等於零;也就是說,曲線必須是一條垂直線。忽略這種顯而易見的情況, C {\displaystyle C} 必須具有一個確定的值,對於整條曲線始終相同,並且不等於零。
從 [4] 可以看出
d x 2 = C 2 ( 4 g y + α 2 ) ( d x 2 + d y 2 ) {\displaystyle {\text{d}}x^{2}=C^{2}(4gy+\alpha ^{2})({\text{d}}x^{2}+{\text{d}}y^{2})} ,
或者,如果我們將 4 g {\displaystyle 4g} 吸收進任意常數中,並寫成
α 2 4 g = a {\displaystyle {\frac {\alpha ^{2}}{4g}}=a} ,以及 4 g C 2 = c 2 {\displaystyle 4gC^{2}=c^{2}} ,
我們有
d x 2 = c 2 ( y + a ) ( d x 2 + d y 2 ) {\displaystyle {\text{d}}x^{2}=c^{2}(y+a)({\text{d}}x^{2}+{\text{d}}y^{2})} ;
因此
d x = c ( y + a ) d y ( y + a ) [ 1 − c 2 ( y + 1 ) ] ] {\displaystyle {\text{d}}x={\frac {c(y+a){\text{d}}y}{\sqrt {(y+a)[1-c^{2}(y+1)]]}}}} . [5] {\displaystyle \qquad {\text{[5]}}}
為了進行最後的積分,寫出
d ϕ = c d y ( y + a ) [ 1 − c 2 ( y + a ) ] {\displaystyle {\text{d}}\phi ={\frac {c{\text{d}}y}{\sqrt {(y+a)[1-c^{2}(y+a)]}}}} ; [6] {\displaystyle \qquad {\text{[6]}}}
因此
d x = ( y + a ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}x=(y+a){\text{d}}\phi } . [ 5 a ] {\displaystyle \qquad [5^{\text{a}}]}
在 d ϕ {\displaystyle {\text{d}}\phi } 的表示式中,寫出
2 c 2 ( y + a ) = 1 − ξ {\displaystyle 2c^{2}(y+a)=1-\xi } . [ 7 ] {\displaystyle \qquad [7]}
那麼有
2 [ 1 − c 2 ( y + a ) ] = 1 + ξ {\displaystyle 2[1-c^{2}(y+a)]=1+\xi } , [ 8 ] {\displaystyle \qquad [8]}
以及
2 c 2 d y = − d ξ {\displaystyle 2c^{2}{\text{d}}y=-{\text{d}}\xi } . [ 9 ] {\displaystyle \qquad [9]}
因此
d ϕ = − d ξ 1 − ξ 2 {\displaystyle {\text{d}}\phi =-{\frac {{\text{d}}\xi }{\sqrt {1-\xi ^{2}}}}} , [ 10 ] {\displaystyle \qquad [10]}
因此
ξ = cos ( ϕ ) {\displaystyle \xi =\cos(\phi )} . [ 11 ] {\displaystyle \qquad [11]}
這裡可以省略積分常數,因為 ϕ {\displaystyle \phi } 本身是完全任意的。
因此,
y + a = 1 2 c 2 ( 1 − cos ( ϕ ) ) {\displaystyle y+a={\frac {1}{2c^{2}}}(1-\cos(\phi ))} ,並且,從[ 5 a {\displaystyle 5^{\text{a}}} ], x + x 0 = 1 2 c 2 ( ϕ − sin ( ϕ ) ) {\displaystyle x+x_{0}={\frac {1}{2c^{2}}}(\phi -\sin(\phi ))} ; [ 12 ] {\displaystyle \qquad [12]}
{\displaystyle }
這些方程表示一個擺線 。
積分常數 x 0 {\displaystyle x_{0}} , c {\displaystyle c} 由曲線透過兩點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 的條件決定。現在將 x {\displaystyle x} 和 y {\displaystyle y} 展開成 ϕ {\displaystyle \phi } 的冪級數:然後在 y {\displaystyle y} 中最低冪是 ϕ 2 {\displaystyle \phi ^{2}} ,在 x {\displaystyle x} 中是 ϕ {\displaystyle \phi } ;所以曲線實際上在 ϕ = 0 {\displaystyle \phi =0} 處有一個尖點,並且在 ϕ = 2 π , 4 π , … {\displaystyle \phi =2\pi ,4\pi ,\ldots } 處重複出現。
A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 必須位於兩個連續的尖點之間(第 104 條)。
如果我們透過點 − x 0 {\displaystyle -x_{0}} , − a {\displaystyle -a} 畫一條水平線,並在該線下方以半徑 1 / ( 2 c 2 ) {\displaystyle 1/(2c^{2})} 作一個圓,該圓在點 − x 0 {\displaystyle -x_{0}} , − a {\displaystyle -a} 與水平線相切。讓這個圓沿著水平線在正 X {\displaystyle X} 方向滾動,則原始接觸點描述一個透過 A {\displaystyle A} 和 B 的擺線,它滿足微分方程。
第 104 條 . 點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 不可能位於擺線的不同環上,可透過以下方式說明:為簡化起見,令初始速度 α {\displaystyle \alpha } 為零,並平移座標原點以消除常數項。
則擺線的方程為
x = r ( ϕ − sin ( ϕ ) ) {\displaystyle x=r(\phi -\sin(\phi ))} , y r ( 1 − cos ( ϕ ) ) {\displaystyle \qquad yr(1-\cos(\phi ))} ,
其中我們用 r {\displaystyle r} 代替 1 / ( 2 c 2 ) {\displaystyle 1/(2c^{2})} .
