现代控制理论 7-2 变分法求泛函极值问题(上)
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变分法求泛函极值-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以介绍本篇文章的主题和背景,以及变分法在数学和实际应用中的重要性。
概述:变分法是一种用于求解泛函极值的重要数学方法。
泛函是一个对函数进行操作的函数,如积分、微分等运算。
在数学领域,变分法广泛应用于各个领域,包括微分方程、优化问题、控制理论等。
在实际应用中,变分法被广泛用于物理学、工程学、经济学等学科中的模型建立和问题求解。
本篇文章旨在介绍变分法及其在求解泛函极值问题中的应用。
文章将从变分法的基本概念开始,进一步探讨其在求解泛函极值中的具体应用,以及相关的数学原理。
通过对变分法的深入分析和讨论,我们将探索变分法在求解泛函极值中的意义和局限性,并对未来研究方向进行展望。
通过阅读本篇文章,读者将能够了解变分法的基本概念和数学原理,并掌握如何应用变分法求解泛函极值的方法和技巧。
同时,本篇文章还将对变分法在实际应用中的意义和局限性进行讨论,以及未来研究方向的展望,为读者提供更深入的思考和研究的方向。
下一节将介绍本文的结构和各个部分的内容。
1.2 文章结构本文共分为三个主要部分:引言、正文和结论。
每个部分都有特定的目标和内容。
引言部分主要介绍本文的背景、研究意义和目的。
首先,我们将对变分法的基本概念和相关术语进行简要的介绍,以便读者对后续内容有初步的了解。
其次,我们将说明本文的结构和章节安排,帮助读者快速了解文章的整体框架和逻辑。
正文部分是本文的核心内容,主要包括三个小节。
首先,我们将详细介绍变分法的基本概念,包括泛函、变分和变分问题的定义。
然后,我们将探讨变分法在求泛函极值中的应用,介绍一些典型的例子和实际问题。
最后,我们将解释变分法的数学原理,包括欧拉-拉格朗日方程和变分问题的极值条件。
结论部分对本文的主要内容进行总结,并进行进一步的讨论和展望。
首先,我们将对整个文章进行简要回顾,概括出变分法求泛函极值的关键点。
然后,我们将探讨变分法在求泛函极值中的意义和局限性,以及对未来研究方向的展望。
泛函和泛函的极值泛函和泛函的极值泛函是指某一个量,它的值依赖于其它一个或者几个函数。
变分法的基本问题是求解泛函的极值。
作为变分法的简单例题。
考察x,y平面上连接两个定点的所有曲线中,求满足边界条件的任意曲线y(x)中最短曲线。
设P(x,y)和P(x,y)为平面上给定的两点,y(x)为连接两点的任意曲111222 线。
于是,这一曲线的长度为连接P,P2两点的曲线有无数条,每一条曲线都有一个L值与其对应。
满1 足边界条件的(xy)称为容许函数,问题是要从这些曲线,容许函数中找出使得曲线长度L最小的一条。
根据上式,L [y]依赖于y(x),而y(x)是x的函数,因此称y(x)为自变函数;L [y]是倚赖于自变函数的函数,称为泛函。
求解最短程线问题,即在满足边界条件在x=x时, y(x)=y y'(x)= y' 1111在x=x时, y(x)=y y'(x)= y' 2211的函数y(x)中,求使得泛函L [y]为极值的特定函数。
因此 y(x)称为容许函数。
上述问题应用变分法可以概括为求解泛函在边界条件 y(x)=y, y(x)=y2的极小值问题。
112假设函数y(x)是使得泛函L [y]为最小的特定函数(真实的)。
变分法有兴趣研究的是邻近于y(x)的任意容许函数引起泛函L []的改变。
设其中, 为小参数,而, (x)为边界值为零的任意函数。
当x固定时,容许函数与y(x)的差 , y 称为泛函自变函数的变分,即类似地,容许函数的斜率与y(x)斜率的差, y', 称为泛函自变函数斜率的变分,即应该注意 , y 与函数y(x)的微分dy之间的差别,dy是自变量x的改变量dx 引起的y(x)的无穷小增量。
而变分, y 是 y(x)的任意一个微小的改变量。
