姬扬：力学教学笔记之变分法

weixin

亢龙有悔，盈不可久也。

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我觉得，力学中用到的数学方法就只有三个半。

• 首先是变分法，当然也就包括了微积分，单变量的和多变量的。变分法可以从最小功原理重新推导出整个牛顿力学，还可以推广到光学、电磁学乃至量子力学，其实，朗道讲义就是这么做的。
• 其次就是微扰论，当然也就包括了各种近似算法。精确解是很少的，你要知道怎么在精确解的基础上进行外推。海王星就是这么发现的，最近预言的太阳系第九大行星(不是冥王星!)也正在等待验证。
• 第三个就是混沌理论，即非线性动力学。相似的原因导致相似的结果?错!拉普拉斯的梦想?永远都只是梦想了!
• 最后的半个是狭义相对论，也就是时空变换方法。爱因斯坦改变了我们的时空观，但是力学里确实用得不多。
  

我们谈谈变分法，介绍几个最简单的极值问题，最后是拉格朗日方程——从另一种观点来看力学。

先从微积分讲起。微积分最关键的一点就是，如果我们知道了某个函数y=f(x)在x0处的数值，如果推断它附近的一点x0+δx处的数值。搞物理的都是这么猜的，二者的差别是：

其中的f′(x0)就是所谓的一阶导数了。然后，我们就把余量(也就是省略号的部分)直接去掉了，至于说这么做合不合法，有多大误差，那就是数学家的事情了。如果这两者的差别为零，也就是说f′(x0)=0，这就是极值条件。光的反射定律和折射定律可以从光程最短原理得到(费马原理)，用微分求极值的方法很容易证明，可是，你真的试过用几何方法证明吗？Try it。

上面就是单变量微积分的全部内容。多变量微积分与此相似，只不过现在的函数有好几个自变量。随便举个例子吧。函数z=f(x,y)在(x0,y0)和(x0+δx,y0+δy)处的差别就是：

其中，f′x和f′y就是所谓的偏微分∂f/∂x和∂f/∂y。然后就可以用它去求解多变量的极值问题了。至于说合不合法、误差有多大，还是那句话，不关我们的事儿，都拜托数学家了。

变分法是泛函分析里的方法。简单地说，也是求某个函数的极值，但特殊的是，这个函数的自变量也是个函数。比如说

其中，A和B是积分的起点和终点。积分的结果就是一个数，具体的数值依赖于函数y=f(x)。 如果某个函数y能够使得这个积分(或者说“泛函”)取到极值，那就意味着，任何与此函数的微小差别η，改变量都是零。也就是说

对括号里进行形式上的微分(类似于上一段中对偏微分的处理)，可以得到

上面用到了分部积分公式d(PQ)=PdQ+QdP，以及η在A和B处的取值都是0。

因为η是任意的足够小的函数，所以，必然得到如下偏微分方程

也就是说：

这就是变分法得到的拉格朗日方程。

如果选取

就可以得到“两点之间的最短距离是直线段”；

选取

就可以得到最速降线的微分方程，最后求出它是个旋轮线；

如果选取F=L=T−U，这就是力学的拉格朗日方程，L就是所谓的拉格朗日量，而T和U分别是系统的动能和势能。利用拉格朗日方程，很容易求出行星轨道、简谐振动、对称陀螺定点旋转等问题的微分方程和各种守恒量。实际上，机械能守恒、动量守恒、角动量守恒等都可以从拉格朗日方程中得到，分别对应于时间、空间和空间方向的无差别性(拉格朗日量中不显含相应的变量)。

我觉得，这就是微积分和变分法的要义。再说一遍，不要觉得我们懒、偷奸耍滑，我们只是没有时间，合法性和余量分析这种问题，要有好几门课、几百个课时、各种定理和习题才能掌握的，我们这里只能是提一提

这些做法并不严谨，但是有助于你找到解决问题的思路。在真的需要严格处理的时候，当然应该“战战兢兢，如临深渊，如履薄冰”，不然你就会

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进则亢龙有悔，退则蒺藜生庭，冀此求安，未知其福。

——《晋书·王豹传》

PS：

“乐不可极，志不可满”。一日而写三篇教学笔记，不亦多乎?

原文链接：http://blog.sciencenet.cn/blog-1319915-1013924.html。