從附圖中可以看到擺線弧。取兩個位於不同環上的點,它們非常靠近並且關於頂點對稱,讓我們比較從一個點到另一個點經過頂點所需的時間和沿連線這兩個點的直線所需的時間。這兩個點的引數可以表示為
ϕ 0 = 2 π − ψ 0 {\displaystyle \phi _{0}=2\pi -\psi _{0}} , ϕ 1 = 2 π + ψ 0 {\displaystyle \qquad \phi _{1}=2\pi +\psi _{0}} .
經過頂點所需的時間為
T = 1 2 g ∫ t 0 t 1 x ′ 2 + y ′ 2 y d t = 1 2 g ∫ s 0 s 1 d s y {\displaystyle T={\frac {1}{\sqrt {2g}}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\sqrt {\frac {x'^{2}+y'^{2}}{y}}}~{\text{d}}t={\frac {1}{\sqrt {2g}}}\int _{s_{0}}^{s_{1}}{\frac {{\text{d}}s}{\sqrt {y}}}} .
現在
d x = r ( 1 − cos ( ϕ ) ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}x=r(1-\cos(\phi ))~{\text{d}}\phi } ,
以及
d y = r sin ( ϕ ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}y=r\sin(\phi )~{\text{d}}\phi } ,
所以
d s = d x 2 + d y 2 = 2 r sin ( ϕ / 2 ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}s={\sqrt {{\text{d}}x^{2}+{\text{d}}y^{2}}}=2r\sin(\phi /2)~{\text{d}}\phi } ,
因此
T = 1 2 g ∫ ϕ 0 ϕ 1 2 r sin ( ϕ / 2 ) r 1 − cos ( ϕ ) d ϕ = r g ∫ ϕ 0 ϕ 1 d ϕ {\displaystyle T={\frac {1}{\sqrt {2g}}}\int _{\phi _{0}}^{\phi _{1}}{\frac {2r\sin(\phi /2)}{{\sqrt {r}}{\sqrt {1-\cos(\phi )}}}}{\text{d}}\phi ={\sqrt {\frac {r}{g}}}\int _{\phi _{0}}^{\phi _{1}}{\text{d}}\phi }
r g ( ϕ 1 − ϕ 0 ) = r g [ 2 π + ψ 0 − 2 π + ψ 0 ] = 2 r g ψ 0 {\displaystyle {\sqrt {\frac {r}{g}}}(\phi _{1}-\phi _{0})={\sqrt {\frac {r}{g}}}[2\pi +\psi _{0}-2\pi +\psi _{0}]=2{\sqrt {\frac {r}{g}}}\psi _{0}} .
從 ϕ 0 {\displaystyle \phi _{0}} 到 ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}} 的水平線上的速度分量是 [ v d x d s ] {\displaystyle \left[v{\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}\right]} ,因為 d x d s = sin ϕ 2 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}=\sin {\frac {\phi }{2}}} 且 v 2 = 2 g y {\displaystyle v^{2}=2gy} ,此分量等於
[ 2 g r 1 − cos ( ϕ ) sin ϕ 2 ] ϕ 0 ϕ 1 = 2 g r sin 2 ψ 0 2 {\displaystyle \left[{\sqrt {2gr}}{\sqrt {1-\cos(\phi )}}\sin {\frac {\phi }{2}}\right]_{\phi _{0}}^{\phi _{1}}=2{\sqrt {gr}}\sin ^{2}{\frac {\psi _{0}}{2}}} .
從 ϕ 0 {\displaystyle \phi _{0}} 到 ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}} 的線段長度為
x 1 − x 0 = r [ ϕ 1 − ϕ 0 − sin ϕ 1 + sin ϕ 0 ] = 2 r [ ψ 0 − sin ψ 0 ] {\displaystyle x_{1}-x_{0}=r[\phi _{1}-\phi _{0}-\sin \phi _{1}+\sin \phi _{0}]=2r[\psi _{0}-\sin \psi _{0}]} .