设泛函增量按泰勒级数展开,则设泛函的增量由泛函的变分表示,有分别定义为泛函的一阶,二阶或k阶变分,分别为, 的一次,二次或者k次齐次式。
泛函极值问题的求解泛函极值问题的求解使用变分法。
泛函极值问题是指在给定约束条件下,求一个泛函的极值。
泛函是一个函数的函数,即输入是函数,输出是一个实数。
假设有一个泛函J[f],其中f是一个函数,我们要求使得J[f]取得极小值或极大值。
解决这个问题的方法是通过变分法,变分法的基本思想是将函数f沿着任意变化,并计算J[f]的变化。
如果变化很小,那么我们可以认为J[f]的变化主要来自于f的变化。
为了使用变分法求解泛函极值问题,需要定义一个变分算子δ,表示函数f的变分。
变分算子的定义如下:δ[f(x)] = εh(x)其中,ε是一个很小的实数,h(x)是一个任意函数。
使用变分算子之后,泛函的变化可以表示为:δJ[f] = J[f + εh(x)] - J[f]对δJ[f]进行展开,再取ε趋近于0的极限,得到以下关系:δJ[f] = 0这个关系成为欧拉方程,它是求解泛函极值问题的基本方程。
根据具体的泛函形式和约束条件,可以使用欧拉方程得到具体的解。
需要注意的是,在变分法中,要求函数f满足一定的边界条件。
边界条件是泛函极值问题中的附加条件,通过这些条件可以得到具有特定特征的解。
总结起来,求解泛函极值问题的步骤如下:1. 定义泛函J[f]以及函数f满足的边界条件;2. 引入变分算子δ并计算δJ[f];3. 使用欧拉方程δJ[f] = 0 求解得到f的表达式;4. 检验解是否满足边界条件,如果不满足,则舍去;5. 找到所有满足边界条件的解,分别计算J[f],选择其中极小值或极大值作为泛函的极值。
需要注意的是,求解泛函极值问题需要具备一定的数学知识和技巧,对欧拉方程的求解以及边界条件的选择都有一定的要求。
因此,在具体求解时可能需要借助一些数学工具和方法。
应用变分法求解最优控制问题()t x x =()[]t J J x =泛函的变分dt xdt 定理10-1返回例2:求泛函的变分tfδJ =∂ J [x + εδx] |ε =0 ∂ε& J = ∫ L[x (t ), x (t ), t ]dtt0解:δJ = ∂ ∂ε=∫tf t0& & ∫ L[x + εδx, x(t ) + εδx, t ]dt |εtf t0=0前页∂ & & L[x + εδx, x(t ) + εδx, t ]dt |ε =0 ∂ε返回t f ⎡ ∂L ∂L ⎤ & = ∫ ⎢ δx + δx ⎥ dt t0 & ∂x ⎦ ⎣ ∂x泛函的极值设 J [x(t)]:Rn→R 是线性赋范空间 Rn 上的连 续泛函,对于与x0(t) 接近的宗量x(t) ,泛函J [x(t)] 的增量:ΔJ = J [x(t )] − J [x 0 (t )] ≥ 0或者ΔJ = J [x(t )] − J [x 0 (t )] ≤ 0则称泛函 J [x(t)]在x0(t)处达到极小值(或极大值)11泛函极值的必要条件定理10-2 定理10-2设 J [x(t)]:Rn→R 是线性赋范空间 Rn 上的 连续可微泛函,且在x0(t)处达到极值,则泛函J [x(t)]在x0(t)处的变分为零:返回δJ [x 0 , δx] = 0返回变分预备定理设g(t) 是[t0, tf]上连续的n 维向量函数,h(t)是 任意的n 维连续向量函数,且 h(t0) = h(tf) = 0。
若满足:∫tft0g T (t )h(t )dt = 0∀t ∈ t0 , t f则必有: g (t ) ≡ 0[]12二、欧拉方程、横截条件 二、欧拉方程、横截条件返回1,无等式约束泛函极值的必要条件2,有等式约束泛函极值的必要条件返回最速降线问题确立一条连结定点A和B的 曲线,使质点m 在重力作用下 从A 滑动到B 所需的时间最短 (忽略摩擦和阻力)。
最大收益:手把手教你解决泛函极值问题泛函极值问题是数学领域的一个热门话题,近年来受到越来越多的关注。
其实,泛函极值问题也是一道数学问题,主要是针对对应一些映射关系的函数中,找到最大(最小)值点的问题。
