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 G = 0 {\displaystyle G=0} 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 k {\displaystyle k} 的冪級數表示,其中 k {\displaystyle k} 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 G = 0 {\displaystyle G=0} 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 對 k {\displaystyle k} 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。 Θ ( t , t ′ ) {\displaystyle \Theta (t,t')} 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 A {\displaystyle A} 且屬於曲線族 G = 0 {\displaystyle G=0} 的相鄰曲線,如果 B {\displaystyle B} 是 A {\displaystyle A} 的共軛點,則它們再次相交於點 B {\displaystyle B} 。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場 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 F ( x , y , x ′ , y ′ ) {\displaystyle F(x,y,x',y')} 在 x , y , x ′ {\displaystyle x,y,x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 中是正則的,並且 F 1 {\displaystyle F_{1}} 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 A B {\displaystyle AB} 的點 C {\displaystyle C} 的法線兩側的兩個點 D {\displaystyle D} 和 D ′ {\displaystyle D'} ,以這樣的方式,使得區間 D D ′ {\displaystyle DD'} 內的法線不被曲線在點 C {\displaystyle C} 附近的其他任何法線所截。考慮類似於 D D ′ {\displaystyle DD'} 的長度,這些長度分別對應於曲線上的所有點;那麼由點 D {\displaystyle D} 和 D ′ {\displaystyle D'} 所圍成的曲面,這些點彼此相鄰,並且完全包圍了曲線 A B {\displaystyle AB} ,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 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲線 A B {\displaystyle AB} 用以下方程表示:
1 ) x = ϕ ( t , α , β ) y = ψ ( t , α , β ) ( t = t 0 … t 1 ) {\displaystyle 1)\qquad x=\phi (t,\alpha ,\beta )\quad y=\psi (t,\alpha ,\beta )\quad (t=t_{0}\ldots t_{1})}
並且我們用以下方程表示滿足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的相鄰曲線之一:
2 ) x ¯ = ϕ ( t , α + α ′ , β + β ′ ) y ¯ = ψ ( t , α + α ′ , β + β ′ ) {\displaystyle 2)\qquad {\bar {x}}=\phi (t,\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')\quad {\bar {y}}=\psi (t,\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')}
兩條曲線都將透過同一個點 A {\displaystyle A} . 如果對於第一條曲線,點 A {\displaystyle A} 對應一個確定的值 t 0 {\displaystyle t_{0}} ,則對於第二條曲線,該點將對應另一個值,例如 t o + τ ′ {\displaystyle t_{o}+\tau '} .
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:
3 ϕ ( t 0 + τ ′ , α + α ′ , β + β ′ ) − ϕ ( t 0 , α , β ) = 0 ψ ( t 0 + τ ′ , α + α ′ , β + β ′ ) − ψ ( t 0 , α , β ) = 0 {\displaystyle 3\qquad \phi (t_{0}+\tau ',\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')-\phi (t_{0},\alpha ,\beta )=0\quad \psi (t_{0}+\tau ',\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')-\psi (t_{0},\alpha ,\beta )=0} ;
或者,用 τ ′ {\displaystyle \tau '} , α ′ {\displaystyle \alpha '} 和 β ′ {\displaystyle \beta '} 的冪展開
4 ) ϕ ′ ( t 0 ) τ ′ + ϕ 1 ( t 0 ) α ′ + ϕ 2 ( t 0 ) β ′ + ( τ ′ , α ′ , β ′ ) 2 = 0 ψ ′ ( t 0 ) τ ′ + ψ 1 ( t 0 ) α ′ + ψ 2 ( t 0 ) β ′ + ( τ ′ , α ′ , β ′ ) 2 = 0 {\displaystyle 4)\qquad \phi '(t_{0})\tau '+\phi _{1}(t_{0})\alpha '+\phi _{2}(t_{0})\beta '+(\tau ',\alpha ',\beta ')_{2}=0\quad \psi '(t_{0})\tau '+\psi _{1}(t_{0})\alpha '+\psi _{2}(t_{0})\beta '+(\tau ',\alpha ',\beta ')_{2}=0}
其中 ( τ ′ , α ′ , β ′ ) 2 {\displaystyle (\tau ',\alpha ',\beta ')_{2}} 表示 <math\tau'</math>、 α ′ {\displaystyle \alpha '} 和 β ′ {\displaystyle \beta '} 的二次及更高次冪項。
第 147 條 . 我們可以對 τ ′ {\displaystyle \tau '} 、 α ′ {\displaystyle \alpha '} 和 / b e t a ′ {\displaystyle /beta'} 求解方程組 4)。假設我們有兩個方程
a x + b y + c z + ( x , y , z ) 2 = 0 a ′ x + b ′ y + c ′ z + ( x , y , z ) 2 = 0 {\displaystyle ax+by+cz+(x,y,z)_{2}=0\quad a'x+b'y+c'z+(x,y,z)_{2}=0}