因此,所需的時間為
T 1 = 2 r ( ψ 0 − sin ψ 0 ) 2 g r sin 2 ( ψ 0 / 2 ) {\displaystyle T_{1}={\frac {2r(\psi _{0}-\sin \psi _{0})}{2{\sqrt {gr}}\sin ^{2}(\psi _{0}/2)}}} ,
因此
T 1 T = 2 r ( ψ 0 − sin ψ 0 ) 2 g r sin 2 ψ 0 2 ⋅ 2 r g ψ 0 = ψ 0 − sin ψ 0 2 ψ 0 sin 2 ψ 0 2 = ψ 0 3 3 ! − ψ 0 5 5 ! + ⋯ 2 ψ 0 [ ψ 0 2 − 1 3 ! ( ψ 0 2 ) 3 + ⋯ ] 2 {\displaystyle {\frac {T_{1}}{T}}={\frac {2r(\psi _{0}-\sin \psi _{0})}{2{\sqrt {gr}}\sin ^{2}{\frac {\psi _{0}}{2}}\cdot 2{\sqrt {\frac {r}{g}}}\psi _{0}}}={\frac {\psi _{0}-\sin \psi _{0}}{2\psi _{0}\sin ^{2}{\frac {\psi _{0}}{2}}}}={\frac {{\frac {\psi _{0}^{3}}{3!}}-{\frac {\psi _{0}^{5}}{5!}}+\cdots }{2\psi _{0}\left[{\frac {\psi _{0}}{2}}-{\frac {1}{3!}}\left({\frac {\psi _{0}}{2}}\right)^{3}+\cdots \right]^{2}}}} .
因此,
T 1 T < ψ 0 3 3 ! 2 ψ 0 [ ψ 0 2 − 1 6 ( ψ 0 2 ) 3 + ⋯ ] 2 {\displaystyle {\frac {T_{1}}{T}}<{\frac {\frac {\psi _{0}^{3}}{3!}}{2\psi _{0}\left[{\frac {\psi _{0}}{2}}-{\frac {1}{6}}\left({\frac {\psi _{0}}{2}}\right)^{3}+\cdots \right]^{2}}}} ,
或者
T 1 T < 1 3 1 ( 1 − ψ 0 2 24 + ⋯ ) 3 {\displaystyle {\frac {T_{1}}{T}}<{\frac {1}{3}}{\frac {1}{\left(1-{\frac {\psi _{0}^{2}}{24}}+\cdots \right)^{3}}}} .
因此,對於 ψ 0 {\displaystyle \psi _{0}} 的小值,有
T 1 < T {\displaystyle T_{1}<T} .
由此可見,包含頂點的粒子路徑不能給出最小值。
第 105 條 . 對應於微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} (第 103 條)的通解中包含的兩個常數,可以看到,如果我們改變 r {\displaystyle r} 並在 X {\displaystyle X} 軸上滑動擺線,我們得到了所有族 G = 0 {\displaystyle G=0} 中的曲線。
現在我們將證明,只有一個這樣的擺線能夠包含這兩個點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 在同一個環上。假設點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 的縱座標使得 D B > A C {\displaystyle DB>AC} ,並考慮任何其他具有相同引數 r {\displaystyle r} 的擺線,它繞水平 X {\displaystyle X} 軸描述,原點為 O {\displaystyle O} 。過 O {\displaystyle O} 畫一條平行於 A B {\displaystyle AB} 的弦,並平行移動該弦直到它離開曲線。我們注意到,在這些位置,縱座標 A ′ C ′ {\displaystyle A'C'} 不斷增加,因為它永遠無法達到擺線的最低點,並且弧 A ′ B ′ {\displaystyle A'B'} 不斷減小。因此,比率 A ′ B ′ : A ′ C ′ {\displaystyle A'B':A'C'} 不斷減小。當 A ′ {\displaystyle A'} 與原點重合時,該比率為無窮大,並且當弦與曲線相切時為零。
那麼,對於某個位置,我們必須有
A ′ B ′ A ′ C ′ = A B A C {\displaystyle {\frac {A'B'}{A'C'}}={\frac {AB}{AC}}} .
