第十一章:关于使积分取到极大值或极小值的曲线的场的概念。共轭点的几何意义。
145 场的概念。
146 属于曲线族 G = 0 {\displaystyle G=0} 的相邻曲线。
147 级数反演中的一个一般定理。
148 相邻曲线的坐标用 k {\displaystyle k} 的幂级数表示,其中 k {\displaystyle k} 是相邻曲线与原曲线的初始方向之间的三角函数正切。
149 满足方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲线一旦其初始点和该点切线的方向已知,就可以确定。
150 对 k {\displaystyle k} 的限制。场的概念的扩展。
151 两条相邻曲线的交点。共轭点。
152 一个点不能是它自己的共轭点。 Θ ( t , t ′ ) {\displaystyle \Theta (t,t')} 的导数在使函数本身为零的点处不为零。
第 145 条 . 在第九章中,我们证明了通过固定点 A {\displaystyle A} 且属于曲线族 G = 0 {\displaystyle G=0} 的相邻曲线,如果 B {\displaystyle B} 是 A {\displaystyle A} 的共轭点,则它们再次相交于点 B {\displaystyle B} 。现在我们将更充分地考虑共轭点的这个性质。
我们首先可以引入关于使积分取到极大值或极小值的曲线的场 的概念。
我们假设对于曲线中积分要取最大值或最小值的这一部分的所有点,函数 F ( x , y , x ′ , y ′ ) {\displaystyle F(x,y,x',y')} 在 x , y , x ′ {\displaystyle x,y,x'} 和 y ′ {\displaystyle y'} 中是正则的,并且 F 1 {\displaystyle F_{1}} 在这部分曲线上既不为零也不为无穷大。这些假设的例外留待特殊研究。由此,结合已经建立的必要条件,可以看出曲线的这一部分不包含奇点(参见第 95 条)。因此,曲线的一部分在每一点都只有一个法线与曲线相交,并且所有点的曲率半径都有一个不为零的下界(参见第 80 条)。因此,我们可以确定穿过曲线 A B {\displaystyle AB} 的点 C {\displaystyle C} 的法线两侧的两个点 D {\displaystyle D} 和 D ′ {\displaystyle D'} ,以这样的方式,使得区间 D D ′ {\displaystyle DD'} 内的法线不被曲线在点 C {\displaystyle C} 附近的其他任何法线所截。考虑类似于 D D ′ {\displaystyle DD'} 的长度,这些长度分别对应于曲线上的所有点;那么由点 D {\displaystyle D} 和 D ′ {\displaystyle D'} 所围成的曲面,这些点彼此相邻,并且完全包围了曲线 A B {\displaystyle AB} ,具有这样的性质:在该曲面内,穿过曲线中两个非常靠近的点的两条法线不会相交。
第 146 条 . 我们将满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲线 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})}
并且我们用以下方程表示满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的相邻曲线之一:
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 ')}
两条曲线都将通过同一个点 A {\displaystyle A} . 如果对于第一条曲线,点 A {\displaystyle A} 对应一个确定的值 t 0 {\displaystyle t_{0}} ,则对于第二条曲线,该点将对应另一个值,例如 t o + τ ′ {\displaystyle t_{o}+\tau '} .
