第七章:消除某些限制。微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 在第一章问题的积分。
96 曲线可能由有限个正则轨迹组成,而不是单个正则轨迹。
97 F {\displaystyle F} 关于 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 的一阶导数对曲线 G = 0 {\displaystyle G=0} 以连续方式变化,即使曲线的方向发生突然变化。
98 前一篇文章中给出的结果的解释。
99 总结。
100 第一章问题 I 的微分方程解。
101 ,102 不连续解。
103 对于问题 II,文章 9 中求解的方程 G = 0 {\displaystyle G=0} .
104 两个固定点必须位于摆线的同一个环上。
105 经过两点可以画出一条且只有一条摆线环,它不包含尖点。
106 问题 III. 表面上的最短线问题。
107 用不同的方法推导出相同的结果。
108 问题 IV. 提供最小阻力的旋转曲面。
109 ,110 对于第一章问题 IV,方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的解。
第 96 条 . 在推导第五章公式时,假设所考虑的曲线段在其整个轨迹中以连续的方式改变其方向;也就是说, x ′ {\displaystyle x'} , y ′ {\displaystyle y'} 以连续的方式变化。我们现在只假设曲线由正则曲线段组成;因此,切线不必在曲线的每个点都连续变化。然后,可以如下所示,每个曲线段都必须满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 。因为如果曲线由两个正则曲线段 A C {\displaystyle AC} 和 C B {\displaystyle CB} 组成,那么在 A B {\displaystyle AB} 的所有可能变分中,存在 C B {\displaystyle CB} 保持不变而只有 A C {\displaystyle AC} 发生变化。
如上所述,我们得出结论,这部分曲线必须满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 。 C B {\displaystyle CB} 也是如此。
我们现在可以取消曲线由一个正则轨迹组成的限制,并假设它由有限个正则轨迹组成。
第 97 条 . 假设函数 F {\displaystyle F} 不显式包含变量 x {\displaystyle x} ,因此 ∂ F ∂ x = 0 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x}}=0} 。 让我们不用方程 G = 0 {\displaystyle G=0} ,而是采用 G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,即
∂ F ∂ x − d d t ∂ F ∂ x ′ = 0 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}{\frac {\partial F}{\partial x'}}=0} .
由此可得
∂ F ∂ x ′ = constant {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\text{ constant}}} ,
此常数与 t {\displaystyle t} 无关;但是,我们 *先验* 地不知道 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 在 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 不连续点处不会发生突变。因此,对微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 进行积分来说,以下定理更为重要。
即使 x ′ {\displaystyle x'} 、 y ′ {\displaystyle y'} ,以及由此得到的曲线的走向,在某些点上发生突然变化,但对于 G = 0 {\displaystyle G=0} 的整条曲线上,量 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 、 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 以连续的方式变化。
如果曲线中存在间断点 t ′ {\displaystyle t'} ,那么在 t ′ {\displaystyle t'} 两侧,我们取点 τ {\displaystyle \tau } 和 τ ′ {\displaystyle \tau '} ,以使在部分 τ … t ′ {\displaystyle \tau \ldots t'} 和 t ′ … τ ′ {\displaystyle t'\ldots \tau '} 中,曲线的方向没有其他间断点。然后,曲线的可能变化也是一种变化,其中 t 0 … τ {\displaystyle t_{0}\ldots \tau } 和 τ ′ … t 1 {\displaystyle \tau '\ldots t_{1}} 保持不变,而 τ … τ ′ {\displaystyle \tau \ldots \tau '} 仅部分 τ … τ ′ {\displaystyle \tau \ldots \tau '} 发生变化。这里,点 τ {\displaystyle \tau } 和 τ ′ {\displaystyle \tau '} 被认为是固定的,而 t ′ {\displaystyle t'} 则会进行任何类型的滑动。
积分的变化
I = ∫ t 0 t 1 F ( x , y , x ′ , y ′ ) d t {\displaystyle I=\int _{t_{0}}^{t_{1}}F(x,y,x',y')~{\text{d}}t} ,
然后仅取决于积分总和的变化
∫ τ t ′ F ( x , y , x ′ , y ′ ) d t + ∫ t ′ τ ′ F ( x , y , x ′ , y ′ ) d t {\displaystyle \int _{\tau }^{t'}F(x,y,x',y')~{\text{d}}t+\int _{t'}^{\tau '}F(x,y,x',y')~{\text{d}}t} .
由于此表达式的第一个变分必须消失,我们必然有(第 79 节)
0 = ∫ τ t ′ G ( y ′ ξ − x ′ η ) d t + ∫ t ′ τ ′ G ( y ′ ξ − x ′ η ) d t + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] τ t ′ + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] t ′ τ {\displaystyle 0=\int _{\tau }^{t'}G(y'\xi -x'\eta )~{\text{d}}t+\int _{t'}^{\tau '}G(y'\xi -x'\eta )~{\text{d}}t+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{\tau }^{t'}+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{t'}^{\tau }} .
由于整个曲线上的 G = 0 {\displaystyle G=0} ,因此
[ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] τ t ′ + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] t ′ τ = 0 {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{\tau }^{t'}+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{t'}^{\tau }=0} .
量 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 在固定点 τ {\displaystyle \tau } 和 τ ′ {\displaystyle \tau '} 都为零;并且,如果我们用
[ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ − {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{-}} 和 [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ + {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{+}} 表示,当我们从点 τ {\displaystyle \tau } 或 τ ′ {\displaystyle \tau '} 接近点 t ′ {\displaystyle t'} 时,量 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 可能取到的值,
上面的表达式变为
( [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ − − [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ + ) ( ξ ) ′ + ( [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ − − [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ + ) ( η ) ′ = 0 {\displaystyle \left(\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{-}-\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{+}\right)(\xi )'+\left(\left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{-}-\left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{+}\right)(\eta )'=0} ,
其中 ( ξ ) ′ {\displaystyle (\xi )'} 和 ( η ) ′ {\displaystyle (\eta )'} 是 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 在点 t ′ {\displaystyle t'} 处的取值。由于量 ( ξ ) ′ {\displaystyle (\xi )'} 和 ( η ) ′ {\displaystyle (\eta )'} 是完全任意的,因此,上述表达式中它们的系数必须分别消失,从而
[ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ − = [ ∂ F ∂ x ′ ] t ′ + {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{-}=\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\right]_{t'}^{+}} 和 [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ − = [ ∂ F ∂ y ′ ] t ′ + {\displaystyle \left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{-}=\left[{\frac {\partial F}{\partial y'}}\right]_{t'}^{+}} ;
也就是说,量 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 和 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 通过从曲线的某个规则部分到另一个规则部分的过渡以连续的方式变化,即使 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 在这一点上发生了突然变化。
这是一个新的必要条件,用于积分 I {\displaystyle I} 存在最大值或最小值,它不依赖于微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的性质。
第 98 条 . 自然而然地会产生这样的问题:函数 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} , ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} ,它们依赖于 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} ,以连续的方式变化,即使 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 经历了间断? 为了回答这个问题,我们可以说这些函数的组合具有特殊性质,即,包含 x ′ {\displaystyle x'} , y ′ {\displaystyle y'} 的项乘以在所考虑的点处消失的函数。在第 100 条中讨论的例子中,这一点更加清楚。该定理在确定常数方面至关重要。在上一篇文章的特殊 dp 情况下,其中 ∂ F ∂ x ′ = {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}=} 常数,很明显,该常数对于曲线的任何点都必须具有相同的值。该定理也可以在许多情况下用来证明曲线的方向在任何地方都不会以不连续的方式改变,因此它不包含多个规则部分,而是一个单一的规则轨迹。这一点在接下来的例子中也有说明(第 100 条及其后续部分)。