由於點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 是固定的,長度 A B {\displaystyle AB} 和方向 A B {\displaystyle AB} 都已確定。
如果 A ′ B ′ = A B {\displaystyle A'B'=AB} ,則 A ′ C ′ = A C {\displaystyle A'C'=AC} ,並且可以根據要求透過 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 繪製一個擺線。但如果 A ′ B ′ ≠ A B {\displaystyle A'B'\neq AB} ,那麼我們的擺線不滿足要求。
接下來選擇一個數量 r ′ {\displaystyle r'} 使得
r : r ′ = A C : A ′ C ′ {\displaystyle r:r'=AC:A'C'} .
以 O {\displaystyle O} 為相似中心,以比例 r : r ′ {\displaystyle r:r'} 增大擺線引數的座標。這些座標變為
x = r ′ ( ϕ − sin ϕ ) {\displaystyle x=r'(\phi -\sin \phi )} , y = r ′ ( 1 − cos ϕ ) {\displaystyle \qquad y=r'(1-\cos \phi )} ,
這是新的擺線的座標。
後面的擺線與第一個相似,因為變換使縱座標 A ′ C ′ {\displaystyle A'C'} 和絃 A ′ B ′ {\displaystyle A'B'} 平行於它們自身。它們變換後的長度分別是
r ′ r A ′ C ′ = A C {\displaystyle {\frac {r'}{r}}A'C'=AC\qquad } 和 r ′ r A ′ B ′ = A B {\displaystyle \qquad {\frac {r'}{r}}A'B'=AB} ,
這給了我們一個擺線,它對縱座標 A C {\displaystyle AC} 和絃 A B {\displaystyle AB} 具有所需的長度。
此外,只有一個擺線滿足要求的條件。因為,如果我們已經有了 A ′ B ′ = A B {\displaystyle A'B'=AB} 和 A ′ C ′ = A C {\displaystyle A'C'=AC} ,唯一能使 r ′ r A ′ B ′ = A B {\displaystyle {\frac {r'}{r}}A'B'=AB} 成立的 r ′ {\displaystyle r'} 值是 r ′ = r {\displaystyle r'=r} 。因此,透過兩點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 可以構造一個且僅一個關於 X {\displaystyle X} 軸的擺線迴路。 [ 1]
第 106 條 . 問題 III. 曲面上最短線問題 。這個問題一般來說是無法解決的,因為微分方程中的變數無法分離,積分也無法進行。只有在少數情況下,人們才能成功地進行積分,從而表示滿足微分方程的曲線。
例如,這在平面、球面和所有其他二次曲面情況下已經完成。
作為一個簡單的例子,我們將討論球面上的兩點之間的最短線問題。球體的半徑被設為 1,球面的方程以以下形式給出:
x 2 + y 2 + z 2 = 1 {\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}=1} .
現在寫成
x = cos u {\displaystyle x=\cos u} , y = sin u cos v {\displaystyle y=\sin u\cos v} , z =∈ u sin v {\displaystyle z=\in u\sin v} , [ 1 ] {\displaystyle \qquad [1]}
那麼 u = {\displaystyle u=} 常數和 v = {\displaystyle v=} 常數分別是平行圓和經線的方程。
弧微元是
d s = d u 2 + sin 2 u d v 2 {\displaystyle {\text{d}}s={\sqrt {{\text{d}}u^{2}+\sin ^{2}u{\text{d}}v^{2}}}} , [ 2 ] {\displaystyle \qquad [2]}
因此,要使最小化的積分是
L = ∫ t 0 t 1 u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u d t {\displaystyle L=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}~{\text{d}}t} ; [ 3 ] {\displaystyle \qquad [3]}
所以這裡我們有
F = u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u {\displaystyle F={\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}
以及
∂ F ∂ u ′ = u ′ u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial u'}}={\frac {u'}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}} , ∂ F ∂ v ′ = v ′ sin 2 u u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial v'}}={\frac {v'\sin ^{2}u}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}} . [ 5 ] {\displaystyle \qquad [5]}
由於 F {\displaystyle F} 不包含數量 v {\displaystyle v} ,我們將使用方程式 G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,並且有
∂ F ∂ v ′ = v ′ sin 2 u u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u = c {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial v'}}={\frac {v'\sin ^{2}u}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}=c} ,
其中 c {\displaystyle c} 是一個任意常數,它在整個曲線上具有相同的值。
如果曲線的初始點 A {\displaystyle A} 為 u ≠ 0 {\displaystyle u\neq 0} ,因此不是球體的北極,那麼只有當 v ′ = 0 {\displaystyle v'=0} 時, c {\displaystyle c} 處處等於零。因此,我們必須有 v {\displaystyle v} 常數。因此,問題的解是 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 必須位於同一個經線上。