第一条曲线与第二条曲线相交的条件可以用以下两个方程表示:
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 '} 的幂展开
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 '} 的二次及更高次幂项。
第 147 条 . 我们可以对 τ ′ {\displaystyle \tau '} 、 α ′ {\displaystyle \alpha '} 和 / b e t a ′ {\displaystyle /beta'} 求解方程组 4)。假设我们有两个方程
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}
其中三个行列式之一 a b ′ − a ′ b , a c ′ − a ′ c , b c ′ − b ′ c {\displaystyle ab'-a'b,ac'-a'c,bc'-b'c} ,不等于零。因此,我们可以用一个单变量的三组幂级数来表示满足这两个方程并且 x , y , z {\displaystyle x,y,z} 不超过一定范围的所有值。<rev>参见我关于极值理论等的讲义,第 102 页和第 21 页。</rev>
我们可以将这个变量选为 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}} 只需满足以下唯一条件
| 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} ,
为简洁起见,写成 (参见第 126 条)
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})} ;
那么,方程组 4) 中对应于以下行列式的三个表达式
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})} 不能同时为零 (第 127 条)。
因此我们可以写成
c 1 = 0 c 2 α ′ + c 3 β ′ = k 1 {\displaystyle c_{1}=0\quad c_{2}\alpha '+c_{3}\beta '=k_{1}}
并进一步对常数 c 2 {\displaystyle c_{2}} 和 c 3 {\displaystyle c_{3}} 施加条件
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}
如果我们只考虑方程 4) 中的线性项,我们有
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}}}
从这些方程中,我们得到了 τ ′ , α ′ {\displaystyle \tau ',\alpha '} 和 / b e t a ′ {\displaystyle /beta'} 的一阶近似值:
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,最终得到:
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})} 是关于 k 1 {\displaystyle k_{1}} 和 t 0 {\displaystyle t_{0}} 的幂级数。
如果我们将这些表达式代入方程 2) 中,或者等价地,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,现在, t {\displaystyle t} 可以取小于 t 0 {\displaystyle t_{0}} 的值,然后我们有
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})} 用于表示对于每个 t {\displaystyle t} 值,当 k 1 {\displaystyle k_{1}} 同时变得无限小时,也变得无限小的量。
当 k 1 = 0 {\displaystyle k_{1}=0} 时,由方程 9) 表示的曲线变为原始曲线,我们看到 k 1 {\displaystyle k_{1}} 可以取到很小的值,使得两条曲线的对应点,即属于相同 t {\displaystyle t} 值的点,可以彼此无限接近。在下一篇文章中,我们将展示通过这个过程,我们得到了所有满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲线,这些曲线经过点 A {\displaystyle A} 并且是第一条曲线的邻近曲线。
第 148 条 . 我们可以用 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 的幂级数代替量 k 1 {\displaystyle k_{1}} ,它只受以下条件限制:如果 c 1 , c 2 , c 3 {\displaystyle c_{1},c_{2},c_{3}} 是 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 中线性项的系数,则行列式
| 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}
这个条件由表示两条曲线在点 A = t 0 {\displaystyle A=t_{0}} 处的初始方向所成的角度的三角函数正切的幂级数满足。
因为,用 k {\displaystyle k} 表示该正切,我们有
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}}}}
假设曲线在点 A {\displaystyle A} 处为正则,因此,量 ϕ ′ ( t 0 ) {\displaystyle \phi '(t_{0})} 和 ψ ′ ( t 0 ) {\displaystyle \psi '(t_{0})} 不会同时为零,因此 ϕ ′ 2 ( t 0 ) + ψ ′ 2 ( t 0 ) {\displaystyle \phi '^{2}(t_{0})+\psi '^{2}(t_{0})} 不等于零。
因此,等式 4)和 10)的行列式为
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}}}
将第一行水平乘以 ψ ″ ( t 0 ) {\displaystyle \psi ''(t_{0})} ,第二行乘以 − ϕ ″ ( t 0 ) {\displaystyle -\phi ''(t_{0})} ,并将它们都加到第三行,然后变为
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,等价于
0 θ 1 ′ ( t 0 ) θ 2 ′ ( t 0 ) {\displaystyle 0\qquad \theta _{1}'(t_{0})\qquad \theta _{2}'(t_{0})}
因此,上述行列式为
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 } (见第 129 条),
这个表达式(loc. cit. )不等于零。
因此,我们可以用 k {\displaystyle k} 代替 k 1 {\displaystyle k_{1}} ,并用与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 条 . 在第 89 条中给出了微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的解的形式。因此,只要知道了曲线上的初始点以及该点处的切线方向,就完全确定了满足方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲线。
设 a , b {\displaystyle a,b} 是 A {\displaystyle A} 的坐标,而 X {\displaystyle X} (见第 87 条的图)是初始方向与 X {\displaystyle X} 轴所成的角;此外,用新的坐标系 t , v {\displaystyle t,v} 代替坐标 x , y {\displaystyle x,y} ,新的原点位于 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 }
