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变分法/第三章

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第三章:悬链线的性质。

  • 33 概述。
  • 34 悬链线的普遍方程。
  • 35 其切线的几何结构。
  • 36 悬链线的几何结构。
  • 37 当悬链线上的一点及其该点处切线的方向已知时,悬链线是唯一的。
  • 38 悬链线必须存在的界限。
  • 39,40,41 可以通过两个固定点绘制的悬链线的数量。
  • 42 函数 .
  • 43 函数 的讨论。
  • 44 函数 的讨论。
  • 45 对超越方程根的近似几何结构。
  • 46,47,48 函数 的图形表示。
  • 49,50 出现的不同情况和相应的悬链线数量。
  • 50,51,52 每种情况下通过两个固定点的切线交点的定位。
  • 53,54 对两条悬链线的公共切线。
  • 55 具有相同参数且仅在一个点相交的悬链线。
  • 56 林德洛夫定理。
  • 57 对同一个定理的第二个证明。
  • 58,59 讨论旋转最小曲面的几种情况。
  • 60,61 应用于肥皂泡。

第 33 条.
由于林德洛夫和其他作家发现了一些定理,因此在变分法中寻求的一些旋转最小曲面的特征,在悬链线旋转的情况下,可以在不使用该理论的情况下获得。我们将在此给出这些结果,因为当我们来到通过变分法的方法得出的结果时,它们提供了一种方便的比较方法。

在介绍本章的主题时,遵循了施瓦兹教授在柏林的讲座。托德亨特在他的变分法研究中以略有不同的形式推导了这些结果,第 54 页;另见戈德施密特的获奖论文,皇家天文学会月刊,第 12 卷,第 84 页;杰勒特,变分法,1850 年,第 145 页;莫尼奥和林德洛夫,变分法,1861 年,第 204 页;等等。

第 34 条.
取上一章第 30 节中给出的悬链线方程的形式[1]

.

由此立即得出

.

方程的右边是一个单值函数,但左边是一个双值函数。因此有必要定义左边,使其成为对应于右边的单值函数。

如果我们使 ,那么是

因此, 是正数。但当 时,可以看出

然后 是负数。因此, 只有一个根,并且这个根对应于值 。 对应的 值是

此值 能取到的最小值;当 时,为最大值或最小值的条件,且由于 为正,因此 的最小值。此外,由于 始终为正或始终为负,因此 没有最大值。曲线在点 的切线平行于 轴,因为在这个点上 .

第 35 条.
在曲线的每一点,我们有

.

因此,要在悬链线的任意点上作切线,例如在点,作垂线,并以为直径作半圆。然后,以为半径,以为圆心作圆,该圆与半圆交于点;连接。直线即为所求切线。

再有

因此

;

并积分,

其中表示弧长从悬链线的最低点开始测量。

的几何轨迹是一条曲线,它与悬链线的切线垂直相交,因此是该切线系族的 **正交轨迹**。这条轨迹具有一个非凡的性质:在悬链线切线构造中使用的长度为 的垂直线 等,它们本身就是轨迹的切线。

这条轨迹还具有一个非凡的性质:如果我们将它绕 轴旋转,旋转得到的曲面具有恒定的曲率。

此外, 是悬链线的法线,

,并且
,

或者

(见图),

其中 是曲率半径的长度。

第 36 条.
悬链线的几何构造。 取一个等于 的纵坐标。这确定了点 (见图)。以 为圆心,半径等于 ,画一个圆。该圆与 相交于一点 ,假设为。在这个圆的圆周上取一点 ,非常靠近点 ,并画一条线 ,并在这条延长线上取点 ,使得 。以半径 画另一个圆,在这个圆上取一点 ,非常靠近点 ,并画一条线 。在这条延长线上取点 ,使得 ,等等。点 的轨迹即为所求的悬链线。

附图大致显示了悬链线、其渐开线和轨迹的相对位置。

第 37 条.
从上一条看来,当我们知道悬链线上任意一点及其在该点的切线时,悬链线就被完全确定了。这可以通过以下分析来证明

, 为一条直线经过的点,该直线与 轴的夹角的正切值为 。悬链线经过该点并以该直线为切线的条件是

,
.