如果不是這種情況,那麼總是 c ≠ 0 {\displaystyle c\neq 0} 。很容易看出 c < 1 {\displaystyle c<1} ;因此我們可以寫 sin c {\displaystyle \sin c} 代替 c {\displaystyle c} ,並有
v ′ sin 2 u u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u = sin c {\displaystyle {\frac {v'\sin ^{2}u}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}=\sin c} , [ 6 ] {\displaystyle \qquad [6]}
或者
d v = sin c d u sin u sin 2 u − sin c {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin c~{\text{d}}u}{\sin u{\sqrt {\sin ^{2}u-\sin c}}}}} 。 [ 7 ] {\displaystyle \qquad [7]}
如果我們寫
cos u = cos c cos w {\displaystyle \cos u=\cos c\cos w} , [ 8 ] {\displaystyle \qquad [8]}
那麼是
d v = sin c d w 1 − cos 2 c cos 2 w {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin c~{\text{d}}w}{1-\cos ^{2}c\cos ^{2}w}}} ;
由於 1 可以被 sin 2 w + cos 2 w {\displaystyle \sin ^{2}w+\cos ^{2}w} 代替,所以我們有
d v = sin c d w sin 2 w + cos 2 w sin 2 c = sin c d w cos 2 w sin 2 c + tan 2 w = d tan w sin c 1 + tan 2 w sin 2 c {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin c~{\text{d}}w}{\sin ^{2}w+\cos ^{2}w\sin ^{2}c}}={\frac {\sin c{\frac {{\text{d}}w}{\cos ^{2}w}}}{\sin ^{2}c+\tan ^{2}w}}={\frac {{\text{d}}{\frac {\tan w}{\sin c}}}{1+{\frac {\tan ^{2}w}{\sin ^{2}c}}}}} .
因此
v − β = tan − 1 ( tan w sin c ) {\displaystyle v-\beta =\tan ^{-1}\left({\frac {\tan w}{\sin c}}\right)} ,
其中 β {\displaystyle \beta } 代表任意常數。
由此可得
tan ( v − β ) = tan w sin c {\displaystyle \tan(v-\beta )={\frac {\tan w}{\sin c}}} . [ 9 ] {\displaystyle \qquad [9]}
透過 [8] 消去 w {\displaystyle w} ,我們有
tan u cos ( v − β ) = tan c {\displaystyle \tan u\cos(v-\beta )=\tan c} . [ 10 ] {\displaystyle \qquad [10]}
這是我們正在尋找的曲線方程,用球座標 u {\displaystyle u} , v {\displaystyle v} 表示。
為了更仔細地研究它們的含義,我們可以透過弧長 s {\displaystyle s} 分別表示 u {\displaystyle u} , v {\displaystyle v} ,其中 s {\displaystyle s} 從零子午線與最短線的交點開始測量。
透過 [7],表示式 [2] 變為
d s = sin u d u sin 2 u − sin 2 c {\displaystyle {\text{d}}s={\frac {\sin u~{\text{d}}u}{\sqrt {\sin ^{2}u-\sin ^{2}c}}}} ,
並且,由於替換了 [8],它變為
d s = d w {\displaystyle {\text{d}}s={\text{d}}w} ,
因此,如果 b {\displaystyle b} 是一個新的常數,
s − b = w {\displaystyle s-b=w} . [ 11 ] {\displaystyle \qquad [11]}
因此,從公式 [8] 和 [9] 中,我們得到以下公式
cos u = cos c cos ( s − b ) {\displaystyle \cos u=\cos c\cos(s-b)} , cot ( v − β ) = sin c cot ( s − b ) {\displaystyle \qquad \cot(v-\beta )=\sin c\cot(s-b)} . [ 12 ] {\displaystyle \qquad [12]}
但這些關係存在於直角球面三角形的邊和角之間。
如果我們考慮從北極點畫出的子午線,它與我們正在尋找的曲線垂直相交,那麼這條子午線與曲線和任何其他子午線形成一個三角形,上述關係可以應用於這個三角形。
因此,滿足微分方程的曲線本身必須是大圓的一部分。積分常數 c {\displaystyle c} , b {\displaystyle b} , β {\displaystyle \beta } 由曲線透過兩點 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 的條件確定。
幾何解釋是: c {\displaystyle c} 是從點 u = 0 {\displaystyle u=0} 到最短線的測地線法線的長度; s − b {\displaystyle s-b} ,從這條法線底端到曲線上的任何點的弧線,也就是這條弧線的端點之間的長度差;以及 v − β {\displaystyle v-\beta } ,與這條弧線相對的角。
因此,如果我們假設零子午線穿過 A {\displaystyle A} ,則 b {\displaystyle b} 是從 A {\displaystyle A} 到法線的最短線弧長,而 β {\displaystyle \beta } 是該法線腳點的地理經度。
第 107 條 . 我們可以透過考慮微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 來推匯出相同的結果。
由於
F 1 u ′ 2 = ∂ 2 F ∂ v ′ 2 {\displaystyle F_{1}u'^{2}={\frac {\partial ^{2}F}{\partial v'^{2}}}} ,
我們有
F 1 = sin 2 u ( u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u ) 3 / 2 {\displaystyle F_{1}={\frac {\sin ^{2}u}{(u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u)^{3/2}}}} .