第 99 条 . 这里可以总结一下,通过第一个变分消失作为积分 I {\displaystyle I} 存在最大值或最小值的必要条件所获得的内容
1) 提供最大值或最小值的曲线必须满足微分方程
G ≡ ∂ 2 F ∂ x ∂ y ′ − ∂ 2 F ∂ y ∂ x ′ + F 1 ( x ′ d y ′ d t − y ′ d x ′ d t ) = 0 {\displaystyle G\equiv {\frac {\partial ^{2}F}{\partial x\partial y'}}-{\frac {\partial ^{2}F}{\partial y\partial x'}}+F_{1}\left(x'{\frac {{\text{d}}y'}{{\text{d}}t}}-y'{\frac {{\text{d}}x'}{{\text{d}}t}}\right)=0} ,
或者,等价地,这两个方程
G 2 ≡ ∂ F ∂ x − d d t ( ∂ F ∂ x ′ ) = 0 {\displaystyle G_{2}\equiv {\frac {\partial F}{\partial x}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\left({\frac {\partial F}{\partial x'}}\right)=0} , G 2 ≡ ∂ F ∂ y − d d t ( ∂ F ∂ y ′ ) = 0 {\displaystyle G_{2}\equiv {\frac {\partial F}{\partial y}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}\left({\frac {\partial F}{\partial y'}}\right)=0} ;
2) 函数 F {\displaystyle F} 关于 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 的两个导数必须以连续的方式变化,即使在曲线方向不连续变化的点上也是如此。
为了确定通过方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 确定的曲线是否提供最大值或最小值,我们必须研究第五章中 Δ I {\displaystyle \Delta I} 的二阶项。然而,为了阐明已经写下的内容,我们可以将我们的推论应用到一些已经提出的问题上。
\begin{center}第一章问题中微分方程 G=0 的解
第 100 条 . 让我们考虑第 7 条中的问题 I。我们需要最小化的积分是
S 2 π = ∫ t 0 t 1 y x ′ 2 + y ′ 2 d t {\displaystyle {\frac {S}{2\pi }}=\int _{t_{0}}^{t_{1}}y{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}~{\text{d}}t} . [1] {\displaystyle \qquad {\text{[1]}}}
因此
F = y x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle F=y{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} , [2] {\displaystyle \qquad {\text{[2]}}}
因此
∂ F ∂ x ′ = y x ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {yx'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} ; ∂ F ∂ y ′ = y y ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial y'}}={\frac {yy'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} . [3] {\displaystyle \qquad {\text{[3]}}}
由此可见, ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 和 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 与曲线上任何点 x ( t ) {\displaystyle x(t)} , y ( t ) {\displaystyle y(t)} 的切线方向余弦成正比; 而且,由于 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} 和 ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 必须在所有地方以连续的方式变化,因此曲线的方向也必须在所有地方以连续的方式变化,除了 y = 0 {\displaystyle y=0} 的情况。但数量 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 如果 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 不连续,则以不连续的方式变化; 然而,同时, y {\displaystyle y} 等于零,正如以下图形中更清楚地看到的那样。
由于 F {\displaystyle F} 不包含 x {\displaystyle x} *显式*,我们可以使用以下公式
G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,或者 ∂ F ∂ x ′ = y x ′ x ′ 2 + y ′ 2 = β {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {yx'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}=\beta } , [4] {\displaystyle \qquad {\text{[4]}}}
其中 β {\displaystyle \beta } 是积分常数。因此
y 2 ( d x d t ) 2 = β 2 [ ( d x d t ) 2 + ( d y d t ) 2 ] {\displaystyle y^{2}\left({\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}\right)^{2}=\beta ^{2}\left[\left({\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}t}}\right)^{2}+\left({\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}t}}\right)^{2}\right]} 。 [5] {\displaystyle \qquad {\text{[5]}}}
该方程的解是悬链线
x = α + β t {\displaystyle x=\alpha +\beta t} , y = β 2 ( e t + e − t ) , {\displaystyle \qquad y={\frac {\beta }{2}}(e^{t}+e^{-t}),} [6] {\displaystyle \qquad {\text{[6]}}}
其中 α {\displaystyle \alpha } 是第二个任意常数。
第 101 条 . 一个不连续解 。如果我们取弧 s {\displaystyle s} 作为自变量而不是变量 t {\displaystyle t} ,曲线的微分方程是
y d x d s = β {\displaystyle y{\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}=\beta } .
Suppose that β = 0 {\displaystyle \beta =0} , which value it must retain within the whole interval t 0 … t 1 {\displaystyle t_{0}\ldots t_{1}} . Further, since y ≠ 0 {\displaystyle y\neq 0} at the point P 0 {\displaystyle P_{0}} . it dx follows that d x d s = cos ( ϕ ) = 0 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}=\cos(\phi )=0} (where ϕ {\displaystyle \phi } is the angle which the tanas gent makes with the X {\displaystyle X} -axis), and that cos ( ϕ ) {\displaystyle \cos(\phi )} must remain zero until y = 0 {\displaystyle y=0} ; that is the point which describes the curve must move along the ordinate P 0 M 0 {\displaystyle P_{0}M_{0}} to the point M 0 {\displaystyle M_{0}} . At this point d x d s {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}} cannot, and must not, equal zero if the point is to move to P 1 {\displaystyle P_{1}} . Hence, at M 0 {\displaystyle M_{0}} there is a sudden change in the direction of the curve, as there is again at the point M 1 {\displaystyle M_{1}} . The curve giving the minimum surface of revolution is consequently, in this case, offered by the irregular trace P 0 M 0 M 1 P 1 {\displaystyle P_{0}M_{0}M_{1}P_{1}} . The case where β = 0 {\displaystyle \beta =0} may be regarded as an exceptional case. The unconstrained lines P 0 M 0 {\displaystyle P_{0}M_{0}} and P 1 M 1 {\displaystyle P_{1}M_{1}} , i.e. , x = x 0 {\displaystyle x=x_{0}} and x = x 1 {\displaystyle x=x_{1}} satisfy the condition G = 0 {\displaystyle G=0} , since y ′ G = G 1 {\displaystyle y'G=G_{1}} , and for these values G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ; also for these lines, y ≠ 0 {\displaystyle y\neq 0} . But G ≠ 0 {\displaystyle G\neq 0} for the restricted portion M 0 M 1 {\displaystyle M_{0}M_{1}} and is, in fact, equal to 1.
第 102 条 . 我们可以证明,两个纵坐标和 X {\displaystyle X} 轴的截线给出一个最小值。当我们证明所有允许的变形的第一变分都是正 的时,这一点就一目了然。这个问题是第 79 条的特殊情况。
第一变分可以分解成几个部分(参见第 79 条和第 81 条)
δ I = − ∫ M 0 P 0 G w N d s + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] M 0 P 0 − ∫ M 1 M 0 G w N d s + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] M 1 M 0 − ∫ P − 1 M 1 G w N d s + [ ∂ F ∂ x ′ ξ + ∂ F ∂ y ′ η ] P 1 M 1 {\displaystyle \delta I=-\int _{M_{0}}^{P_{0}}Gw_{N}~{\text{d}}s+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{M_{0}}^{P_{0}}-\int _{M_{1}}^{M_{0}}Gw_{N}~{\text{d}}s+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{M_{1}}^{M_{0}}-\int _{P-1}^{M_{1}}Gw_{N}~{\text{d}}s+\left[{\frac {\partial F}{\partial x'}}\xi +{\frac {\partial F}{\partial y'}}\eta \right]_{P_{1}}^{M_{1}}} .