为了简洁,我们写成 ,使得上述条件变为

.

因此,

;

所以

以及

.

因此我们有

.

由于 都是正数,因此我们可以只取上式中的正号。因此,如果我们写成

,

我们有

,
,

以及

.

此外,由于 对于 的确定值只有一个实数值,所以常数 由以下公式唯一确定:

并且量 唯一确定一条悬链线,该悬链线在点 , 处有该直线作为切线。

第 38 条.
特别地,考虑以 K 轴为对称轴的悬链线,并设两点 在曲线上等高,使得它们的坐标为

由于 ,悬链线的方程现在是:

;

因此

这里我们把 视为常数, 视为变量。

我们希望确定这个最后一个方程是否为 提供了一个或多个实数解。我们看到 时都是无穷大。

此外

,

或者

因此,当 为零时, 为负无穷大;当 为无穷大时,为1;当 从零变为无穷大时,符号只改变一次。 的最小值对应于满足 值。

如果给定的 值大于 的最小值,则存在两个满足[1]的 值;如果给定的 值等于 的最小值,则只有一个 值;如果给定的 值小于 的最小值,则不存在可能的 值。

Moigno 和 Lindelöf 证明了满足

大约为 ;然后从 [1] 得出 ;因此 (见 Todhunter,loc. cit.. 艺术 60)。因此,有两个悬链线满足规定的条件,或者根据 大于、等于或小于 1.50888...,一个或没有。

如果我们写 ,可以看到 是可以通过原点绘制的悬链线的两条切线。

由于比率 无关,因此也遵循所有形式为 的悬链线,它们可以通过改变 推导出,它们具有相同的两条通过原点的切线,接触点为 .

第 39 条.
回到悬链线 ,我们将看到,这里也有三种情况需要我们研究,具体取决于:

  I. 可以通过固定点绘制两条悬链线;

 II. 可以通过这些点绘制一条悬链线;

III. 无法通过这两个点绘制任何悬链线。

我们可以假设 ,我们只需要改变 轴的正负方向;或者我们可以考虑 的情况,其中 关于 坐标的镜像点。

第 40 条.
从悬链线的方程可以得出

,

以及

.

因此

从这个关系可以看出 的符号取决于 。因此,我们也有

第 41 条.
在假设 的情况下,我们首先需要证明在当前讨论中,以下图形是不存在的。我们知道

.

可以从以下事实得出 一定为正数:纵坐标 对应于值 ,并且是一个最小值(参见第 34 条)。假设 。根据假设 ,并且 ,因此 。曲线的形状如图形所示;在区间 之间,存在一个 值,对应于一个大于端点纵坐标的纵坐标 。因此,在该区间内, 必须存在一个最大值。但我们已经证明(第 34 条),y不存在最大值[2]

因此,

,

并且,与公式[I]不同,这里不能有减号,因此,

第 42 条.
从[a]和[b]中消去,并注意到[a]中存在 符号,我们得到了 的两个不同函数,可以写成

,

以及

,

我们将讨论两个超越性质的函数。我们需要检查 关于 是否存在根,即是否能为 赋予正的实数值,以使方程 成立。如果能这样确定 ,我们接下来需要检查从方程 [a] 和 [b] 中导出的 值是否单值。

的一阶导数为

在这个表达式中,右边 为正,同时 为正,并且

为正,如果

因此,在区间 内, 为正。

此外,

.

第 43 条.
还可以看到,在区间 内连续增加,因此 可以取到的最小值。

再者

那么,如果

  I 没有根;

 II. 只有一个根,

III. 存在一个根,.

在悬链线之外;
, 位于悬链线上;
, 位于悬链线内。

这可以通过以下方法证明

;

因为当 , ; 因此,当 , 。我们还有

.

因此

;

其中,当 时取正号,当 时取负号。

我们还有 。将此方程与上面方程 [II] 对比,并注意到图示,可以看出,当

, 则 在悬链线上,
, 则 在悬链线外,
, 则 在悬链线内。

因此,当 时,在区间 内只有一个实根,我们可以过点 画出一条悬链线,其最低点的横坐标为

第 44 条.
讨论 。我们已经看到(第 42 条)

.