其中三個行列式之一 a b ′ − a ′ b , a c ′ − a ′ c , b c ′ − b ′ c {\displaystyle ab'-a'b,ac'-a'c,bc'-b'c} ,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 x , y , z {\displaystyle x,y,z} 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 s = c 1 x + c 2 y + c 2 z {\displaystyle s=c_{1}x+c_{2}y+c_{2}z} ,其中 c 1 {\displaystyle c_{1}} ,c_{2}</math> 和 c 3 {\displaystyle c_{3}} 只需滿足以下唯一條件
| a b c a ′ b ′ c ′ c 1 c 2 c 3 | ≠ 0 {\displaystyle {\begin{vmatrix}a&b&c\\a'&b'&c'\\c_{1}&c_{2}&c_{3}\\\end{vmatrix}}\neq 0} ,
為簡潔起見,寫成 (參見第 126 條)
ψ 1 ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) − ϕ 1 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) = θ 3 ( t 0 ) {\displaystyle \psi _{1}(t_{0})\phi _{2}(t_{0})-\phi _{1}(t_{0})\psi _{2}(t_{0})=\theta _{3}(t_{0})} ;
那麼,方程組 4) 中對應於以下行列式的三個表示式
a b ′ − a ′ b , a c ′ − a ′ c , b c ′ − b ′ c {\displaystyle ab'-a'b,ac'-a'c,bc'-b'c}
是
5 ) {\displaystyle 5)}
ϕ ′ ( t 0 ) ψ 1 ( t 0 ) − ψ ′ ( t 0 ) ϕ 1 ( t 0 ) = − θ 1 ( t 0 ) {\displaystyle \phi '(t_{0})\psi _{1}(t_{0})-\psi '(t_{0})\phi _{1}(t_{0})=-\theta _{1}(t_{0})}
ϕ ′ ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) − ψ ′ ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) = − θ 2 ( t 0 ) {\displaystyle \phi '(t_{0})\psi _{2}(t_{0})-\psi '(t_{0})\phi _{2}(t_{0})=-\theta _{2}(t_{0})}
ϕ 1 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) − ψ 1 ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) = − θ 3 ( t 0 ) {\displaystyle \phi _{1}(t_{0})\psi _{2}(t_{0})-\psi _{1}(t_{0})\phi _{2}(t_{0})=-\theta _{3}(t_{0})}
其中 θ 1 ( t 0 ) {\displaystyle \theta _{1}(t_{0})} 和 θ 2 ( t 0 ) {\displaystyle \theta _{2}(t_{0})} 不能同時為零 (第 127 條)。
因此我們可以寫成
c 1 = 0 c 2 α ′ + c 3 β ′ = k 1 {\displaystyle c_{1}=0\quad c_{2}\alpha '+c_{3}\beta '=k_{1}}
並進一步對常數 c 2 {\displaystyle c_{2}} 和 c 3 {\displaystyle c_{3}} 施加條件
6 ) | ϕ ′ ( t 0 ) ϕ 1 ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) ψ 1 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) 0 c 2 c 3 | = c 2 θ 2 ( t 0 ) − c 3 θ 1 ( t 0 ) = 1 {\displaystyle 6)\qquad {\begin{vmatrix}\phi '(t_{0})&\phi _{1}(t_{0})&\phi _{2}(t_{0})\\\psi '(t_{0})&\psi _{1}(t_{0})&\psi _{2}(t_{0})\\0&c_{2}&c_{3}\end{vmatrix}}=c_{2}\theta _{2}(t_{0})-c_{3}\theta _{1}(t_{0})=1}
如果我們只考慮方程 4) 中的線性項,我們有
ϕ ′ ( t 0 ) τ ′ + ϕ 1 ( t 0 ) α ′ + ϕ 2 ( t 0 ) β ′ = 0 ψ ′ ( t 0 ) τ ′ + ψ 1 ( t 0 ) α ′ + ψ 2 ( t 0 ) β ′ = 0 c 2 α ′ + c 3 β ′ = k 1 {\displaystyle {\begin{aligned}\phi '(t_{0})\tau '+\phi _{1}(t_{0})\alpha '+\phi _{2}(t_{0})\beta '&=0\\\psi '(t_{0})\tau '+\psi _{1}(t_{0})\alpha '+\psi _{2}(t_{0})\beta '&=0\\c_{2}\alpha '+c_{3}\beta '&=k_{1}\end{aligned}}}
從這些方程中,我們得到了 τ ′ , α ′ {\displaystyle \tau ',\alpha '} 和 / b e t a ′ {\displaystyle /beta'} 的一階近似值:
7 ) τ ′ = − k 1 θ 3 ( t 0 ) α ′ = + k 1 θ 2 ( t 0 ) β ′ = − k 1 θ 1 ( t 0 ) {\displaystyle 7)\qquad \tau '=-k_{1}\theta _{3}(t_{0})\quad \alpha '=+k_{1}\theta _{2}(t_{0})\quad \beta '=-k_{1}\theta _{1}(t_{0})}
因此,最終得到:
7 a ) τ ′ = − k 1 θ 3 ( t 0 ) + k 1 2 P 1 ( k 1 , t 0 ) α ′ = + k 1 θ 2 ( t 0 ) + k 1 2 P 2 ( k 1 , t 0 ) β ′ = − k 1 θ 1 ( t 0 ) + k 1 2 P 3 ( k 1 , t 0 ) {\displaystyle 7^{a})\qquad \tau '=-k_{1}\theta _{3}(t_{0})+k_{1}^{2}P_{1}(k_{1},t_{0})\quad \alpha '=+k_{1}\theta _{2}(t_{0})+k_{1}^{2}P_{2}(k_{1},t_{0})\quad \beta '=-k_{1}\theta _{1}(t_{0})+k_{1}^{2}P_{3}(k_{1},t_{0})}