因为,现在所有边界项都为零
∂ F ∂ x ′ = y ′ x x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {y'x}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} , ∂ F ∂ y ′ = y y ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial y'}}={\frac {yy'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} ,
因此,两者在点 M 0 {\displaystyle M_{0}} 和 M 1 {\displaystyle M_{1}} 为零,而 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 在 P 0 {\displaystyle P_{0}} 和 P 1 {\displaystyle P_{1}} 为零。在第一个和第三个积分中 G = 0 {\displaystyle G=0} ;在第二个中,此函数等于 1,并且如果我们反转限制, d s {\displaystyle {\text{d}}s} 为正, w N {\displaystyle w_{N}} 也是。因此,第一个变分 δ I {\displaystyle \delta I} 始终为正 。
当任意常数 < β ≠ 0 {\displaystyle <\beta \neq 0} 时,曲线包含一条位于 X {\displaystyle X} 轴完全上方的规则轨迹。需要进一步调查才能确定这条曲线何时真正提供最小值。
第 103 条 . 在第二个问题(第 9 条)中,我们有关于下降时间的积分:
T = ∫ t 0 t 1 x ′ 2 + y ′ 2 4 g y + α 2 d t {\displaystyle T=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\frac {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}~{\text{d}}t} 。 [1] {\displaystyle \qquad {\text{[1]}}}
为了使此表达式实际上表达下降时间(时间和因此增量 d t {\displaystyle {\text{d}}t} 本质上是一个正量),积分符号下出现的两个根必须始终具有相同的符号。由于 4 g y + α 2 {\displaystyle {\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}} 始终可以取正值,因此, x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 在间隔 T 0 … t 1 {\displaystyle T_{0}\ldots t_{1}} 内必须为正。
然而,如果我们用 x {\displaystyle x} 和 y {\displaystyle y} 表示为 t {\displaystyle t} 的函数,那么 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 可能在区间 t 0 … t 1 {\displaystyle t_{0}\ldots t_{1}} 内的某个 t {\displaystyle t} 值同时变为零。在这种情况下,曲线在对应于该 t {\displaystyle t} 值的点 x {\displaystyle x} , y {\displaystyle y} 处有一个奇点,此时运动点的速度为零。
假设这种情况发生在 t = t ′ {\displaystyle t=t'} 时,且对应的点为 x 0 {\displaystyle x_{0}} , y 0 {\displaystyle y_{0}} ,因此我们有
x = x 0 + a ( t − t ′ ) m + ⋯ {\displaystyle x=x_{0}+a(t-t')^{m}+\cdots } , y = y 0 + ( t − t ′ ) m + ⋯ {\displaystyle \qquad y=y_{0}+(t-t')^{m}+\cdots } ,
其中 m ≥ 2 {\displaystyle m\geq 2} ,且 a {\displaystyle a} 和 b {\displaystyle b} 中至少有一个不为零。
那么有
x ′ 2 + y ′ 2 = m 2 ( a 2 + b 2 ) ( t − t ′ ) 2 ( m − 1 ) + ⋯ {\displaystyle x'^{2}+y'^{2}=m^{2}(a^{2}+b^{2})(t-t')^{2(m-1)}+\cdots } ,
以及
x ′ 2 + y ′ 2 = m a 2 + b 2 ( t − t ′ ) m − 1 + ⋯ {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}=m{\sqrt {a^{2}+b^{2}}}(t-t')^{m-1}+\cdots } .
这里我们假设 a 2 + b 2 {\displaystyle {\sqrt {a^{2}+b^{2}}}} 为正。
如果现在 m {\displaystyle m} 是奇数,那么对于 t − t ′ {\displaystyle t-t'} 的小值,右边表达式为正,因此 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 始终为正。
相反,如果 m {\displaystyle m} 是偶数,例如等于 2,则曲线在点 x 0 {\displaystyle x_{0}} , y 0 {\displaystyle y_{0}} 处有一个尖点 ,因为这里 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 有正值或负值,取决于 t > t ′ {\displaystyle t>t'} 还是 t < t ′ {\displaystyle t<t'} 。
因此,如果上面的积分要表示时间, x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 不能总是被设为同一个 t {\displaystyle t} 级数,而必须在经过尖点 后被设为级数的相反值。因此,我们只考虑没有奇点的曲线的一部分。
在问题中,我们经常需要做出这样的限制,否则积分就没有确切的意义。因此,有了这个假设, x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}} 将永远不会等于零。
我们可以写成
F = x ′ 2 + y ′ 2 4 g y + α 2 {\displaystyle F={\frac {\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}} , [2] {\displaystyle \qquad {\text{[2]}}}
因此
∂ F ∂ x ′ = 1 4 g y + α 2 x ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {1}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}{\frac {x'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} , ∂ F ∂ y ′ = 1 4 g y + α 2 y ′ x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial y'}}={\frac {1}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}{\frac {y'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}} . [3] {\displaystyle \qquad {\text{[3]}}}
从这里我们可以得出结论,与第一个例子类似, ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} , ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 与曲线在点 x {\displaystyle x} , y {\displaystyle y} 的切线的指向余弦成正比。由于现在 ∂ F ∂ x ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}} , ∂ F ∂ y ′ {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}} 沿着整条曲线以连续的方式变化,并且,此外, 4 g y + α 2 {\displaystyle {\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}} 具有一个确定的非零值,因此可以得出结论,所求曲线的指向以连续方式变化,或者曲线必须由单个轨迹组成。
同样在这里 F {\displaystyle F} 与 x {\displaystyle x} 无关,因此我们采用微分方程 G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,从中我们得到
∂ F ∂ x ′ = 1 4 g y + α 2 x ′ x ′ 2 + y ′ 2 = C {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial x'}}={\frac {1}{\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}}{\frac {x'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}=C} , [4] {\displaystyle \qquad {\text{[4]}}}
其中 C {\displaystyle C} 是一个任意常数。