因此

.

变化到 时,量 持续减小,因此 变得越来越大。因此,如果表达式 取值为 ,它在从 的区间内只取一次。该表达式确实在这个区间内取值 可以从以下事实看出:对于 ,其中 ,所以 具有负值;但是,对于 ,所以该表达式一定在 的这两个值之间取值零。

的这个值,它满足该方程,因此

这是一个关于 的八次代数方程,或者关于 的四次代数方程。

第 45 条.
对于位于 之间的根的近似几何作图。 图中可以看到三角形 相似,三角形 也是如此;因此,如果 是直线 的长度,我们有

,

以及

.

在两个半圆上取等长线段 ,并延长 直到它们相交,交点轨迹构成一条曲线。这条曲线必须与 轴相交于一点,设为 。注意到

,

由此可知

,

与上面的方程 [A] 对比可知

.

第 46 条.
函数 的图形表示。 长度 轴上测量。等式 [c] 给出 ;也就是说,曲线 在点 处的切线平行于 轴。此外,,因此 轴的负半部分是曲线 的渐近线。该曲线的支线在此为代数的,因为 ,对于 ,是代数无限的。

第 47 条.
接下来考虑曲线 。可以看出 ;同时 ,因此该点处的切线[3] 也平行于 轴。此外, 轴的负半轴是曲线的渐近线;但曲线 的分支在点 是超越的;因为对数出现在该函数在 附近的展开式中,如下所示

,

其中 表示 的正整数升幂的幂级数;因此,该函数在 附近的表现类似于对数。

第 48 条.
我们看到

.

对于值 ,括号内的表达式为零,而当 时,该表达式变为 ,且为负数。如上所述,在区间 ,表达式

越来越大,因此在值 之间,它是负的。

此外, 之间为正,在 之间为负。

因此, 之间递增,在 之间递减;因此, 是最大值。

第 49 条.
我们必须考虑函数 取不同的值时,看看可以在点 之间铺设多少条悬链线。

我们有

情况一。 .

在这种情况下, 处处不为零,并且没有 的根,我们无法使用。此外, 也没有根,因为 并且 ,所以 ,并且没有根(参见第 43 条)。

情况二。

除了 之外的所有 值都使得 为负,因此方程 只有一个根,因此只有一条悬链线。在这种情况下, 永远不可能为零;因为 并且 ,所以,结果类似于情况一。

情况三。

这里有两个悬链线。一个根 位于 之间,并且通常 另一个根位于 之间,从下面可以看出。

以及 .

由于 在区间 中连续增加,它在这个区间内只能取一次值 .

在区间 中, 连续减小,因此如果 ,则在这个区间内没有 的根;但如果 ,则在这个区间内只有一个根,并且在后一种情况下有两个悬链线。

接下来,我们必须考虑 的根。当 时,则 ,因此 没有根。但当 时,则 ;而 有一个根 ,我们刚刚考虑过它。

因此

A) 当 时, 有两个根;当 时, 除属于 的根之外,还有一个根。

B) 但当 时, 只有一个根,它位于 之间;这个根用 表示。

第 50 条.
的公式 (第 42 条) 我们有

.

我们考虑 在区间 内的值;当 时,;当 时,。因此,在这个区间内, 为正,因此 也为正;由于 ,所以可知

另一方面,;由于,我们有。此外,在区间内, 连续递增,并且,因此在区间内, 没有根,而在区间内,有一个根。

因此,在 B) 下, 在区间内有一个根,并且只有一个根,而 之间有一个根,并且只有一个,这使得在 B) 下总共有两个悬链线。

我们有以下总结

没有悬链线;
,一个悬链线;
,两个悬链线。

第 51 条.
关于在点 绘制的悬链线的切线的交点的考虑。

情况 I. 如上所示,没有悬链线,因此对切线的考虑没有意义。

情况二。

这里,悬链线具有一个显著的性质,即在点 绘制的切线在 -轴上相交。为了证明这一点,我们必须回到在点 绘制切线的构造。已知 (第 45 条) 点 位于半圆周 上,使得 (在本例中为 ),然后直线 是所需的切线,它们在 -轴上相交。

情况三。

A) .