其中 P 1 ( k 1 , t 0 ) , P 2 ( k 1 , t 0 ) {\displaystyle P_{1}(k_{1},t_{0}),P_{2}(k_{1},t_{0})} 和 P 3 ( k 1 , t 0 ) {\displaystyle P_{3}(k_{1},t_{0})} 是關於 k 1 {\displaystyle k_{1}} 和 t 0 {\displaystyle t_{0}} 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
8 ) x ¯ = ϕ ( t + τ ′ , α + α ′ , β + β ′ ) y ¯ = ψ ( t + τ ′ , α + α ′ , β + β ′ ) {\displaystyle 8)\qquad {\bar {x}}=\phi (t+\tau ',\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')\quad {\bar {y}}=\psi (t+\tau ',\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')}
其中,現在, t {\displaystyle t} 可以取小於 t 0 {\displaystyle t_{0}} 的值,然後我們有
9 ) {\displaystyle 9)}
x ¯ = x − k 1 [ ϕ ′ ( t ) θ 3 ( t 0 ) − ϕ 1 ( t ) θ 2 ( t 0 ) + ϕ 2 ( t ) θ 1 ( t 0 ) ] + k 1 ( t , k 1 ) {\displaystyle {\bar {x}}=x-k_{1}[\phi '(t)\theta _{3}(t_{0})-\phi _{1}(t)\theta _{2}(t_{0})+\phi _{2}(t)\theta _{1}(t_{0})]+k_{1}(t,k_{1})}
y ¯ = y − k 1 [ ψ ′ ( t ) θ 3 ( t 0 ) − ψ 1 ( t ) θ 2 ( t 0 ) + ψ 2 ( t ) θ 1 ( t 0 ) ] + k 1 ( t , k 1 ) I n t h e s e e q u a t i o n s t h e s y m b o l < m a t h > ( t , k 1 ) {\displaystyle {\bar {y}}=y-k_{1}[\psi '(t)\theta _{3}(t_{0})-\psi _{1}(t)\theta _{2}(t_{0})+\psi _{2}(t)\theta _{1}(t_{0})]+k_{1}(t,k_{1})Intheseequationsthesymbol<math>(t,k_{1})} 用於表示對於每個 t {\displaystyle t} 值,當 k 1 {\displaystyle k_{1}} 同時變得無限小時,也變得無限小的量。
當 k 1 = 0 {\displaystyle k_{1}=0} 時,由方程 9) 表示的曲線變為原始曲線,我們看到 k 1 {\displaystyle k_{1}} 可以取到很小的值,使得兩條曲線的對應點,即屬於相同 t {\displaystyle t} 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 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲線,這些曲線經過點 A {\displaystyle A} 並且是第一條曲線的鄰近曲線。
第 148 條 . 我們可以用 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 的冪級數代替量 k 1 {\displaystyle k_{1}} ,它只受以下條件限制:如果 c 1 , c 2 , c 3 {\displaystyle c_{1},c_{2},c_{3}} 是 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 中線性項的係數,則行列式
| ϕ ′ ( t 0 ) ϕ 1 ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) ψ 1 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) 0 c 2 c 3 | ≠ 0 {\displaystyle {\begin{vmatrix}\phi '(t_{0})&\phi _{1}(t_{0})&\phi _{2}(t_{0})\\\psi '(t_{0})&\psi _{1}(t_{0})&\psi _{2}(t_{0})\\0&c_{2}&c_{3}\end{vmatrix}}\neq 0}
這個條件由表示兩條曲線在點 A = t 0 {\displaystyle A=t_{0}} 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 k {\displaystyle k} 表示該正切,我們有
k = d y 0 d x 0 − d y ¯ 0 d x ¯ 0 1 + d y 0 d x 0 d y ¯ 0 d x ¯ 0 = x ¯ 0 ′ y 0 ′ − y ¯ 0 ′ x 0 ′ x ¯ 0 ′ x 0 ′ + y ¯ 0 ′ y 0 ′ = | ϕ ″ ( t 0 ) ψ ″ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | τ ′ + | ϕ 1 ′ ( t 0 ) ψ 1 ′ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | α ′ + | ϕ 2 ′ ( t 0 ) ψ 2 ′ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | β ′ + ( τ ′ , α ′ , β ′ ) 2 ϕ ′ 2 ( t 0 ) + ψ ′ 2 ( t 0 ) + ( τ ′ , α ′ , β ′ ) 1 {\displaystyle k={\frac {{\frac {{\text{d}}y_{0}}{{\text{d}}x_{0}}}-{\frac {{\text{d}}{\bar {y}}_{0}}{{\text{d}}{\bar {x}}_{0}}}}{1+{\frac {{\text{d}}y_{0}}{{\text{d}}x_{0}}}{\frac {{\text{d}}{\bar {y}}_{0}}{{\text{d}}{\bar {x}}_{0}}}}}={\frac {{\bar {x}}_{0}'y_{0}'-{\bar {y}}_{0}'x_{0}'}{{\bar {x}}_{0}'x_{0}'+{\bar {y}}_{0}'y_{0}'}}={\frac {{\begin{vmatrix}\phi ''(t_{0})&\psi ''(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}\tau '+{\begin{vmatrix}\phi _{1}'(t_{0})&\psi _{1}'(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}\alpha '+{\begin{vmatrix}\phi _{2}'(t_{0})&\psi _{2}'(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}\beta '+(\tau ',\alpha ',\beta ')_{2}}{\phi '^{2}(t_{0})+\psi '^{2}(t_{0})+(\tau ',\alpha ',\beta ')_{1}}}}