如果 C {\displaystyle C} 等于零,那么在曲线 C {\displaystyle C} 的整个范围内, C {\displaystyle C} 必须等于零;因此,由于 4 g y + α 2 {\displaystyle {\sqrt {4gy+\alpha ^{2}}}} 既不为 0 也不为 ∞ {\displaystyle \infty } , x ′ x ′ 2 + y ′ 2 = cos ( α ) {\displaystyle {\frac {x'}{\sqrt {x'^{2}+y'^{2}}}}=\cos(\alpha )} 必须始终等于零;也就是说,曲线必须是一条垂直线。忽略这种显而易见的情况, C {\displaystyle C} 必须具有一个确定的值,对于整条曲线始终相同,并且不等于零。
从 [4] 可以看出
d x 2 = C 2 ( 4 g y + α 2 ) ( d x 2 + d y 2 ) {\displaystyle {\text{d}}x^{2}=C^{2}(4gy+\alpha ^{2})({\text{d}}x^{2}+{\text{d}}y^{2})} ,
或者,如果我们将 4 g {\displaystyle 4g} 吸收进任意常数中,并写成
α 2 4 g = a {\displaystyle {\frac {\alpha ^{2}}{4g}}=a} ,以及 4 g C 2 = c 2 {\displaystyle 4gC^{2}=c^{2}} ,
我们有
d x 2 = c 2 ( y + a ) ( d x 2 + d y 2 ) {\displaystyle {\text{d}}x^{2}=c^{2}(y+a)({\text{d}}x^{2}+{\text{d}}y^{2})} ;
因此
d x = c ( y + a ) d y ( y + a ) [ 1 − c 2 ( y + 1 ) ] ] {\displaystyle {\text{d}}x={\frac {c(y+a){\text{d}}y}{\sqrt {(y+a)[1-c^{2}(y+1)]]}}}} . [5] {\displaystyle \qquad {\text{[5]}}}
为了进行最后的积分,写出
d ϕ = c d y ( y + a ) [ 1 − c 2 ( y + a ) ] {\displaystyle {\text{d}}\phi ={\frac {c{\text{d}}y}{\sqrt {(y+a)[1-c^{2}(y+a)]}}}} ; [6] {\displaystyle \qquad {\text{[6]}}}
因此
d x = ( y + a ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}x=(y+a){\text{d}}\phi } . [ 5 a ] {\displaystyle \qquad [5^{\text{a}}]}
在 d ϕ {\displaystyle {\text{d}}\phi } 的表达式中,写出
2 c 2 ( y + a ) = 1 − ξ {\displaystyle 2c^{2}(y+a)=1-\xi } . [ 7 ] {\displaystyle \qquad [7]}
那么有
2 [ 1 − c 2 ( y + a ) ] = 1 + ξ {\displaystyle 2[1-c^{2}(y+a)]=1+\xi } , [ 8 ] {\displaystyle \qquad [8]}
以及
2 c 2 d y = − d ξ {\displaystyle 2c^{2}{\text{d}}y=-{\text{d}}\xi } . [ 9 ] {\displaystyle \qquad [9]}
因此
d ϕ = − d ξ 1 − ξ 2 {\displaystyle {\text{d}}\phi =-{\frac {{\text{d}}\xi }{\sqrt {1-\xi ^{2}}}}} , [ 10 ] {\displaystyle \qquad [10]}
因此
ξ = cos ( ϕ ) {\displaystyle \xi =\cos(\phi )} . [ 11 ] {\displaystyle \qquad [11]}
这里可以省略积分常数,因为 ϕ {\displaystyle \phi } 本身是完全任意的。
因此,
y + a = 1 2 c 2 ( 1 − cos ( ϕ ) ) {\displaystyle y+a={\frac {1}{2c^{2}}}(1-\cos(\phi ))} ,并且,从[ 5 a {\displaystyle 5^{\text{a}}} ], x + x 0 = 1 2 c 2 ( ϕ − sin ( ϕ ) ) {\displaystyle x+x_{0}={\frac {1}{2c^{2}}}(\phi -\sin(\phi ))} ; [ 12 ] {\displaystyle \qquad [12]}
{\displaystyle }
这些方程表示一个摆线 。
积分常数 x 0 {\displaystyle x_{0}} , c {\displaystyle c} 由曲线通过两点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 的条件决定。现在将 x {\displaystyle x} 和 y {\displaystyle y} 展开成 ϕ {\displaystyle \phi } 的幂级数:然后在 y {\displaystyle y} 中最低幂是 ϕ 2 {\displaystyle \phi ^{2}} ,在 x {\displaystyle x} 中是 ϕ {\displaystyle \phi } ;所以曲线实际上在 ϕ = 0 {\displaystyle \phi =0} 处有一个尖点,并且在 ϕ = 2 π , 4 π , … {\displaystyle \phi =2\pi ,4\pi ,\ldots } 处重复出现。
A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 必须位于两个连续的尖点之间(第 104 条)。
如果我们通过点 − x 0 {\displaystyle -x_{0}} , − a {\displaystyle -a} 画一条水平线,并在该线下方以半径 1 / ( 2 c 2 ) {\displaystyle 1/(2c^{2})} 作一个圆,该圆在点 − x 0 {\displaystyle -x_{0}} , − a {\displaystyle -a} 与水平线相切。让这个圆沿着水平线在正 X {\displaystyle X} 方向滚动,则原始接触点描述一个通过 A {\displaystyle A} 和 B 的摆线,它满足微分方程。
第 104 条 . 点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 不可能位于摆线的不同环上,可通过以下方式说明:为简化起见,令初始速度 α {\displaystyle \alpha } 为零,并平移坐标原点以消除常数项。
则摆线的方程为
x = r ( ϕ − sin ( ϕ ) ) {\displaystyle x=r(\phi -\sin(\phi ))} , y r ( 1 − cos ( ϕ ) ) {\displaystyle \qquad yr(1-\cos(\phi ))} ,
其中我们用 r {\displaystyle r} 代替 1 / ( 2 c 2 ) {\displaystyle 1/(2c^{2})} .
从附图中可以看到摆线弧。取两个位于不同环上的点,它们非常靠近并且关于顶点对称,让我们比较从一个点到另一个点经过顶点所需的时间和沿连接这两个点的直线所需的时间。这两个点的参数可以表示为
ϕ 0 = 2 π − ψ 0 {\displaystyle \phi _{0}=2\pi -\psi _{0}} , ϕ 1 = 2 π + ψ 0 {\displaystyle \qquad \phi _{1}=2\pi +\psi _{0}} .
经过顶点所需的时间为
T = 1 2 g ∫ t 0 t 1 x ′ 2 + y ′ 2 y d t = 1 2 g ∫ s 0 s 1 d s y {\displaystyle T={\frac {1}{\sqrt {2g}}}\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\sqrt {\frac {x'^{2}+y'^{2}}{y}}}~{\text{d}}t={\frac {1}{\sqrt {2g}}}\int _{s_{0}}^{s_{1}}{\frac {{\text{d}}s}{\sqrt {y}}}} .
现在
d x = r ( 1 − cos ( ϕ ) ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}x=r(1-\cos(\phi ))~{\text{d}}\phi } ,
以及
d y = r sin ( ϕ ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}y=r\sin(\phi )~{\text{d}}\phi } ,
所以
d s = d x 2 + d y 2 = 2 r sin ( ϕ / 2 ) d ϕ {\displaystyle {\text{d}}s={\sqrt {{\text{d}}x^{2}+{\text{d}}y^{2}}}=2r\sin(\phi /2)~{\text{d}}\phi } ,
因此
T = 1 2 g ∫ ϕ 0 ϕ 1 2 r sin ( ϕ / 2 ) r 1 − cos ( ϕ ) d ϕ = r g ∫ ϕ 0 ϕ 1 d ϕ {\displaystyle T={\frac {1}{\sqrt {2g}}}\int _{\phi _{0}}^{\phi _{1}}{\frac {2r\sin(\phi /2)}{{\sqrt {r}}{\sqrt {1-\cos(\phi )}}}}{\text{d}}\phi ={\sqrt {\frac {r}{g}}}\int _{\phi _{0}}^{\phi _{1}}{\text{d}}\phi }
r g ( ϕ 1 − ϕ 0 ) = r g [ 2 π + ψ 0 − 2 π + ψ 0 ] = 2 r g ψ 0 {\displaystyle {\sqrt {\frac {r}{g}}}(\phi _{1}-\phi _{0})={\sqrt {\frac {r}{g}}}[2\pi +\psi _{0}-2\pi +\psi _{0}]=2{\sqrt {\frac {r}{g}}}\psi _{0}} .