然后,正如已经展示的, 有两个根,其中一个位于 之间,另一个位于 之间。让这些根分别为 。对于根 ,我们有

;
.

我们断言,这里在 的切线的交点位于曲线与 轴的另一侧。

为了证明这一点,我们只需要证明

.

这是这样看到的

.

现在,由于区间 内的 为正,并且由于 位于此区间内,因此 为正。因此 为负,因此 为负。

注:在这个考虑中,整个解释取决于根位于区间 内的事实,并且相同的讨论适用于情况 B),其中 ,并且根位于 之间。

第 52 条.
关于根 的考虑。

。当

根位于区间 内,并且这里 在区间内为负;因此 为正,因此

;

所以

;

为了使 位于与曲线相同的 轴的一侧。

。当 时;则根 是方程 的根,因此我们这里需要考虑

在区间 内的符号。

我们已经证明,在这个区间内 是正的,并且由于

是正的,因此可以得出

是负的。因此

.

因此

.

由于 是一个正值,因此,

,

并且交点位于 轴与曲线的同一侧。

第五十三条.
我们已经看到,两条具有相同准线的悬链线最多只能在两个点 相交。如上所述,用 表示这两条曲线的较小参数,用 表示较大的参数。然后可以看到,(参数较小的曲线)从下方向上,穿过 (参数较大的悬链线),并且在穿过 后,再也不会找到出路。因为,考虑曲线 上点 沿着这条曲线移动时的切线 。这条切线一开始必须与 相交,但在顶点处它平行于 轴,显然没有与 公共点。因此,在这两个位置之间的某个位置, 的切线也必须是 的切线,可以看到 有两条公切线,接下来我们将证明它们在准线上相交。

第 54 条.
画出公共切线,并画出曲线 的切线。然后在这两条线之间,我们可以画出无数条具有相同准线的悬链线。其中一条悬链线必须是,因为它与 相切,并且是唯一能够通过 切点画出的悬链线(见第 37 条)。因此, 是这两条曲线的另一个公共切线。

我们还看到,点 超出 与两个公共切线的接触点,而对于,切线的接触点超出。还可以看到,当两条曲线 趋于重合时,不同曲线的公共切线变为单一曲线的切线,分别位于点(见第 51 条)。如果我们将 称为与这条后一条曲线对应的 的值,则有

第 55 条.
假设我们有两个非重合的悬链线,它们具有相同的参数。用以下公式表示它们的方程:

,
.

这两条悬链线仅在一个点相交。因为我们有:

,

所以

,

或者

.

因此

,

因此

,

这些是 _唯一_ 一个点的坐标。

第 56 条.
林德洛夫定理 (1860).

如果我们假设悬链线绕着-轴旋转,以及直线 也绕 -轴旋转,那么悬链线旋转产生的表面积等于两条直线 绕着-轴旋转产生的表面积之和。

假设以 为相似中心(Aehnlichkeits-punkt),曲线 受到拉伸,使得 移动到点 ,而 移动到点 ,距离 很小,假设它等于

那么

.

为了简化,令

表示由 生成的曲面; 表示由 生成的曲面; 表示由 生成的曲面; 表示由 生成的曲面; 表示由悬链线 生成的曲面; 表示由悬链线 生成的曲面。

从应变的性质来看,切线 是新曲线在点 的切线,因此我们可以将 看作曲线 的一个变分。

可以看出

;
;
.

从图中可以看出, 的旋转面是

,

其中 表示二阶的变化。

因此

.

因此

,

因此

,

或者最终

,

这是一个关于一阶微分的正确结果。

以类似的方式

;

因此

;

或者

是一个绝对正确的表达式。

第 57 条.
另一种证明。

我们已经看到

,

以及(参见第 45 条中的图)

;

因此,两个圆锥的表面积分别为

.

悬链线产生的表面积为

.

在悬链线中 (参见第 35 条),因此

其中我们取了 符号与 因为 为负,因此 在[A]中为负。

但从[1]

.