假設曲線在點 A {\displaystyle A} 處為正則,因此,量 ϕ ′ ( t 0 ) {\displaystyle \phi '(t_{0})} 和 ψ ′ ( t 0 ) {\displaystyle \psi '(t_{0})} 不會同時為零,因此 ϕ ′ 2 ( t 0 ) + ψ ′ 2 ( t 0 ) {\displaystyle \phi '^{2}(t_{0})+\psi '^{2}(t_{0})} 不等於零。
因此,等式 4)和 10)的行列式為
1 ϕ ′ 2 ( t 0 ) + ψ ′ 2 ( t 0 ) | ϕ ′ ( t 0 ) ϕ 1 ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) ψ 1 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) | ϕ ″ ( t 0 ) ψ ″ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | | ϕ 1 ′ ( t 0 ) ψ 1 ′ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | | ϕ 2 ′ ( t 0 ) ψ 2 ′ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | | {\displaystyle {\frac {1}{\phi '^{2}(t_{0})+\psi '^{2}(t_{0})}}{\begin{vmatrix}\phi '(t_{0})&\phi _{1}(t_{0})&\phi _{2}(t_{0})\\\psi '(t_{0})&\psi _{1}(t_{0})&\psi _{2}(t_{0})\\{\begin{vmatrix}\phi ''(t_{0})&\psi ''(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}&{\begin{vmatrix}\phi _{1}'(t_{0})&\psi _{1}'(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}&{\begin{vmatrix}\phi _{2}'(t_{0})&\psi _{2}'(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}\end{vmatrix}}}
將第一行水平乘以 ψ ″ ( t 0 ) {\displaystyle \psi ''(t_{0})} ,第二行乘以 − ϕ ″ ( t 0 ) {\displaystyle -\phi ''(t_{0})} ,並將它們都加到第三行,然後變為
0 | ϕ 1 ′ ( t 0 ) ψ 1 ′ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | + | ϕ 1 ( t 0 ) ψ 1 ( t 0 ) ϕ ″ ( t 0 ) ψ ″ ( t 0 ) | | ϕ 2 ′ ( t 0 ) ψ 2 ′ ( t 0 ) ϕ ′ ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) | + | ϕ 2 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) ϕ ″ ( t 0 ) ψ ″ ( t 0 ) | {\displaystyle 0\qquad {\begin{vmatrix}\phi _{1}'(t_{0})&\psi _{1}'(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}+{\begin{vmatrix}\phi _{1}(t_{0})&\psi _{1}(t_{0})\\\phi ''(t_{0})&\psi ''(t_{0})\end{vmatrix}}\qquad {\begin{vmatrix}\phi _{2}'(t_{0})&\psi _{2}'(t_{0})\\\phi '(t_{0})&\psi '(t_{0})\end{vmatrix}}+{\begin{vmatrix}\phi _{2}(t_{0})&\psi _{2}(t_{0})\\\phi ''(t_{0})&\psi ''(t_{0})\end{vmatrix}}}
或者,等價於
0 θ 1 ′ ( t 0 ) θ 2 ′ ( t 0 ) {\displaystyle 0\qquad \theta _{1}'(t_{0})\qquad \theta _{2}'(t_{0})}
因此,上述行列式為
10 ) 1 ϕ ′ 2 ( t 0 ) + ψ ′ 2 ( t 0 ) [ θ 1 ′ ( t 0 ) θ 2 ( t 0 ) − θ 2 ′ ( t 0 ) θ 1 ( t 0 ) ] = 1 ϕ ′ 2 ( t 0 ) + ψ ′ 2 ( t 0 ) C F 1 ( t 0 ) {\displaystyle 10)\qquad {\frac {1}{\phi '^{2}(t_{0})+\psi '^{2}(t_{0})}}[\theta _{1}'(t_{0})\theta _{2}(t_{0})-\theta _{2}'(t_{0})\theta _{1}(t_{0})]={\frac {1}{\phi '^{2}(t_{0})+\psi '^{2}(t_{0})}}{\frac {C}{F_{1}(t_{0})}}\quad } (見第 129 條),
這個表示式(loc. cit. )不等於零。
因此,我們可以用 k {\displaystyle k} 代替 k 1 {\displaystyle k_{1}} ,並用與上面相同的方法找到
11 ) x ¯ = x + k f 1 ( t , k ) y ¯ = y + k f 2 ( t , k ) {\displaystyle 11)\qquad {\bar {x}}=x+kf_{1}(t,k)\quad {\bar {y}}=y+kf_{2}(t,k)}
第 149 條 . 在第 89 條中給出了微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 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 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲線。
設 a , b {\displaystyle a,b} 是 A {\displaystyle A} 的座標,而 X {\displaystyle X} (見第 87 條的圖)是初始方向與 X {\displaystyle X} 軸所成的角;此外,用新的座標系 t , v {\displaystyle t,v} 代替座標 x , y {\displaystyle x,y} ,新的原點位於 A {\displaystyle A} ,使得
12 ) t = ( x − a ) cos λ − ( y − b ) sin λ v = ( x − a ) sin λ + ( y − b ) cos λ {\displaystyle 12)\qquad t=(x-a)\cos \lambda -(y-b)\sin \lambda \quad v=(x-a)\sin \lambda +(y-b)\cos \lambda }
或者
13 ) x = a + t cos λ + v sin λ y = b − t sin λ + v cos λ {\displaystyle 13)\qquad x=a+t\cos \lambda +v\sin \lambda \quad y=b-t\sin \lambda +v\cos \lambda }
現在如果我們選擇 t {\displaystyle t} 作為自變數,那麼
