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變分法/第十一章

來自華夏公益教科書

第十一章:關於使積分取到極大值或極小值的曲線的場的概念。共軛點的幾何意義。

  • 145 場的概念。
  • 146 屬於曲線族 的相鄰曲線。
  • 147 級數反演中的一個一般定理。
  • 148 相鄰曲線的座標用 的冪級數表示,其中 是相鄰曲線與原曲線的初始方向之間的三角函式正切。
  • 149 滿足方程 的曲線一旦其初始點和該點切線的方向已知,就可以確定。
  • 150 的限制。場的概念的擴充套件。
  • 151 兩條相鄰曲線的交點。共軛點。
  • 152 一個點不能是它自己的共軛點。 的導數在使函式本身為零的點處不為零。

第 145 條.
在第九章中,我們證明了透過固定點 且屬於曲線族 的相鄰曲線,如果 的共軛點,則它們再次相交於點 。現在我們將更充分地考慮共軛點的這個性質。

我們首先可以引入關於使積分取到極大值或極小值的曲線的的概念。

我們假設對於曲線中積分要取最大值或最小值的這一部分的所有點,函式 中是正則的,並且 在這部分曲線上既不為零也不為無窮大。這些假設的例外留待特殊研究。由此,結合已經建立的必要條件,可以看出曲線的這一部分不包含奇點(參見第 95 條)。因此,曲線的一部分在每一點都只有一個法線與曲線相交,並且所有點的曲率半徑都有一個不為零的下界(參見第 80 條)。因此,我們可以確定穿過曲線 的點 的法線兩側的兩個點 ,以這樣的方式,使得區間 內的法線不被曲線在點 附近的其他任何法線所截。考慮類似於 的長度,這些長度分別對應於曲線上的所有點;那麼由點 所圍成的曲面,這些點彼此相鄰,並且完全包圍了曲線 ,具有這樣的性質:在該曲面內,穿過曲線中兩個非常靠近的點的兩條法線不會相交。

第 146 條.
我們將滿足微分方程 的曲線 用以下方程表示:

並且我們用以下方程表示滿足微分方程 的相鄰曲線之一:

兩條曲線都將透過同一個點. 如果對於第一條曲線,點對應一個確定的值,則對於第二條曲線,該點將對應另一個值,例如.

第一條曲線與第二條曲線相交的條件可以用以下兩個方程表示:

;

或者,用的冪展開

其中 表示 <math\tau'</math>、 的二次及更高次冪項。

第 147 條.
我們可以對 求解方程組 4)。假設我們有兩個方程

其中三個行列式之一 ,不等於零。因此,我們可以用一個單變數的三組冪級數來表示滿足這兩個方程並且 不超過一定範圍的所有值。<rev>參見我關於極值理論等的講義,第 102 頁和第 21 頁。</rev>

我們可以將這個變數選為 ,其中 ,c_{2}</math> 和 只需滿足以下唯一條件

,

為簡潔起見,寫成 (參見第 126 條)

;

那麼,方程組 4) 中對應於以下行列式的三個表示式

其中 不能同時為零 (第 127 條)。

因此我們可以寫成

並進一步對常數 施加條件

如果我們只考慮方程 4) 中的線性項,我們有

從這些方程中,我們得到了 的一階近似值:

因此,最終得到:

其中 是關於 的冪級數。

如果我們將這些表示式代入方程 2) 中,或者等價地,代入

其中,現在, 可以取小於 的值,然後我們有

用於表示對於每個 值,當 同時變得無限小時,也變得無限小的量。

時,由方程 9) 表示的曲線變為原始曲線,我們看到 可以取到很小的值,使得兩條曲線的對應點,即屬於相同 值的點,可以彼此無限接近。在下一篇文章中,我們將展示透過這個過程,我們得到了所有滿足微分方程 的曲線,這些曲線經過點 並且是第一條曲線的鄰近曲線。

第 148 條.
我們可以用 的冪級數代替量 ,它只受以下條件限制:如果 中線性項的係數,則行列式

這個條件由表示兩條曲線在點 處的初始方向所成的角度的三角函式正切的冪級數滿足。

因為,用 表示該正切,我們有

假設曲線在點 處為正則,因此,量 不會同時為零,因此 不等於零。

因此,等式 4)和 10)的行列式為

將第一行水平乘以 ,第二行乘以 ,並將它們都加到第三行,然後變為

或者,等價於

因此,上述行列式為

(見第 129 條),

這個表示式(loc. cit.)不等於零。

因此,我們可以用 代替 ,並用與上面相同的方法找到 

第 149 條.
在第 89 條中給出了微分方程 的解的形式。因此,只要知道了曲線上的初始點以及該點處的切線方向,就完全確定了滿足方程 的曲線。

的座標,而 (見第 87 條的圖)是初始方向與 軸所成的角;此外,用新的座標系 代替座標 ,新的原點位於 ,使得

或者

現在如果我們選擇 作為自變數,那麼

因此

微分方程 ,即

則變為

(第94條)

根據第六章給出的積分方法,我們以如下方式解上述方程:當 時, 同時成立,其中 軸是點 切線的方向。

因此,如果 有一個非零的有限值,並且如果 在點 處不會變得無窮大(正如我們假設的那樣),因為 及其導數( 由此構成)是其引數的正則函式,因此只有一個 的冪級數可以滿足該微分方程,並且其一階導數在 處為零。