现在如果我们选择 t {\displaystyle t} 作为自变量,那么
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}
则变为
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条)
根据第六章给出的积分方法,我们以如下方式解上述方程:当 t = 0 {\displaystyle t=0} 时, v = 0 {\displaystyle v=0} 和 d v d t = 0 {\displaystyle {\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}=0} 同时成立,其中 v {\displaystyle v} 轴是点 A {\displaystyle A} 切线的方向。
因此,如果 F 1 ( a , b , cos λ , − sin λ ) {\displaystyle F_{1}(a,b,\cos \lambda ,-\sin \lambda )} 有一个非零的有限值,并且如果 H ( t , v , d v d t ) {\displaystyle H\left(t,v,{\frac {{\text{d}}v}{{\text{d}}t}}\right)} 在点 A {\displaystyle A} 处不会变得无穷大(正如我们假设的那样),因为 F 1 {\displaystyle F_{1}} 及其导数( H {\displaystyle H} 由此构成)是其参数的正则函数,因此只有一个 t {\displaystyle t} 的幂级数可以满足该微分方程,并且其一阶导数在 t = 0 {\displaystyle t=0} 处为零。
这个幂级数的形式为
v = t 2 P ( t ) {\displaystyle v=t^{2}P(t)}
将此 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 }
其中常数 A 1 , B 1 , … {\displaystyle A_{1},B_{1},\ldots } 是确定的。
因此,方程 15) 完全确定了满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲线,其中 a , b {\displaystyle a,b} 是其初始点的坐标,而 X {\displaystyle X} 轴是其初始方向所成的角。
由此,我们立即得到,通过方程 11),我们拥有所有经过相同初始点的且满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的原始曲线的邻近曲线。
第 150 条 . 因此,我们可以对 k {\displaystyle k} 设置一个上限,使得所有属于该上限以下的 k {\displaystyle k} 值并满足微分方程 G = 0 {\displaystyle G=0} 的曲线完全位于包围原始曲线的曲面上。
这使得能够在两条曲线之间建立一个单值关系,使得对于原始曲线上的每个点,我们都可以确定邻近曲线上的点,该点是原始曲线上该点法线与邻近曲线相交的点。
设 x , y {\displaystyle x,y} 是原始曲线上点 P {\displaystyle P} 的坐标,而 x + ξ , y + η {\displaystyle x+\xi ,y+\eta } 是对应于该点的邻近曲线上点的坐标。
如果 P ′ {\displaystyle P'} 是对应于 P {\displaystyle P} 的点,则其坐标为
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,由于 ( X − x ) x ′ + ( Y − y ) y ′ = 0 {\displaystyle (X-x)x'+(Y-y)y'=0} 是法线的方程,并且 X = x + ξ , Y = y + η {\displaystyle X=x+\xi ,Y=y+\eta } 是法线上的一个点,我们有
x ′ ξ + y ′ η = 0 {\displaystyle x'\xi +y'\eta =0}
因此,需要从以下方程中确定 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 }
将最后一个方程与第一个和第二个方程结合起来得到
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)}
当对于 α ′ , β ′ {\displaystyle \alpha ',\beta '} 我们从 7 a ) {\displaystyle 7^{a})} 中写出它们关于 k {\displaystyle k} 的幂级数。
由于曲线 A B {\displaystyle AB} 的一部分没有奇点,因此 ϕ ′ 2 ( t ) + ψ ′ 2 ( t ) {\displaystyle \phi '^{2}(t)+\psi '^{2}(t)} 处处不为零,我们可以从方程 17) 中表达 τ {\displaystyle \tau } ,因此也可以表达 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 为 k {\displaystyle k} 的幂级数。如果我们限制自己于 k {\displaystyle k} 保持在一定限度内的曲线,我们总是可以确定这样的曲线被原始曲线的法线所截的点。
第 151 条 . 我们想知道第二条曲线是否可能与第一条曲线相交。为此,长度 P P ′ {\displaystyle PP'} 必须为零;也就是说, ξ , η {\displaystyle \xi ,\eta } 必须在 t {\displaystyle t} 的某个值处等于零。因此,我们需要选择 t , τ , τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle t,\tau ,\tau ',\alpha ',\beta '} 这些量,使得当在 16) 中将 ξ {\displaystyle \xi } 和 η {\displaystyle \eta } 设置为零时,方程 4) 和 16) 都能被满足。
方程 4) 和 16) 中具有相同维度的项分别是 τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ',\alpha ',\beta '} 和 τ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ,\alpha ',\beta '} 的齐次函数;这些方程可以写成
( 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 '} 的函数,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 '} 的函数,随着这些函数以及 k {\displaystyle k} 一同趋于无穷小。
前两个等式表示两条相邻曲线经过初始点 A {\displaystyle A} ,后两个等式表示它们要经过另一个点。
为了使这四个等式同时成立,它们的行列式必须为零。当在该行列式中令 k = 0 {\displaystyle k=0} 时,该行列式为
| 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}}}
这只不过是函数 − Θ ( t , t 0 ) {\displaystyle -\Theta (t,t_{0})} 。因此,上述方程组的行列式可以写成 − Θ ( t , t 0 ) − k ( t , t 0 , k ) {\displaystyle -\Theta (t,t_{0})-k(t,t_{0},k)} ;由于该行列式必须为零,所以我们必须有
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.