x ′ = cos λ + d v d t sin λ d x ′ d t = d 2 v d t 2 sin λ {\displaystyle x'=\cos \lambda +{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\sin \lambda \qquad {\frac {{\text{d}}x'}{{\text{d}}t}}={\frac {{\text{d}}^{2}v}{{\text{d}}t^{2}}}\sin \lambda }
y ′ = − sin λ + d v d t cos λ d y ′ d t = d 2 v d t 2 cos λ {\displaystyle y'=-\sin \lambda +{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\cos \lambda \qquad {\frac {{\text{d}}y'}{{\text{d}}t}}={\frac {{\text{d}}^{2}v}{{\text{d}}t^{2}}}\cos \lambda }
因此
x ′ d y ′ d t − y ′ d x ′ d t = d 2 v d t 2 {\displaystyle x'{\frac {{\text{d}}y'}{{\text{d}}t}}-y'{\frac {{\text{d}}x'}{{\text{d}}t}}={\frac {{\text{d}}^{2}v}{{\text{d}}t^{2}}}}
微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} ,即
F 1 ( x ′ d y ′ d t − y ′ d x ′ d t ) + H ( x , y , x ′ , y ′ ) = 0 {\displaystyle F_{1}\left(x'{\frac {{\text{d}}y'}{{\text{d}}t}}-y'{\frac {{\text{d}}x'}{{\text{d}}t}}\right)+H(x,y,x',y')=0}
則變為
14 ) 0 = d 2 v d t 2 F 1 ( a + t cos λ + v sin λ , b − t sin λ + v cos λ , cos λ + d v d t sin λ , − sin λ + d v d t cos λ ) + H ( t , v , d v d t ) {\displaystyle 14)\qquad 0={\frac {{\text{d}}^{2}v}{{\text{d}}t^{2}}}F_{1}\left(a+t\cos \lambda +v\sin \lambda ,b-t\sin \lambda +v\cos \lambda ,\cos \lambda +{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\sin \lambda ,-\sin \lambda +{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\cos \lambda \right)+H\left(t,v,{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\right)\quad } (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 t = 0 {\displaystyle t=0} 時, v = 0 {\displaystyle v=0} 和 d v d t = 0 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}=0} 同時成立,其中 v {\displaystyle v} 軸是點 A {\displaystyle A} 切線的方向。
因此,如果 F 1 ( a , b , cos λ , − sin λ ) {\displaystyle F_{1}(a,b,\cos \lambda ,-\sin \lambda )} 有一個非零的有限值,並且如果 H ( t , v , d v d t ) {\displaystyle H\left(t,v,{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\right)} 在點 A {\displaystyle A} 處不會變得無窮大(正如我們假設的那樣),因為 F 1 {\displaystyle F_{1}} 及其導數( H {\displaystyle H} 由此構成)是其引數的正則函式,因此只有一個 t {\displaystyle t} 的冪級數可以滿足該微分方程,並且其一階導數在 t = 0 {\displaystyle t=0} 處為零。
這個冪級數的形式為
v = t 2 P ( t ) {\displaystyle v=t^{2}P(t)}
將此 v {\displaystyle v} 值代入方程 13),得到
15 ) x = a + t cos λ + A 1 t 2 + … y = b − t sin λ + B 1 t 2 … {\displaystyle 15)\qquad x=a+t\cos \lambda +A_{1}t^{2}+\ldots \quad y=b-t\sin \lambda +B_{1}t^{2}\ldots }
其中常數 A 1 , B 1 , … {\displaystyle A_{1},B_{1},\ldots } 是確定的。
因此,方程 15) 完全確定了滿足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲線,其中 a , b {\displaystyle a,b} 是其初始點的座標,而 X {\displaystyle X} 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 G = 0 {\displaystyle G=0} 的原始曲線的鄰近曲線。
第 150 條 . 因此,我們可以對 k {\displaystyle k} 設定一個上限,使得所有屬於該上限以下的 k {\displaystyle k} 值並滿足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 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。
設 x , y {\displaystyle x,y} 是原始曲線上點 P {\displaystyle P} 的座標,而 x + ξ , y + η {\displaystyle x+\xi ,y+\eta } 是對應於該點的鄰近曲線上點的座標。
如果 P ′ {\displaystyle P'} 是對應於 P {\displaystyle P} 的點,則其座標為
x + ξ = ϕ ( t + τ , α + α ′ , β + β ′ ) y + η = ψ ( t + τ , α + α ′ , β + β ′ ) {\displaystyle x+\xi =\phi (t+\tau ,\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')\qquad y+\eta =\psi (t+\tau ,\alpha +\alpha ',\beta +\beta ')}
此外,由於 ( X − x ) x ′ + ( Y − y ) y ′ = 0 {\displaystyle (X-x)x'+(Y-y)y'=0} 是法線的方程,並且 X = x + ξ , Y = y + η {\displaystyle X=x+\xi ,Y=y+\eta } 是法線上的一個點,我們有