本文将介绍泛函极值问题的相关知识点和解决方法。
首先,我们需要了解的是泛函的概念。
泛函是一类将元素集合映射成某个数域上的元素的映射函数,其中元素集合可以是一个函数空间或若干个函数空间的笛卡尔积。
泛函可以看作是一种从函数空间到数域上的函数映射,常用于函数空间中的极值问题。
接下来,我们来讲解一下泛函求最值的方法。
通常情况下,我们使用变分法进行求解。
变分法,又叫变分原理,是一种数学、力学、物理用于求解函数极值问题的方法,是一种求变分的极值,即求泛函的最小值的方法,是泛函分析的基本工具。
使用变分法求解泛函极值问题,通常需要先写出泛函和变分定义式,再对变分定义式进行接下来的运算,求解出泛函极值。
具体步骤为:
1.将泛函用变分定义式进行表达
2.对变分定义式进行展开和简化
3.利用变分定义式求一阶变分
4.把一阶变分代入变分定义式
5.消去高阶无穷小
6.得到泛函极值条件
通过以上步骤,我们可以使用变分法轻松解决泛函极值问题。
总的来说,泛函极值问题是一道比较困难的数学问题,需要我们结合数学知识和实际应用场景进行解决。
通过本文的介绍,相信读者们能够深入了解泛函极值问题的相关概念和解决方法,进而提升自己的求解能力。
§ 7.2 泛函极值与变分法变分法是解决泛函极值的基本方法。
1. 泛函例 指标 0[(),(),]d [()]Tt J F x t u t t t S x T =+⎰的值依()x t 、0(),[,]u t t t T ∈是函数的函数 泛函 ()x t 和()u t 作为泛函的“自变量”,称为泛函的宗量例7.1 最短弧长问题:设()y y x =过11(,())A x y x 和22(,())B x y x若()y x 连续可微,则 2121d x x J yx =+⎰,(7.5) 是()y x 的泛函. 2. 泛函极值 设 (())J J y x =,(){}y x Y ∈=函数集若有y Y *∈,使()min ()y YJ y J y ∈*=或()max ()y YJ y J y ∈*=,则称泛函J 有极小值或极大值。
xo y))(,(22x y x B ))(,(11x y x A ∙∙)(x y 7.1图3. 变分 ≈函数的微分 宗量变分:在()y x 处的增量()()()y x yx y x δ=- Ox()y x ()y x ()yx ()()()y x yx y x δ =-O x泛函增量:[()][()]J J yx J y x ∆=- [()()][()]J y x y x J y x δ=+-泛函变分: 若[(),()][(),()],J L y x y x r y x y x ∆δδ=+式中:[(),()]L y x y x δ是()y x δ的线性连续泛函,即[(),()][(),()]L y x k y x k L y x y x δδ⋅=⋅ [(),()]r y x y x δ是()y x δ的高阶无穷小项,则称泛函J 是可微的,而称[(),()]L y x y x δ为泛函的变分,记为[(),()]J L y x y x δδ=。
引理7.1 若泛函可微,则变分[]()()a J J y x a y x aδδ=∂=+∂.证[]0()()a J y x a y x aδ=∂+∂0lima Ja∆→=00[(),()][(),()]lim lim a a L y x a y x r y x a y x a aδδ→→=+00[(),()][(),()]lim lim ()()[(),()]a a aL y x y x r y x a y x y x a a y x L y x y x J δδδδδδ。
第二章 泛函极值及变分法(补充内容)2.1 变分的基本概念2.1.1 泛函和变分泛函是一种广义的函数,是指对于某一类函数{y (x )}中的每一个函数y (x ),变量J 有一值与之对应,或者说数J 对应于函数y (x )的关系成立,则我们称变量J 是函数y (x )的泛函,记为J [y (x )]。