將此值代入
G ≡ ∂ 2 F ∂ v ∂ u ′ − ∂ 2 F ∂ u ∂ v ′ + F 1 ( v ′ u ″ − u ′ v ″ ) = 0 {\displaystyle G\equiv {\frac {\partial ^{2}F}{\partial v\partial u'}}-{\frac {\partial ^{2}F}{\partial u\partial v'}}+F_{1}(v'u''-u'v'')=0} ,
使此表示式變為
− [ 2 cos u u ′ 2 v ′ + sin 2 u cos u v ′ 3 ] + sin u ( v ′ u ″ − u ′ v ″ ) = 0 {\displaystyle -[2\cos uu'^{2}v'+\sin ^{2}u\cos uv'^{3}]+\sin u(v'u''-u'v'')=0} ,
或者
d v d u [ 2 + sin 2 u ( d v d u ) 2 ] cos u + sin u d 2 v d u 2 = 0 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}\left[2+\sin ^{2}u\left({\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}\right)^{2}\right]\cos u+\sin u{\frac {{\text{d}}^{2}v}{{\text{d}}u^{2}}}=0} .
在此方程中寫
1 ) w = sin u d v d u {\displaystyle 1)\qquad w=\sin u{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}} ,
我們有
cot u ( w + w 3 ) + d w d u = 0 {\displaystyle \cot u(w+w^{3})+{\frac {{\text{d}}w}{{\text{d}}u}}=0} ,
或者
2 ) d w w + w 3 + cot u d u = 0 {\displaystyle 2)\qquad {\frac {{\text{d}}w}{w+w^{3}}}+\cot u~{\text{d}}u=0} .
對最後一個方程進行積分,得到
ln ( w 1 + w 2 sin u ) = c {\displaystyle \ln \left({\frac {w}{\sqrt {1+w^{2}}}}\sin u\right)=c} ,
因此
3 ) w 2 sin 2 u = C 2 ( 1 + w 2 ) {\displaystyle 3)\qquad w^{2}\sin ^{2}u=C^{2}(1+w^{2})} .
假設 A {\displaystyle A} 是球面的北極點, u {\displaystyle u} 是從 A {\displaystyle A} 沿大圓弧測量的角距離, v {\displaystyle v} 是該大圓平面與過點 B {\displaystyle B} 的大圓平面的夾角。
因此,對於所有透過 A {\displaystyle A} 的族 G = 0 {\displaystyle G=0} 曲線,我們必須有 C = 0 {\displaystyle C=0} ,因為 sin u = 0 {\displaystyle \sin u=0} 對於 u = 0 {\displaystyle u=0} 。這也意味著 w = 0 {\displaystyle w=0} ,因此,
sin u d v d u = 0 {\displaystyle \sin u{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}=0} ,
或者
v = {\displaystyle v=} 常數。
因此,如上所述, A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 必須位於大圓弧上。 接下來,如果 A {\displaystyle A} 不被視為極點,則總是 C ≠ 0 {\displaystyle C\neq 0} ,並且小於1。 然後從公式1)和3)立即得出
d s 2 = d u 2 + sin 2 u d v 2 = d u 2 [ 1 + w 2 ] {\displaystyle {\text{d}}s^{2}={\text{d}}u^{2}+\sin ^{2}u{\text{d}}v^{2}={\text{d}}u^{2}[1+w^{2}]} ,
或者
d s = ± sin u d u sin 2 u − sin 2 C {\displaystyle {\text{d}}s=\pm {\frac {\sin u~{\text{d}}u}{\sqrt {\sin ^{2}u-\sin ^{2}C}}}} ,(其中我們用 sin 2 C {\displaystyle \sin ^{2}C} 來表示 C 2 {\displaystyle C^{2}} )
以及
d v = sin C d u sin ( u ) sin 2 u − sin 2 C {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin C~{\text{d}}u}{\sin(u){\sqrt {\sin ^{2}u-\sin ^{2}C}}}}} .
寫成 cos u = cos C cos t {\displaystyle \cos u=\cos C\cos t} ,這兩個方程在積分後變為,如同上一篇文章一樣
cos u = cos C cos ( s − b ) {\displaystyle \cos u=\cos C\cos(s-b)} , cot ( v − β ) = sin C cot ( s − b ) {\displaystyle \qquad \cot(v-\beta )=\sin C\cot(s-b)} .