x ′ ξ + y ′ η = 0 {\displaystyle x'\xi +y'\eta =0}
因此,需要從以下方程中確定 ξ , η {\displaystyle \xi ,\eta } 和 τ {\displaystyle \tau } :
16 ) ξ = ϕ ′ ( t ) τ + ϕ 1 ( t ) α ′ + ϕ 2 ( t ) β ′ + … η = ψ ′ ( t ) τ + ψ 1 ( t ) α ′ + ψ 2 ( t ) β ′ + … 0 = ϕ ′ ( t ) ξ + ψ ′ ( t ) η {\displaystyle 16)\qquad \xi =\phi '(t)\tau +\phi _{1}(t)\alpha '+\phi _{2}(t)\beta '+\ldots \quad \eta =\psi '(t)\tau +\psi _{1}(t)\alpha '+\psi _{2}(t)\beta '+\ldots \quad 0=\phi '(t)\xi +\psi '(t)\eta }
將最後一個方程與第一個和第二個方程結合起來得到
17 ) 0 = [ ϕ ′ 2 ( t ) + ψ ′ 2 ( t ) ] τ + k f ( t ) + ( t , k ) {\displaystyle 17)\qquad 0=[\phi '^{2}(t)+\psi '^{2}(t)]\tau +kf(t)+(t,k)}
當對於 α ′ , β ′ {\displaystyle \alpha ',\beta '} 我們從 7 a ) {\displaystyle 7^{a})} 中寫出它們關於 k {\displaystyle k} 的冪級數。
由於曲線 A B {\displaystyle AB} 的一部分沒有奇點,因此 ϕ ′ 2 ( t ) + ψ ′ 2 ( t ) {\displaystyle \phi '^{2}(t)+\psi '^{2}(t)} 處處不為零,我們可以從方程 17) 中表達 τ {\displaystyle \tau } ,因此也可以表達 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 為 k {\displaystyle k} 的冪級數。如果我們限制自己於 k {\displaystyle k} 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 P P ′ {\displaystyle PP'} 必須為零;也就是說, ξ , η {\displaystyle \xi ,\eta } 必須在 t {\displaystyle t} 的某個值處等於零。因此,我們需要選擇 t , τ , τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle t,\tau ,\tau ',\alpha ',\beta '} 這些量,使得當在 16) 中將 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 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 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 和 τ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ,\alpha ',\beta '} 的齊次函式;這些方程可以寫成
( ϕ ′ ( t 0 ) + v ) τ ′ + ( ϕ 1 ( t 0 ) + p ) α ′ + ( ϕ 2 ( t 0 ) + q ) β ′ = 0 {\displaystyle (\phi '(t_{0})+v)\tau '+(\phi _{1}(t_{0})+p)\alpha '+(\phi _{2}(t_{0})+q)\beta '=0}
( ψ ′ ( t 0 ) + v 1 ) τ ′ + ( ψ 1 ( t 0 ) + p 1 ) α ′ + ( ψ 2 ( t 0 ) + q 1 ) β ′ = 0 {\displaystyle (\psi '(t_{0})+v_{1})\tau '+(\psi _{1}(t_{0})+p_{1})\alpha '+(\psi _{2}(t_{0})+q_{1})\beta '=0}
( ϕ ′ ( t 0 ) + v 2 ) τ ′ + ( ϕ 1 ( t 0 ) + p 2 ) α ′ + ( ϕ 2 ( t 0 ) + q 2 ) β ′ = 0 {\displaystyle (\phi '(t_{0})+v_{2})\tau '+(\phi _{1}(t_{0})+p_{2})\alpha '+(\phi _{2}(t_{0})+q_{2})\beta '=0}
( ψ ′ ( t 0 ) + v 3 ) τ ′ + ( ψ 1 ( t 0 ) + p 3 ) α ′ + ( ψ 2 ( t 0 ) + q 2 ) β ′ = 0 {\displaystyle (\psi '(t_{0})+v_{3})\tau '+(\psi _{1}(t_{0})+p_{3})\alpha '+(\psi _{2}(t_{0})+q_{2})\beta '=0}
其中 v , p , q , v 1 , p 1 , q 1 {\displaystyle v,p,q,v_{1},p_{1},q_{1}} 代表 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 的函式,而 v 2 , p 2 , q 2 , v 3 , q 3 , q 3 {\displaystyle v_{2},p_{2},q_{2},v_{3},q_{3},q_{3}} 是 τ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ,\alpha ',\beta '} 的函式,隨著這些函式以及 k {\displaystyle k} 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 A {\displaystyle A} ,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 k = 0 {\displaystyle k=0} 時,該行列式為
| ϕ ′ ( t 0 ) 0 ϕ 1 ( t 0 ) ϕ 2 ( t 0 ) ψ ′ ( t 0 ) 0 ψ 1 ( t 0 ) ψ 2 ( t 0 ) 0 ϕ ′ ( t ) ϕ 1 ( t ) ϕ 2 ( t ) 0 ψ ′ ( t ) ψ 1 ( t ) ψ 2 ( t ) | {\displaystyle {\begin{vmatrix}\phi '(t_{0})&0&\phi _{1}(t_{0})&\phi _{2}(t_{0})\\\psi '(t_{0})&0&\psi _{1}(t_{0})&\psi _{2}(t_{0})\\0&\phi '(t)&\phi _{1}(t)&\phi _{2}(t)\\0&\psi '(t)&\psi _{1}(t)&\psi _{2}(t)\end{vmatrix}}}
這只不過是函式 − Θ ( t , t 0 ) {\displaystyle -\Theta (t,t_{0})} 。因此,上述方程組的行列式可以寫成 − Θ ( t , t 0 ) − k ( t , t 0 , k ) {\displaystyle -\Theta (t,t_{0})-k(t,t_{0},k)} ;由於該行列式必須為零,所以我們必須有
18 ) Θ ( t , t 0 ) + k ( t , t 0 , k ) = 0 {\displaystyle 18)\qquad \Theta (t,t_{0})+k(t,t_{0},k)=0}