這個冪級數的形式為

將此 值代入方程 13),得到

其中常數 是確定的。

因此,方程 15) 完全確定了滿足微分方程 的曲線,其中 是其初始點的座標,而 軸是其初始方向所成的角。

由此,我們立即得到,透過方程 11),我們擁有所有經過相同初始點的且滿足微分方程 的原始曲線的鄰近曲線。

第 150 條.
因此,我們可以對 設定一個上限,使得所有屬於該上限以下的 值並滿足微分方程 的曲線完全位於包圍原始曲線的曲面上。

這使得能夠在兩條曲線之間建立一個單值關係,使得對於原始曲線上的每個點,我們都可以確定鄰近曲線上的點,該點是原始曲線上該點法線與鄰近曲線相交的點。

是原始曲線上點 的座標,而 是對應於該點的鄰近曲線上點的座標。

如果 是對應於 的點,則其座標為

此外,由於 是法線的方程,並且 是法線上的一個點,我們有

因此,需要從以下方程中確定

將最後一個方程與第一個和第二個方程結合起來得到

當對於 我們從 中寫出它們關於 的冪級數。

由於曲線 的一部分沒有奇點,因此 處處不為零,我們可以從方程 17) 中表達,因此也可以表達 的冪級數。如果我們限制自己於 保持在一定限度內的曲線,我們總是可以確定這樣的曲線被原始曲線的法線所截的點。

第 151 條.
我們想知道第二條曲線是否可能與第一條曲線相交。為此,長度 必須為零;也就是說, 必須在 的某個值處等於零。因此,我們需要選擇 這些量,使得當在 16) 中將 設定為零時,方程 4) 和 16) 都能被滿足。

方程 4) 和 16) 中具有相同維度的項分別是 的齊次函式;這些方程可以寫成

其中 代表 的函式,而 的函式,隨著這些函式以及 一同趨於無窮小。

前兩個等式表示兩條相鄰曲線經過初始點 ,後兩個等式表示它們要經過另一個點。

為了使這四個等式同時成立,它們的行列式必須為零。當在該行列式中令 時,該行列式為 

這只不過是函式 。因此,上述方程組的行列式可以寫成 ;由於該行列式必須為零,所以我們必須有

If, now, is a point of the original curve for which and which is not conjugate to , then is different from zero, and we may therefore fix a limit for so that for all values of under this limit the expression is different from zero ; that is, none of the curves which lie very near the original curve can cut this curve at the point or in the neighborhood of it, since we can always find a limit of such a nature that for every value of within the interval the expression is different from zero. And, reciprocally, every curve that lies very near the original curve will cut this curve in the neighborhood of , as soon as there is a point in the interval which is conjugate to . For one can then always find for a value sufficiently small that, with very small values of , the sign of is the same as the sign of , and the sign of is the same as that of . But when the function passes through the value zero it changes its sign, as is seen in the following Article. Hence, it follows, as is to be zero, that the expression must vanish once within the interval ; or, in other words: If, in the interval of the original curve, there is a point conjugate to the initial point, then all the curves which lie very close to the first curve, which satisfy the differential equation and which have the same initial point , will cut again the first curve in the neighborhood of the point . Consequently the conjugate point is nothing other than the limiting position which the points of intersection of a neighboring curve with the original curve approach, if we make smaller and smaller the angle which the initial directions of the two curves make with each other.

如果在區間 內不存在這樣的極限位置,那麼該區間內不存在共軛點。

第 152 條.
仍然需要證明點 本身不能是這個極限位置;也就是說,在所有相鄰曲線中,不能有一條曲線與原始曲線在任意接近 的地方相交。從分析的角度來看,這種情況可以這樣表達:如果在點 處,原始曲線被一條相鄰曲線相交,我們有以下方程:

時,行列式變為 。如果對於表示為 冪級數的 ,將它們的值代入行列式中,它將變成關於 的方程。此外,由於 是關於 的冪級數,它們是 鄰域內的正則函式,因此行列式可以展開成關於 的冪級數,對於 充分小的值,它收斂。如果在原始曲線附近存在曲線,它們在儘可能接近 的情況下切割該曲線,那麼,在對 進行充分小的限制後,就可以在給定的限制範圍內找到滿足該方程的值。

如果我們寫 ,則量 分別等於 ,而量 等於

在這種情況下,行列式具有以下形式

它恆等於零。因此,關於 的冪級數將對於 消失,無論 的值為多少;因此,該級數可被 整除。

因此,當行列式被 除以後,對於值

我們在第 128 和 129 條中看到

以及

如果 的共軛點,使得

那麼我們可以得出

其中 是一個非零常數。

我們進一步得到,由於

關係

不等於零。

因此可以看出 的導數在函式本身為零的位置並不為零。

同時,我們也表明只要 保持在有限範圍內,方程19) 就不滿足;因此,相鄰曲線不可能無限接近初始點,在該點兩條曲線都經過,然後第二次相交。

由於變數的選擇範圍很大,並且常數可以以多種方式選擇,因此可以給出函式的多種形式。嚴格來說,還需要證明方程的解總是導致相同的共軛點,無論的形式如何;然而,這些點的幾何意義使得這種證明變得多餘。

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