从 ϕ 0 {\displaystyle \phi _{0}} 到 ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}} 的水平线上的速度分量是 [ v d x d s ] {\displaystyle \left[v{\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}\right]} ,因为 d x d s = sin ϕ 2 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}s}}=\sin {\frac {\phi }{2}}} 且 v 2 = 2 g y {\displaystyle v^{2}=2gy} ,此分量等于
[ 2 g r 1 − cos ( ϕ ) sin ϕ 2 ] ϕ 0 ϕ 1 = 2 g r sin 2 ψ 0 2 {\displaystyle \left[{\sqrt {2gr}}{\sqrt {1-\cos(\phi )}}\sin {\frac {\phi }{2}}\right]_{\phi _{0}}^{\phi _{1}}=2{\sqrt {gr}}\sin ^{2}{\frac {\psi _{0}}{2}}} .
从 ϕ 0 {\displaystyle \phi _{0}} 到 ϕ 1 {\displaystyle \phi _{1}} 的线段长度为
x 1 − x 0 = r [ ϕ 1 − ϕ 0 − sin ϕ 1 + sin ϕ 0 ] = 2 r [ ψ 0 − sin ψ 0 ] {\displaystyle x_{1}-x_{0}=r[\phi _{1}-\phi _{0}-\sin \phi _{1}+\sin \phi _{0}]=2r[\psi _{0}-\sin \psi _{0}]} .
因此,所需的时间为
T 1 = 2 r ( ψ 0 − sin ψ 0 ) 2 g r sin 2 ( ψ 0 / 2 ) {\displaystyle T_{1}={\frac {2r(\psi _{0}-\sin \psi _{0})}{2{\sqrt {gr}}\sin ^{2}(\psi _{0}/2)}}} ,
因此
T 1 T = 2 r ( ψ 0 − sin ψ 0 ) 2 g r sin 2 ψ 0 2 ⋅ 2 r g ψ 0 = ψ 0 − sin ψ 0 2 ψ 0 sin 2 ψ 0 2 = ψ 0 3 3 ! − ψ 0 5 5 ! + ⋯ 2 ψ 0 [ ψ 0 2 − 1 3 ! ( ψ 0 2 ) 3 + ⋯ ] 2 {\displaystyle {\frac {T_{1}}{T}}={\frac {2r(\psi _{0}-\sin \psi _{0})}{2{\sqrt {gr}}\sin ^{2}{\frac {\psi _{0}}{2}}\cdot 2{\sqrt {\frac {r}{g}}}\psi _{0}}}={\frac {\psi _{0}-\sin \psi _{0}}{2\psi _{0}\sin ^{2}{\frac {\psi _{0}}{2}}}}={\frac {{\frac {\psi _{0}^{3}}{3!}}-{\frac {\psi _{0}^{5}}{5!}}+\cdots }{2\psi _{0}\left[{\frac {\psi _{0}}{2}}-{\frac {1}{3!}}\left({\frac {\psi _{0}}{2}}\right)^{3}+\cdots \right]^{2}}}} .
因此,
T 1 T < ψ 0 3 3 ! 2 ψ 0 [ ψ 0 2 − 1 6 ( ψ 0 2 ) 3 + ⋯ ] 2 {\displaystyle {\frac {T_{1}}{T}}<{\frac {\frac {\psi _{0}^{3}}{3!}}{2\psi _{0}\left[{\frac {\psi _{0}}{2}}-{\frac {1}{6}}\left({\frac {\psi _{0}}{2}}\right)^{3}+\cdots \right]^{2}}}} ,
或者
T 1 T < 1 3 1 ( 1 − ψ 0 2 24 + ⋯ ) 3 {\displaystyle {\frac {T_{1}}{T}}<{\frac {1}{3}}{\frac {1}{\left(1-{\frac {\psi _{0}^{2}}{24}}+\cdots \right)^{3}}}} .
因此,对于 ψ 0 {\displaystyle \psi _{0}} 的小值,有
T 1 < T {\displaystyle T_{1}<T} .
由此可见,包含顶点的粒子路径不能给出最小值。
第 105 条 . 对应于微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} (第 103 条)的通解中包含的两个常数,可以看到,如果我们改变 r {\displaystyle r} 并在 X {\displaystyle X} 轴上滑动摆线,我们得到了所有族 G = 0 {\displaystyle G=0} 中的曲线。
现在我们将证明,只有一个这样的摆线能够包含这两个点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 在同一个环上。假设点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 的纵坐标使得 D B > A C {\displaystyle DB>AC} ,并考虑任何其他具有相同参数 r {\displaystyle r} 的摆线,它绕水平 X {\displaystyle X} 轴描述,原点为 O {\displaystyle O} 。过 O {\displaystyle O} 画一条平行于 A B {\displaystyle AB} 的弦,并平行移动该弦直到它离开曲线。我们注意到,在这些位置,纵坐标 A ′ C ′ {\displaystyle A'C'} 不断增加,因为它永远无法达到摆线的最低点,并且弧 A ′ B ′ {\displaystyle A'B'} 不断减小。因此,比率 A ′ B ′ : A ′ C ′ {\displaystyle A'B':A'C'} 不断减小。当 A ′ {\displaystyle A'} 与原点重合时,该比率为无穷大,并且当弦与曲线相切时为零。
那么,对于某个位置,我们必须有
A ′ B ′ A ′ C ′ = A B A C {\displaystyle {\frac {A'B'}{A'C'}}={\frac {AB}{AC}}} .
由于点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 是固定的,长度 A B {\displaystyle AB} 和方向 A B {\displaystyle AB} 都已确定。
如果 A ′ B ′ = A B {\displaystyle A'B'=AB} ,则 A ′ C ′ = A C {\displaystyle A'C'=AC} ,并且可以根据要求通过 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 绘制一个摆线。但如果 A ′ B ′ ≠ A B {\displaystyle A'B'\neq AB} ,那么我们的摆线不满足要求。
接下来选择一个数量 r ′ {\displaystyle r'} 使得
r : r ′ = A C : A ′ C ′ {\displaystyle r:r'=AC:A'C'} .
以 O {\displaystyle O} 为相似中心,以比例 r : r ′ {\displaystyle r:r'} 增大摆线参数的坐标。这些坐标变为
x = r ′ ( ϕ − sin ϕ ) {\displaystyle x=r'(\phi -\sin \phi )} , y = r ′ ( 1 − cos ϕ ) {\displaystyle \qquad y=r'(1-\cos \phi )} ,
这是新的摆线的坐标。
后面的摆线与第一个相似,因为变换使纵坐标 A ′ C ′ {\displaystyle A'C'} 和弦 A ′ B ′ {\displaystyle A'B'} 平行于它们自身。它们变换后的长度分别是
r ′ r A ′ C ′ = A C {\displaystyle {\frac {r'}{r}}A'C'=AC\qquad } 和 r ′ r A ′ B ′ = A B {\displaystyle \qquad {\frac {r'}{r}}A'B'=AB} ,
这给了我们一个摆线,它对纵坐标 A C {\displaystyle AC} 和弦 A B {\displaystyle AB} 具有所需的长度。
此外,只有一个摆线满足要求的条件。因为,如果我们已经有了 A ′ B ′ = A B {\displaystyle A'B'=AB} 和 A ′ C ′ = A C {\displaystyle A'C'=AC} ,唯一能使 r ′ r A ′ B ′ = A B {\displaystyle {\frac {r'}{r}}A'B'=AB} 成立的 r ′ {\displaystyle r'} 值是 r ′ = r {\displaystyle r'=r} 。因此,通过两点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 可以构造一个且仅一个关于 X {\displaystyle X} 轴的摆线回路。 [ 1]
第 106 条 . 问题 III. 曲面上最短线问题 。这个问题一般来说是无法解决的,因为微分方程中的变量无法分离,积分也无法进行。只有在少数情况下,人们才能成功地进行积分,从而表示满足微分方程的曲线。
例如,这在平面、球面和所有其他二次曲面情况下已经完成。
作为一个简单的例子,我们将讨论球面上的两点之间的最短线问题。球体的半径被设为 1,球面的方程以以下形式给出:
x 2 + y 2 + z 2 = 1 {\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}=1} .