If, now, C {\displaystyle C} is a point of the original curve for which t = t ′ {\displaystyle t=t'} and which is not conjugate to A {\displaystyle A} , then Θ ( t ′ , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t',t_{0})} is different from zero, and we may therefore fix a limit for k {\displaystyle k} so that for all values of k {\displaystyle k} under this limit the expression Θ ( t ′ , t 0 ) + k ( t ′ , t 0 , k ) {\displaystyle \Theta (t',t_{0})+k(t',t_{0},k)} is different from zero ; that is, none of the curves which lie very near the original curve can cut this curve at the point t ′ {\displaystyle t'} or in the neighborhood of it, since we can always find a limit h {\displaystyle h} of such a nature that for every value of t {\displaystyle t} within the interval t ′ − h … t ′ + h {\displaystyle t'-h\ldots t'+h} 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 C {\displaystyle C} , as soon as there is a point C {\displaystyle C} in the interval A B {\displaystyle AB} which is conjugate to A {\displaystyle A} . For one can then always find for k {\displaystyle k} a value sufficiently small that, with very small values of h {\displaystyle h} , the sign of Θ ( t ′ − h , t 0 ) − k ( t ′ − h , t 0 , k ) {\displaystyle \Theta (t'-h,t_{0})-k(t'-h,t_{0},k)} is the same as the sign of Θ ( t ′ − h , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t'-h,t_{0})} , and the sign of T h e t a ( t ′ + h , t 0 ) + k ( t ′ + h , t 0 , k ) {\displaystyle Theta(t'+h,t_{0})+k(t'+h,t_{0},k)} is the same as that of Θ ( t ′ + h , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t'+h,t_{0})} . But when the function Θ ( t ′ , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t',t_{0})} passes through the value zero it changes its sign, as is seen in the following Article. Hence, it follows, as Θ ( t ′ , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t',t_{0})} is to be zero, that the expression Θ ( t , t 0 ) + k ( t , t 0 , k ) {\displaystyle \Theta (t,t_{0})+k(t,t_{0},k)} must vanish once within the interval t ′ − h … t ′ + h {\displaystyle t'-h\ldots t'+h} ; or, in other words: If, in the interval A B {\displaystyle AB} of the original curve, there is a point t = t ′ {\displaystyle t=t'} conjugate to the initial point, then all the curves which lie very close to the first curve, which satisfy the differential equation G = 0 {\displaystyle G=0} and which have the same initial point A {\displaystyle A} , will cut again the first curve in the neighborhood of the point t ′ {\displaystyle t'} . 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 A B {\displaystyle AB} 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 A {\displaystyle A} 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 A {\displaystyle A} 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 t {\displaystyle t} 處,原始曲線被一條相鄰曲線相交,我們有以下方程:
| 0 ϕ ′ ( t 0 ) + v ϕ 1 ( t 0 ) + p ϕ 2 ( t 0 ) + q 0 ψ ′ ( t 0 ) + v 1 ψ 1 ( t 0 ) + p 1 ψ 2 ( t 0 ) + q 1 ϕ ′ ( t ) + v 2 0 ϕ 1 ( t ) + p 2 ϕ 2 ( t ) + q 2 ψ ′ ( t ) + v 3 0 ψ 1 ( t ) + p 3 ψ 2 ( t ) + q 3 | = 0 {\displaystyle {\begin{vmatrix}0&\phi '(t_{0})+v&\phi _{1}(t_{0})+p&\phi _{2}(t_{0})+q\\0&\psi '(t_{0})+v_{1}&\psi _{1}(t_{0})+p_{1}&\psi _{2}(t_{0})+q_{1}\\\phi '(t)+v_{2}&0&\phi _{1}(t)+p_{2}&\phi _{2}(t)+q_{2}\\\psi '(t)+v_{3}&0&\psi _{1}(t)+p_{3}&\psi _{2}(t)+q_{3}\end{vmatrix}}=0}