第108條 . 問題IV. 提供最小阻力的旋轉曲面。 要解決這個問題,我們看到(第12條)積分
I = ∫ t 0 t 1 x x ′ 3 x ′ 2 + y ′ 2 d t {\displaystyle I=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\frac {xx'^{3}}{x'^{2}+y'^{2}}}~{\text{d}}t}
必須是最小值。
我們這裡有
F = x x ′ 3 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle F={\frac {xx'^{3}}{x'^{2}+y'^{2}}}}
我們看到 F {\displaystyle F} 是引數 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 的有理函式。 對於這類函式,魏爾斯特拉斯證明了積分值永遠不會有最大值或最小值。 但是,我們將一般問題留待稍後討論(第 173 節),我們將注意力集中在我們面前的問題上。
我們可以從以下關係式確定函式 F − 1 {\displaystyle F-1} :
∂ 2 F ∂ x ′ ∂ y ′ = − x ′ y ′ F 1 {\displaystyle {\frac {\partial ^{2}F}{\partial x'\partial y'}}=-x'y'F_{1}} .
可以看出
F 1 = 2 x x ′ ( 3 y ′ 2 − x ′ 2 ) ( x ′ 2 + y ′ 2 ) 3 {\displaystyle F_{1}={\frac {2xx'(3y'^{2}-x'^{2})}{(x'^{2}+y'^{2})^{3}}}} .
我們可以取 x {\displaystyle x} 為正數,並且只關注曲線的一部分,在這部分曲線上 x {\displaystyle x} 隨著 t {\displaystyle t} 增加,因此 x ′ {\displaystyle x'} 也為正數。
因此, F 1 {\displaystyle F_{1}} 與 3 y ′ 2 − x ′ 2 {\displaystyle 3y'^{2}-x'^{2}} 具有相同的符號,或者與 3 sin 2 λ − cos 2 λ {\displaystyle 3\sin ^{2}\lambda -\cos ^{2}\lambda } 具有相同的符號,其中 λ {\displaystyle \lambda } 是該點處曲線切線與 X {\displaystyle X} 軸的夾角。
F 1 {\displaystyle F_{1}} 因此是 正數 ,如果 | tan λ | > 1 3 {\displaystyle |\tan \lambda |>{\frac {1}{\sqrt {3}}}} ,並且是 負數 ,如果 | tan λ | < 1 3 {\displaystyle |\tan \lambda |<{\frac {1}{\sqrt {3}}}} ,對於所考慮的曲線部分。
我們將在後面(第 117 條)看到, F 1 {\displaystyle F_{1}} 必須具有正號,以使積分最小。因此,對於當前問題, | tan λ | {\displaystyle |\tan \lambda |} 必須大於 1 3 {\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {3}}}} ,以適用於所考慮的曲線部分;由於這必須對曲線的所有點成立,其中 x ′ {\displaystyle x'} 具有正號,因此在這些點中的任何一個點的切線都不能與 X {\displaystyle X} 軸形成大於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的角度(參見 Todhunter,變分學研究,第 168 頁)。
第 109 條 . 接下來我們將考慮該問題的微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 。
由於 F {\displaystyle F} 不顯式包含變數 y {\displaystyle y} ,我們可以最好地使用方程
− x ′ G = G 2 ≡ ∂ F ∂ y − d d t ∂ F ∂ y ′ = 0 {\displaystyle -x'G=G_{2}\equiv {\frac {\partial F}{\partial y}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}{\frac {\partial F}{\partial y'}}=0} .
我們立刻有
∂ F ∂ y ′ = {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}=} 常數,
或者
− 2 x x ′ 3 y ′ ( x ′ 2 + y ′ 2 ) 2 = C {\displaystyle -{\frac {2xx'^{3}y'}{(x'^{2}+y'^{2})^{2}}}=C} .