如果在区间 A B {\displaystyle AB} 内不存在这样的极限位置,那么该区间内不存在共轭点。
第 152 条 . 仍然需要证明点 A {\displaystyle A} 本身不能是这个极限位置;也就是说,在所有相邻曲线中,不能有一条曲线与原始曲线在任意接近 A {\displaystyle A} 的地方相交。从分析的角度来看,这种情况可以这样表达:如果在点 t {\displaystyle t} 处,原始曲线被一条相邻曲线相交,我们有以下方程:
| 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}
当 k = 0 {\displaystyle k=0} 时,行列式变为 Θ ( t , t 0 ) = 0 {\displaystyle \Theta (t,t_{0})=0} 。如果对于表示为 k {\displaystyle k} 幂级数的 τ , τ ′ , α ′ , β ′ {\displaystyle \tau ,\tau ',\alpha ',\beta '} ,将它们的值代入行列式中,它将变成关于 t {\displaystyle t} 和 k {\displaystyle k} 的方程。此外,由于 ϕ ′ ( t ) , ϕ 1 ( t ) , … ψ 2 ( t ) {\displaystyle \phi '(t),\phi _{1}(t),\ldots \psi _{2}(t)} 是关于 t {\displaystyle t} 的幂级数,它们是 t 0 {\displaystyle t_{0}} 邻域内的正则函数,因此行列式可以展开成关于 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 的幂级数,对于 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 充分小的值,它收敛。如果在原始曲线附近存在曲线,它们在尽可能接近 A {\displaystyle A} 的情况下切割该曲线,那么,在对 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 进行充分小的限制后,就可以在给定的限制范围内找到满足该方程的值。
如果我们写 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} ,则量 v , p , q {\displaystyle v,p,q} 分别等于 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}} 等于 v 3 , p 3 , q 3 {\displaystyle v_{3},p_{3},q_{3}} 。
在这种情况下,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}}}
它恒等于零。因此,关于 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 和 k {\displaystyle k} 的幂级数将对于 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 消失,无论 k {\displaystyle k} 的值为多少;因此,该级数可被 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 整除。
因此,当行列式被 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 除以后,对于值 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}
我们在第 128 和 129 条中看到
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}} 的共轭点,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}
那么我们可以得出
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 } 是一个非零常数。
我们进一步得到,由于
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)}
关系
[ 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')}}}
不等于零。
因此可以看出 Θ ( t , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t,t_{0})} 的导数在函数本身为零的位置并不为零。
同时,我们也表明只要 k {\displaystyle k} 和 t − t 0 {\displaystyle t-t_{0}} 保持在有限范围内,方程19) 就不满足;因此,相邻曲线不可能无限接近初始点,在该点两条曲线都经过,然后第二次相交。
由于变量 t {\displaystyle t} 的选择范围很大,并且常数 α {\displaystyle \alpha } 和 / b e t a {\displaystyle /beta} 可以以多种方式选择,因此可以给出函数 Θ {\displaystyle \Theta } 的多种形式。严格来说,还需要证明方程 Θ ( t , t 0 ) {\displaystyle \Theta (t,t_{0})} 的解总是导致相同的共轭点,无论 Θ {\displaystyle \Theta } 的形式如何;然而,这些点的几何意义使得这种证明变得多余。