當 k = 0 {\displaystyle k=0} 時,行列式變為 Θ ( t , t 0 ) = 0 {\displaystyle \Theta (t,t_{0})=0} 。如果對於表示為 k {\displaystyle k} 冪級數的 τ , τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ,\tau ',\alpha ',\beta '} ,將它們的值代入行列式中,它將變成關於 t {\displaystyle t} 和 k {\displaystyle k} 的方程。此外,由於 ϕ ′ ( t ) , ϕ 1 ( t ) , … ψ 2 ( t ) {\displaystyle \phi '(t),\phi _{1}(t),\ldots \psi _{2}(t)} 是關於 t {\displaystyle t} 的冪級數,它們是 t 0 {\displaystyle t_{0}} 鄰域內的正則函式,因此行列式可以展開成關於 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 的冪級數,對於 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 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 A {\displaystyle A} 的情況下切割該曲線,那麼,在對 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 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 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} ,則量 v , p , q {\displaystyle v,p,q} 分別等於 v 2 , p 2 , q 2 {\displaystyle v_{2},p_{2},q_{2}} ,而量 v 1 , p 1 , q 1 {\displaystyle v_{1},p_{1},q_{1}} 等於 v 3 , p 3 , q 3 {\displaystyle v_{3},p_{3},q_{3}} 。
在這種情況下,行列式具有以下形式
| 0 a b c 0 a 1 b 1 c 1 a 0 b c a 1 0 b 1 c 1 | {\displaystyle {\begin{vmatrix}0&a&b&c\\0&a_{1}&b_{1}&c_{1}\\a&0&b&c\\a_{1}&0&b_{1}&c_{1}\end{vmatrix}}}
它恆等於零。因此,關於 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 的冪級數將對於 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 消失,無論 k {\displaystyle k} 的值為多少;因此,該級數可被 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 整除。
因此,當行列式被 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 除以後,對於值 t = t 0 {\displaystyle t=t_{0}}
19 ) [ d Θ ( t , t 0 ) d t ] t = t 0 + ( t − t 0 , k ) t = t 0 = 0 {\displaystyle 19)\qquad \left[{\frac {{\text{d}}\Theta (t,t_{0})}{{\text{d}}t}}\right]_{t=t_{0}}+(t-t_{0},k)_{t=t_{0}}=0}
我們在第 128 和 129 條中看到
Θ ( t , t 0 ) = θ 1 ( t 0 ) θ 2 ( t ) − θ 2 ( t 0 ) θ 1 ( t ) {\displaystyle \Theta (t,t_{0})=\theta _{1}(t_{0})\theta _{2}(t)-\theta _{2}(t_{0})\theta _{1}(t)}
以及
θ 1 ( t ) θ 2 ′ ( t ) − θ 2 ( t ) θ 1 ′ ( t ) = C F 1 ( t ) {\displaystyle \theta _{1}(t)\theta _{2}'(t)-\theta _{2}(t)\theta _{1}'(t)={\frac {C}{F_{1}(t)}}}
如果 t ′ {\displaystyle t'} 是 t 0 {\displaystyle t_{0}} 的共軛點,使得
Θ ( t , t 0 ) = θ 1 ( t 0 ) θ 2 ( t ′ ) − θ 2 ( t 0 ) θ 1 t ′ ) = 0 {\displaystyle \Theta (t,t_{0})=\theta _{1}(t_{0})\theta _{2}(t')-\theta _{2}(t_{0})\theta _{1}t')=0}
那麼我們可以得出
θ 1 ( t ′ ) = λ θ 1 ( t 0 ) θ 2 ( t ′ ) = λ θ 2 ( t 0 ) {\displaystyle \theta _{1}(t')=\lambda \theta _{1}(t_{0})\qquad \theta _{2}(t')=\lambda \theta _{2}(t_{0})}
其中 λ {\displaystyle \lambda } 是一個非零常數。
我們進一步得到,由於
d d t Θ ( t , t 0 ) = θ 1 ( t 0 ) θ 2 ′ ( t ) − θ 2 ( t 0 ) θ 1 ′ ( t ) {\displaystyle {\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\Theta (t,t_{0})=\theta _{1}(t_{0})\theta _{2}'(t)-\theta _{2}(t_{0})\theta _{1}'(t)}
關係
[ d d t Θ ( t , t 0 ) ] t = t ′ = 1 λ C F 1 ( t ′ ) {\displaystyle \left[{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\Theta (t,t_{0})\right]_{t=t'}={\frac {1}{\lambda }}{\frac {C}{F_{1}(t')}}}
不等於零。
因此可以看出 Θ ( t , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t,t_{0})} 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 k {\displaystyle k} 和 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 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 t {\displaystyle t} 的選擇範圍很大,並且常數 α {\displaystyle \alpha } 和 / b e t a {\displaystyle /beta} 可以以多種方式選擇,因此可以給出函式 Θ {\displaystyle \Theta } 的多種形式。嚴格來說,還需要證明方程 Θ ( t , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t,t_{0})} 的解總是導致相同的共軛點,無論 Θ {\displaystyle \Theta } 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。