例1:如果表示两固定端点A (x A ,y A ),B (x B ,y B )间的曲线长度J (图2.1.1),则由微积分相关知识容易得到:dx dx dy J BAx x ⎰+=2)/(1 (2.1.1)显然,对于不同的曲线y (x ),对应于不同的长度J ,即J 是函数y (x )的函数,J =J [y (x )]。
图2.1.1 两点间任一曲线的长度例2:历史上著名的变分问题之一——最速降线问题,如果2.1.2所示。
设在不同铅垂线上的两点P 1与P 2连接成某一曲线,质点P 在重力作用下沿曲线由点P 1自由滑落到点P 2,这里不考虑摩擦作用影响,希望得到质点沿什么样的曲线滑落所需时间最短。
图2.1.2 最速降线问题选取一个表示曲线的函数y (x ),设质点从P 1到P 2沿曲线y =y (x )运动,则其运动速度为:dsv dt ==其中,S 表示曲线的弧长,t 表示时间,于是:dt =设重力加速度为g ,则gy v 2=。
因为P 1和P 2点的横坐标分别为x 1到x 2,那么质点从P 1到P 2所用时间便为:1[()]x x J y x =⎰211/2211[()]2[()()]x x y x dx g y x y x ⎧⎫'+=⎨⎬-⎩⎭⎰(2.1.2)则最速降线问题对应于泛函J [y (x )]取最小值。
回顾函数的微分:对于函数的微分有两种定义: 一种是通常的定义,即函数的增量:),()()()(x x x x A x y x x y y ∆+∆=-∆+=∆ρ (2.1.3) 其中A (x )与∆x 无关,且有∆x →0时ρ(x ,∆x )→0,于是就称函数y (x )是可微的,其线性部分称为函数的微分()()dy A x x y x x '=∆=∆,函数的微分就是函数增量的主部。
(t x x= ([]tJJ x=ty泛函的变分e ecaccatc([]([]00≥−=Δt J t J J x x ([]([]0 0≤−=Δt J t J J x xcay HOT ⎤+⎥⎥⎦0fTt t L dt δ∂⎛⎞=⎜⎟∂⎝⎠∫x x ∫⎟⎠⎞⎜⎝⎛∂∂−f t t T dt L dt d 0x xδ&(例3:设有泛函J [x] = ∫0 极值的极值轨线 x*(t 已知边界条件 x(0=0,x(π/2=2。
求使J [x]达到 & & 解:L(x, x = x (t − x (t 2 2 欧拉方程c ∂L d ∂L − =0 & ∂x dt ∂x e a 。
π 2 & [x (t − x (t ]dt 2 2 返回x * (t = 2 sin t J* = ∫ =∫ π 2 2 0 & [x (t − x (t ]dt 2 2 ∂L =−2 x ∂x π 2 0 x + && = 0 x d ∂L ∂L = && 2x =x ⇒ 2& & & dt ∂x ∂x 特征方程: r 2 + 1 = 0 x* (t = C1 cos t + C2 sin t 提醒:r1, 2 = α ± iβ x(t = eαt (C1 cos βt +C2 sin βt 横截条件 x(0=0,x(π/2=2 x(0=0,x(π/2=2 x * (t = 2 sin t t ds y c J* = ? dx = 4∫ [cos t − sin t ]dt = 4 ∫ [2 cos t − 1]dt π 2 2 2 0 c π 2 0 [(2 cos t − (2 sin t ]dt 2 2 e a π 2 0 ∫ π 2 0 cos 2 tdt 1 + cos 2t dt 2 前页=∫ π 2 0 π 2 1 π2 = ⎛ ∫ dt + ∫ cos 2tdt ⎞⎜⎟ 0 ⎠ 2⎝ 0 换元积分= = = 8∫ π 2 0 cos tdt − 4 ∫ 2 dt = 2π − 4 =0 π 2 1 π2 1 π dt + ∫ cos 2td ( 2t 2 ∫0 4 0 1 π2 1 = t |0 + sin 2t |π 2 0 2 4 = π 4 +0 t t0 y c tf 1 π cos udu 2 ∫0 例4:求平面上两固定点连线最短的曲线。