将[B]代入,我们有,在使 后,链绕成曲面的面积为

,

如上所示,这是两个圆锥体表面积的总和。

第 58 条.
Let us consider[4] again the following figure, in which the strain is represented. In order to have a minimum surface of revolution, the curve which we rotate must satisfy the differential equation of the problem. If, then, we had a minimum, this would be brought about by the rotation of the catenary; for the catenary is the curve which satisfies the differential equation. But in our figure this curve can produce no minimal surface of revolution for two reasons: because, drawing tangents (in Art. 59 it is proved that there exists an infinite number) which intersect on the -axis, it is seen that the rotation of is the same as that of the two lines and , as shown above, so that there are an infinite number of lines that may be drawn between and which give the same surface of revolution as the catenary between these points; because between and lines may be drawn which, when caused to revolve about the -axis, would produce a smaller surface area than that produced by the revolution of the catenary. For the surface area generated by the revolution of is the same as that generated by . But the straight lines and do not satisfy the differential equation of the problem, since they are not catenaries. Hence the first variation along these lines is , so that between the points , and , curves may be drawn whose surface of rotation is smaller than that generated by the straight lines and .

上述情况 II 被称为过渡情况,即切线的交点从 轴的一侧移动到另一侧,也没有最小表面,因为,正如已经看到的那样,通过改变量 (第 56 条),有无数个旋转曲面具有相同的面积。

第 59 条.
在情况 III 中,我们有两个 的根,我们称之为 ,其中 。我们首先考虑参数为 的悬链线。此参数满足不等式

曲线的切线方程为

,

其中, 是正在运行的坐标。这条直线与 轴的交点是

,或

,

.

因此,当 时,,当 时,.

另一方面, 始终为正,因此 增加时始终增加,并且切线从 沿着 -轴移动到 ,并且从未两次通过同一个点。因此可以看出,悬链线上 之间的点对有无限多个,使得在这些点对中任一点的切线在 -轴上相交,因此不可能有最小值。这样的点对被称为 *共轭点*。

时,切线在 -轴上方相交,实际上存在最小值,这一点将在后面看到。

第 60 条.
应用。 假设我们有两个大小相同的环,它们连接到同一个轴上,该轴垂直穿过它们的中心。如果这些环的边缘通过一层自由的液体薄膜(肥皂液)连接,那么薄膜会呈现什么形状?

根据物理学定律,薄膜有使自身面积最小化的趋势。因此,只有作为最小表面,薄膜才处于平衡状态。设 的中点。薄膜关于 轴对称,并具有绕 轴旋转的曲面形式,这个曲面是一个旋转抛物面。直线 是生成悬链线的对称轴。从原点到悬链线,作切线 。只有当 位于圆圈边缘之外时,悬链线的生成弧才会没有共轭点,只有在这种情况下,我们才会有一个最小表面和薄膜的稳定平衡位置。

第 61 条.
我们在(第 38 条)中看到,所有具有相同对称轴和相同准线的悬链线都可以放置在两条直线之间,这两条直线相对于准线倾斜的角度约为,并且经过准线和对称轴的交点。所有正在考虑的悬链线都被包含在直线 之内,并且这两条直线作为切线。这些悬链线在它们与 接触点的弧线不会相互交叉。通过角度 内部的任何点 将明显地经过这些弧线之一,并且相同的弧线(由于悬链线的对称轴 )将包含点 ,该点与 关于 对称。弧线 不包含任何共轭点(第九章,第 128 条),因此生成一个旋转的极小曲面。此外,这是经过点 的悬链线的唯一弧线,它生成一个极小曲面。

假设我们最初将两个环接触在一起,然后以相同的速度沿轴线向相反方向推开它们,从点 开始。只要 位于角 内(或者,只要 ),那么 的切线将在 轴的上方相遇,并且存在一个悬链线的弧,它给出旋转的最小表面,薄膜有倾向于占据一个确定的位置并保持在那里。但是,一旦角 等于或大于 ,这种趋势就停止了,薄膜的平衡变得不稳定。事实上(参见第 101 条),现在唯一存在的最小值是由两个环的表面给出的,薄膜已经断裂并进入这种形式。

  1. 在整个讨论中, 轴被视为准线。
  2. 换句话说, 不能大于 并且同时 大于
  3. 当然,距离 是在 轴上测量的。
  4. 另见 Todhunter,变分法的研究,第 29 页。
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