現在,如果有任何提供阻力的表面部分無限接近於旋轉軸,則該常數必須為零,因為 x = 0 {\displaystyle x=0} 使 C = 0 {\displaystyle C=0} 。
如果 C = 0 {\displaystyle C=0} ,我們有
x ′ 3 y ′ = 0 {\displaystyle x'^{3}y'=0} ,
因此
x ′ = 0 {\displaystyle x'=0} 或 y ′ = 0 {\displaystyle y'=0} 。
由此得出
x = {\displaystyle x=} 常數或 y = {\displaystyle y=} 常數。
在第一種情況下,該表面將是一個無限長的圓柱體,以 Y {\displaystyle Y} 軸為旋轉軸,且半徑無限小(因為根據假設,表面的一部分無限接近 Y {\displaystyle Y} 軸);在第二種情況下,阻力表面將是一個直徑無限大的圓盤。這些解毫無意義,可以忽略不計,因此我們可以假設阻力表面在 Y {\displaystyle Y} 軸附近沒有點。這反駁了人們曾經認為該物體是卵形的觀念。
第 110 條 . 接下來我們考慮微分方程
− 2 x x ′ 3 y ′ ( x ′ 2 + y ′ 2 ) 2 = C {\displaystyle -{\frac {2xx'^{3}y'}{(x'^{2}+y'^{2})^{2}}}=C} ,
其中 C {\displaystyle C} 不等於零。我們可以取 x {\displaystyle x} 為正,並且由於常數 C {\displaystyle C} 必須始終保持相同的符號(第 97 條),因此乘積 x ′ y ′ {\displaystyle x'y'} 不會改變符號。
不保留變數 t {\displaystyle t} ,讓我們寫
t = − y {\displaystyle t=-y} ,
以及
d x d y = u {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}y}}=u} .
則微分方程為
− 2 x u 3 ( u 2 + 1 ) 2 = C {\displaystyle {\frac {-2xu^{3}}{(u^{2}+1)^{2}}}=C} .
我們可以將 − y {\displaystyle -y} 寫成 t {\displaystyle t} 的位置,從以下事實可以看出: x ′ y ′ {\displaystyle x'y'} 的符號不能改變,因此,當 y {\displaystyle y} 增加時, x {\displaystyle x} 或者 *持續* 增加,或者 *持續* 減少。 因此,對於 y {\displaystyle y} 的一個給定值,存在 x {\displaystyle x} 的一個值。
然後我們有
x = − C ( u 2 + 1 ) 2 2 u 3 = − C 2 ( u + 2 u − 1 + u − 3 ) {\displaystyle x=-{\frac {C(u^{2}+1)^{2}}{2u^{3}}}=-{\frac {C}{2}}(u+2u^{-1}+u^{-3})} ,
以及
d x d u = d x d y d y d u = u d y d u = − C 2 ( 1 − 2 u − 2 − 3 u − 4 ) {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}u}}={\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}y}}{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}u}}=u{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}u}}=-{\frac {C}{2}}(1-2u^{-2}-3u^{-4})} ,
或者
d y d u = − C 2 ( u − 1 − 2 u − 3 − 4 u − 5 ) {\displaystyle {\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}u}}=-{\frac {C}{2}}(u^{-1}-2u^{-3}-4u^{-5})} ;
因此
y = − C 2 [ ln u + u − 2 + 3 4 u − 4 ] + C 1 {\displaystyle y=-{\frac {C}{2}}\left[\ln u+u^{-2}+{\frac {3}{4}}u^{-4}\right]+C_{1}} .
方程
x = − C 2 ( u + 2 u − 1 + u − 3 ) {\displaystyle x=-{\frac {C}{2}}(u+2u^{-1}+u^{-3})} , y = − C 2 [ ln u + u − 2 + 3 4 u − 4 ] + C 1 {\displaystyle \qquad y=-{\frac {C}{2}}\left[\ln u+u^{-2}+{\frac {3}{4}}u^{-4}\right]+C_{1}} ,
確定一族曲線,其中之一是弧,該弧產生旋轉曲面,如果存在最小值,則該旋轉曲面產生最小值。對於這樣的曲線,如果我們給 u {\displaystyle u} 從 0 到 + ∞ {\displaystyle +\infty } 的所有實數值,我們可以獲得所有實數點。這些值中包含 3 {\displaystyle {\sqrt {3}}} ,正如我們上面所看到的,有必要
d y d x = 1 u > 1 3 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}x}}={\frac {1}{u}}>{\frac {1}{\sqrt {3}}}} 連續地,
或者
1 u < 1 3 {\displaystyle {\frac {1}{u}}<{\frac {1}{\sqrt {3}}}} 連續地。
換句話說,如果在弧線上任意一點處的切線與 X {\displaystyle X} -軸所成的銳角小於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ,那麼它對於弧線的其他點必須繼續小於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ;如果對於弧線的任意一點,它大於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ,那麼它必須保持大於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ,對於弧線的全部點。因此,如果 P {\displaystyle P} 是切線與 X {\displaystyle X} -軸所成的傾角為 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的點,我們將在 P {\displaystyle P} 的一側得到傾角小於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的曲線部分,而在另一側得到傾角大於 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的曲線部分。所討論的弧線必須完全屬於這兩個部分中的一個。
↑ 該證明由 Schwarz 教授提出。