现在写成
x = cos u {\displaystyle x=\cos u} , y = sin u cos v {\displaystyle y=\sin u\cos v} , z =∈ u sin v {\displaystyle z=\in u\sin v} , [ 1 ] {\displaystyle \qquad [1]}
那么 u = {\displaystyle u=} 常数和 v = {\displaystyle v=} 常数分别是平行圆和经线的方程。
弧微元是
d s = d u 2 + sin 2 u d v 2 {\displaystyle {\text{d}}s={\sqrt {{\text{d}}u^{2}+\sin ^{2}u{\text{d}}v^{2}}}} , [ 2 ] {\displaystyle \qquad [2]}
因此,要使最小化的积分是
L = ∫ t 0 t 1 u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u d t {\displaystyle L=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}~{\text{d}}t} ; [ 3 ] {\displaystyle \qquad [3]}
所以这里我们有
F = u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u {\displaystyle F={\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}
以及
∂ F ∂ u ′ = u ′ u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial u'}}={\frac {u'}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}} , ∂ F ∂ v ′ = v ′ sin 2 u u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u {\displaystyle \qquad {\frac {\partial F}{\partial v'}}={\frac {v'\sin ^{2}u}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}} . [ 5 ] {\displaystyle \qquad [5]}
由于 F {\displaystyle F} 不包含数量 v {\displaystyle v} ,我们将使用方程式 G 1 = 0 {\displaystyle G_{1}=0} ,并且有
∂ F ∂ v ′ = v ′ sin 2 u u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u = c {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial v'}}={\frac {v'\sin ^{2}u}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}=c} ,
其中 c {\displaystyle c} 是一个任意常数,它在整个曲线上具有相同的值。
如果曲线的初始点 A {\displaystyle A} 为 u ≠ 0 {\displaystyle u\neq 0} ,因此不是球体的北极,那么只有当 v ′ = 0 {\displaystyle v'=0} 时, c {\displaystyle c} 处处等于零。因此,我们必须有 v {\displaystyle v} 常数。因此,问题的解是 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 必须位于同一个经线上。
如果不是这种情况,那么总是 c ≠ 0 {\displaystyle c\neq 0} 。很容易看出 c < 1 {\displaystyle c<1} ;因此我们可以写 sin c {\displaystyle \sin c} 代替 c {\displaystyle c} ,并有
v ′ sin 2 u u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u = sin c {\displaystyle {\frac {v'\sin ^{2}u}{\sqrt {u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u}}}=\sin c} , [ 6 ] {\displaystyle \qquad [6]}
或者
d v = sin c d u sin u sin 2 u − sin c {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin c~{\text{d}}u}{\sin u{\sqrt {\sin ^{2}u-\sin c}}}}} 。 [ 7 ] {\displaystyle \qquad [7]}
如果我们写
cos u = cos c cos w {\displaystyle \cos u=\cos c\cos w} , [ 8 ] {\displaystyle \qquad [8]}
那么是
d v = sin c d w 1 − cos 2 c cos 2 w {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin c~{\text{d}}w}{1-\cos ^{2}c\cos ^{2}w}}} ;
由于 1 可以被 sin 2 w + cos 2 w {\displaystyle \sin ^{2}w+\cos ^{2}w} 代替,所以我们有
d v = sin c d w sin 2 w + cos 2 w sin 2 c = sin c d w cos 2 w sin 2 c + tan 2 w = d tan w sin c 1 + tan 2 w sin 2 c {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin c~{\text{d}}w}{\sin ^{2}w+\cos ^{2}w\sin ^{2}c}}={\frac {\sin c{\frac {{\text{d}}w}{\cos ^{2}w}}}{\sin ^{2}c+\tan ^{2}w}}={\frac {{\text{d}}{\frac {\tan w}{\sin c}}}{1+{\frac {\tan ^{2}w}{\sin ^{2}c}}}}} .
因此
v − β = tan − 1 ( tan w sin c ) {\displaystyle v-\beta =\tan ^{-1}\left({\frac {\tan w}{\sin c}}\right)} ,
其中 β {\displaystyle \beta } 代表任意常数。
由此可得
tan ( v − β ) = tan w sin c {\displaystyle \tan(v-\beta )={\frac {\tan w}{\sin c}}} . [ 9 ] {\displaystyle \qquad [9]}
通过 [8] 消去 w {\displaystyle w} ,我们有
tan u cos ( v − β ) = tan c {\displaystyle \tan u\cos(v-\beta )=\tan c} . [ 10 ] {\displaystyle \qquad [10]}
这是我们正在寻找的曲线方程,用球坐标 u {\displaystyle u} , v {\displaystyle v} 表示。
为了更仔细地研究它们的含义,我们可以通过弧长 s {\displaystyle s} 分别表示 u {\displaystyle u} , v {\displaystyle v} ,其中 s {\displaystyle s} 从零子午线与最短线的交点开始测量。
通过 [7],表达式 [2] 变为
d s = sin u d u sin 2 u − sin 2 c {\displaystyle {\text{d}}s={\frac {\sin u~{\text{d}}u}{\sqrt {\sin ^{2}u-\sin ^{2}c}}}} ,
并且,由于替换了 [8],它变为
d s = d w {\displaystyle {\text{d}}s={\text{d}}w} ,
因此,如果 b {\displaystyle b} 是一个新的常数,
s − b = w {\displaystyle s-b=w} . [ 11 ] {\displaystyle \qquad [11]}
因此,从公式 [8] 和 [9] 中,我们得到以下公式
cos u = cos c cos ( s − b ) {\displaystyle \cos u=\cos c\cos(s-b)} , cot ( v − β ) = sin c cot ( s − b ) {\displaystyle \qquad \cot(v-\beta )=\sin c\cot(s-b)} . [ 12 ] {\displaystyle \qquad [12]}
但这些关系存在于直角球面三角形的边和角之间。
如果我们考虑从北极点画出的子午线,它与我们正在寻找的曲线垂直相交,那么这条子午线与曲线和任何其他子午线形成一个三角形,上述关系可以应用于这个三角形。
因此,满足微分方程的曲线本身必须是大圆的一部分。积分常数 c {\displaystyle c} , b {\displaystyle b} , β {\displaystyle \beta } 由曲线通过两点 A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 的条件确定。
几何解释是: c {\displaystyle c} 是从点 u = 0 {\displaystyle u=0} 到最短线的测地线法线的长度; s − b {\displaystyle s-b} ,从这条法线底端到曲线上的任何点的弧线,也就是这条弧线的端点之间的长度差;以及 v − β {\displaystyle v-\beta } ,与这条弧线相对的角。
因此,如果我们假设零子午线穿过 A {\displaystyle A} ,则 b {\displaystyle b} 是从 A {\displaystyle A} 到法线的最短线弧长,而 β {\displaystyle \beta } 是该法线脚点的地理经度。
第 107 条 . 我们可以通过考虑微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 来推导出相同的结果。
由于
F 1 u ′ 2 = ∂ 2 F ∂ v ′ 2 {\displaystyle F_{1}u'^{2}={\frac {\partial ^{2}F}{\partial v'^{2}}}} ,
我们有
F 1 = sin 2 u ( u ′ 2 + v ′ 2 sin 2 u ) 3 / 2 {\displaystyle F_{1}={\frac {\sin ^{2}u}{(u'^{2}+v'^{2}\sin ^{2}u)^{3/2}}}} .
将此值代入
G ≡ ∂ 2 F ∂ v ∂ u ′ − ∂ 2 F ∂ u ∂ v ′ + F 1 ( v ′ u ″ − u ′ v ″ ) = 0 {\displaystyle G\equiv {\frac {\partial ^{2}F}{\partial v\partial u'}}-{\frac {\partial ^{2}F}{\partial u\partial v'}}+F_{1}(v'u''-u'v'')=0} ,
使此表达式变为
− [ 2 cos u u ′ 2 v ′ + sin 2 u cos u v ′ 3 ] + sin u ( v ′ u ″ − u ′ v ″ ) = 0 {\displaystyle -[2\cos uu'^{2}v'+\sin ^{2}u\cos uv'^{3}]+\sin u(v'u''-u'v'')=0} ,
或者
d v d u [ 2 + sin 2 u ( d v d u ) 2 ] cos u + sin u d 2 v d u 2 = 0 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}\left[2+\sin ^{2}u\left({\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}\right)^{2}\right]\cos u+\sin u{\frac {{\text{d}}^{2}v}{{\text{d}}u^{2}}}=0} .
在此方程中写
1 ) w = sin u d v d u {\displaystyle 1)\qquad w=\sin u{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}} ,
我们有
cot u ( w + w 3 ) + d w d u = 0 {\displaystyle \cot u(w+w^{3})+{\frac {{\text{d}}w}{{\text{d}}u}}=0} ,
或者
2 ) d w w + w 3 + cot u d u = 0 {\displaystyle 2)\qquad {\frac {{\text{d}}w}{w+w^{3}}}+\cot u~{\text{d}}u=0} .
对最后一个方程进行积分,得到
ln ( w 1 + w 2 sin u ) = c {\displaystyle \ln \left({\frac {w}{\sqrt {1+w^{2}}}}\sin u\right)=c} ,
因此
3 ) w 2 sin 2 u = C 2 ( 1 + w 2 ) {\displaystyle 3)\qquad w^{2}\sin ^{2}u=C^{2}(1+w^{2})} .
假设 A {\displaystyle A} 是球面的北极点, u {\displaystyle u} 是从 A {\displaystyle A} 沿大圆弧测量的角距离, v {\displaystyle v} 是该大圆平面与过点 B {\displaystyle B} 的大圆平面的夹角。
因此,对于所有通过 A {\displaystyle A} 的族 G = 0 {\displaystyle G=0} 曲线,我们必须有 C = 0 {\displaystyle C=0} ,因为 sin u = 0 {\displaystyle \sin u=0} 对于 u = 0 {\displaystyle u=0} 。这也意味着 w = 0 {\displaystyle w=0} ,因此,
sin u d v d u = 0 {\displaystyle \sin u{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}u}}=0} ,
或者
v = {\displaystyle v=} 常数。
因此,如上所述, A {\displaystyle A} 和 B {\displaystyle B} 必须位于大圆弧上。 接下来,如果 A {\displaystyle A} 不被视为极点,则总是 C ≠ 0 {\displaystyle C\neq 0} ,并且小于1。 然后从公式1)和3)立即得出
d s 2 = d u 2 + sin 2 u d v 2 = d u 2 [ 1 + w 2 ] {\displaystyle {\text{d}}s^{2}={\text{d}}u^{2}+\sin ^{2}u{\text{d}}v^{2}={\text{d}}u^{2}[1+w^{2}]} ,
或者
d s = ± sin u d u sin 2 u − sin 2 C {\displaystyle {\text{d}}s=\pm {\frac {\sin u~{\text{d}}u}{\sqrt {\sin ^{2}u-\sin ^{2}C}}}} ,(其中我们用 sin 2 C {\displaystyle \sin ^{2}C} 来表示 C 2 {\displaystyle C^{2}} )
以及
d v = sin C d u sin ( u ) sin 2 u − sin 2 C {\displaystyle {\text{d}}v={\frac {\sin C~{\text{d}}u}{\sin(u){\sqrt {\sin ^{2}u-\sin ^{2}C}}}}} .
写成 cos u = cos C cos t {\displaystyle \cos u=\cos C\cos t} ,这两个方程在积分后变为,如同上一篇文章一样
cos u = cos C cos ( s − b ) {\displaystyle \cos u=\cos C\cos(s-b)} , cot ( v − β ) = sin C cot ( s − b ) {\displaystyle \qquad \cot(v-\beta )=\sin C\cot(s-b)} .
第108条 . 问题IV. 提供最小阻力的旋转曲面。 要解决这个问题,我们看到(第12条)积分
I = ∫ t 0 t 1 x x ′ 3 x ′ 2 + y ′ 2 d t {\displaystyle I=\int _{t_{0}}^{t_{1}}{\frac {xx'^{3}}{x'^{2}+y'^{2}}}~{\text{d}}t}
必须是最小值。
我们这里有
F = x x ′ 3 x ′ 2 + y ′ 2 {\displaystyle F={\frac {xx'^{3}}{x'^{2}+y'^{2}}}}
我们看到 F {\displaystyle F} 是参数 x ′ {\displaystyle x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 的有理函数。 对于这类函数,魏尔斯特拉斯证明了积分值永远不会有最大值或最小值。 但是,我们将一般问题留待稍后讨论(第 173 节),我们将注意力集中在我们面前的问题上。
我们可以从以下关系式确定函数 F − 1 {\displaystyle F-1} :
∂ 2 F ∂ x ′ ∂ y ′ = − x ′ y ′ F 1 {\displaystyle {\frac {\partial ^{2}F}{\partial x'\partial y'}}=-x'y'F_{1}} .
可以看出
F 1 = 2 x x ′ ( 3 y ′ 2 − x ′ 2 ) ( x ′ 2 + y ′ 2 ) 3 {\displaystyle F_{1}={\frac {2xx'(3y'^{2}-x'^{2})}{(x'^{2}+y'^{2})^{3}}}} .
我们可以取 x {\displaystyle x} 为正数,并且只关注曲线的一部分,在这部分曲线上 x {\displaystyle x} 随着 t {\displaystyle t} 增加,因此 x ′ {\displaystyle x'} 也为正数。
因此, F 1 {\displaystyle F_{1}} 与 3 y ′ 2 − x ′ 2 {\displaystyle 3y'^{2}-x'^{2}} 具有相同的符号,或者与 3 sin 2 λ − cos 2 λ {\displaystyle 3\sin ^{2}\lambda -\cos ^{2}\lambda } 具有相同的符号,其中 λ {\displaystyle \lambda } 是该点处曲线切线与 X {\displaystyle X} 轴的夹角。
F 1 {\displaystyle F_{1}} 因此是 正数 ,如果 | tan λ | > 1 3 {\displaystyle |\tan \lambda |>{\frac {1}{\sqrt {3}}}} ,并且是 负数 ,如果 | tan λ | < 1 3 {\displaystyle |\tan \lambda |<{\frac {1}{\sqrt {3}}}} ,对于所考虑的曲线部分。
我们将在后面(第 117 条)看到, F 1 {\displaystyle F_{1}} 必须具有正号,以使积分最小。因此,对于当前问题, | tan λ | {\displaystyle |\tan \lambda |} 必须大于 1 3 {\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {3}}}} ,以适用于所考虑的曲线部分;由于这必须对曲线的所有点成立,其中 x ′ {\displaystyle x'} 具有正号,因此在这些点中的任何一个点的切线都不能与 X {\displaystyle X} 轴形成大于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的角度(参见 Todhunter,变分学研究,第 168 页)。
第 109 条 . 接下来我们将考虑该问题的微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 。
由于 F {\displaystyle F} 不显式包含变量 y {\displaystyle y} ,我们可以最好地使用方程
− x ′ G = G 2 ≡ ∂ F ∂ y − d d t ∂ F ∂ y ′ = 0 {\displaystyle -x'G=G_{2}\equiv {\frac {\partial F}{\partial y}}-{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}{\frac {\partial F}{\partial y'}}=0} .
我们立刻有
∂ F ∂ y ′ = {\displaystyle {\frac {\partial F}{\partial y'}}=} 常数,
或者
− 2 x x ′ 3 y ′ ( x ′ 2 + y ′ 2 ) 2 = C {\displaystyle -{\frac {2xx'^{3}y'}{(x'^{2}+y'^{2})^{2}}}=C} .
现在,如果有任何提供阻力的表面部分无限接近于旋转轴,则该常数必须为零,因为 x = 0 {\displaystyle x=0} 使 C = 0 {\displaystyle C=0} 。
如果 C = 0 {\displaystyle C=0} ,我们有
x ′ 3 y ′ = 0 {\displaystyle x'^{3}y'=0} ,
因此
x ′ = 0 {\displaystyle x'=0} 或 y ′ = 0 {\displaystyle y'=0} 。
由此得出
x = {\displaystyle x=} 常数或 y = {\displaystyle y=} 常数。
在第一种情况下,该表面将是一个无限长的圆柱体,以 Y {\displaystyle Y} 轴为旋转轴,且半径无限小(因为根据假设,表面的一部分无限接近 Y {\displaystyle Y} 轴);在第二种情况下,阻力表面将是一个直径无限大的圆盘。这些解毫无意义,可以忽略不计,因此我们可以假设阻力表面在 Y {\displaystyle Y} 轴附近没有点。这反驳了人们曾经认为该物体是卵形的观念。
第 110 条 . 接下来我们考虑微分方程
− 2 x x ′ 3 y ′ ( x ′ 2 + y ′ 2 ) 2 = C {\displaystyle -{\frac {2xx'^{3}y'}{(x'^{2}+y'^{2})^{2}}}=C} ,
其中 C {\displaystyle C} 不等于零。我们可以取 x {\displaystyle x} 为正,并且由于常数 C {\displaystyle C} 必须始终保持相同的符号(第 97 条),因此乘积 x ′ y ′ {\displaystyle x'y'} 不会改变符号。
不保留变量 t {\displaystyle t} ,让我们写
t = − y {\displaystyle t=-y} ,
以及
d x d y = u {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}y}}=u} .
则微分方程为
− 2 x u 3 ( u 2 + 1 ) 2 = C {\displaystyle {\frac {-2xu^{3}}{(u^{2}+1)^{2}}}=C} .
我们可以将 − y {\displaystyle -y} 写成 t {\displaystyle t} 的位置,从以下事实可以看出: x ′ y ′ {\displaystyle x'y'} 的符号不能改变,因此,当 y {\displaystyle y} 增加时, x {\displaystyle x} 或者 *持续* 增加,或者 *持续* 减少。 因此,对于 y {\displaystyle y} 的一个给定值,存在 x {\displaystyle x} 的一个值。
然后我们有
x = − C ( u 2 + 1 ) 2 2 u 3 = − C 2 ( u + 2 u − 1 + u − 3 ) {\displaystyle x=-{\frac {C(u^{2}+1)^{2}}{2u^{3}}}=-{\frac {C}{2}}(u+2u^{-1}+u^{-3})} ,
以及
d x d u = d x d y d y d u = u d y d u = − C 2 ( 1 − 2 u − 2 − 3 u − 4 ) {\displaystyle {\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}u}}={\frac {{\text{d}}x}{{\text{d}}y}}{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}u}}=u{\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}u}}=-{\frac {C}{2}}(1-2u^{-2}-3u^{-4})} ,
或者
d y d u = − C 2 ( u − 1 − 2 u − 3 − 4 u − 5 ) {\displaystyle {\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}u}}=-{\frac {C}{2}}(u^{-1}-2u^{-3}-4u^{-5})} ;
因此
y = − C 2 [ ln u + u − 2 + 3 4 u − 4 ] + C 1 {\displaystyle y=-{\frac {C}{2}}\left[\ln u+u^{-2}+{\frac {3}{4}}u^{-4}\right]+C_{1}} .
方程
x = − C 2 ( u + 2 u − 1 + u − 3 ) {\displaystyle x=-{\frac {C}{2}}(u+2u^{-1}+u^{-3})} , y = − C 2 [ ln u + u − 2 + 3 4 u − 4 ] + C 1 {\displaystyle \qquad y=-{\frac {C}{2}}\left[\ln u+u^{-2}+{\frac {3}{4}}u^{-4}\right]+C_{1}} ,
确定一族曲线,其中之一是弧,该弧产生旋转曲面,如果存在最小值,则该旋转曲面产生最小值。对于这样的曲线,如果我们给 u {\displaystyle u} 从 0 到 + ∞ {\displaystyle +\infty } 的所有实数值,我们可以获得所有实数点。这些值中包含 3 {\displaystyle {\sqrt {3}}} ,正如我们上面所看到的,有必要
d y d x = 1 u > 1 3 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}y}{{\text{d}}x}}={\frac {1}{u}}>{\frac {1}{\sqrt {3}}}} 连续地,
或者
1 u < 1 3 {\displaystyle {\frac {1}{u}}<{\frac {1}{\sqrt {3}}}} 连续地。
换句话说,如果在弧线上任意一点处的切线与 X {\displaystyle X} -轴所成的锐角小于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ,那么它对于弧线的其他点必须继续小于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ;如果对于弧线的任意一点,它大于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ,那么它必须保持大于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} ,对于弧线的全部点。因此,如果 P {\displaystyle P} 是切线与 X {\displaystyle X} -轴所成的倾角为 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的点,我们将在 P {\displaystyle P} 的一侧得到倾角小于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的曲线部分,而在另一侧得到倾角大于 30 ∘ {\displaystyle 30^{\circ }} 的曲线部分。所讨论的弧线必须完全属于这两个部分中的一个。
↑ 该证明由 Schwarz 教授提出。