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变分法/第十一章

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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 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 的幂级数表示,其中 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 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 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。 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 且属于曲线族 的相邻曲线,如果 的共轭点,则它们再次相交于点 。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 中是正则的,并且 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 的点 的法线两侧的两个点 ,以这样的方式,使得区间 内的法线不被曲线在点 附近的其他任何法线所截。考虑类似于 的长度,这些长度分别对应于曲线上的所有点;那么由点 所围成的曲面,这些点彼此相邻,并且完全包围了曲线 ,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 的曲线 用以下方程表示:

并且我们用以下方程表示满足微分方程 的相邻曲线之一:

两条曲线都将通过同一个点. 如果对于第一条曲线,点对应一个确定的值,则对于第二条曲线,该点将对应另一个值,例如.

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:

;

或者,用的幂展开

其中 表示 <math\tau'</math>、 的二次及更高次幂项。

第 147 条.
我们可以对 求解方程组 4)。假设我们有两个方程

其中三个行列式之一 ,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 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 ,其中 ,c_{2}</math> 和 只需满足以下唯一条件

,

为简洁起见,写成 (参见第 126 条)

;

那么,方程组 4) 中对应于以下行列式的三个表达式

其中 不能同时为零 (第 127 条)。

因此我们可以写成

并进一步对常数 施加条件

如果我们只考虑方程 4) 中的线性项,我们有

从这些方程中,我们得到了 的一阶近似值:

因此,最终得到:

其中 是关于 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

其中,现在, 可以取小于 的值,然后我们有

用于表示对于每个 值,当 同时变得无限小时,也变得无限小的量。

时,由方程 9) 表示的曲线变为原始曲线,我们看到 可以取到很小的值,使得两条曲线的对应点,即属于相同 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 的曲线,这些曲线经过点 并且是第一条曲线的邻近曲线。

第 148 条.
我们可以用 的幂级数代替量 ,它只受以下条件限制:如果 中线性项的系数,则行列式

这个条件由表示两条曲线在点 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 表示该正切,我们有

假设曲线在点 处为正则,因此,量 不会同时为零,因此 不等于零。

因此,等式 4)和 10)的行列式为

将第一行水平乘以 ,第二行乘以 ,并将它们都加到第三行,然后变为

或者,等价于

因此,上述行列式为

(见第 129 条),

这个表达式(loc. cit.)不等于零。

因此,我们可以用 代替 ,并用与上面相同的方法找到 

第 149 条.
在第 89 条中给出了微分方程 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 的曲线。

的坐标,而 (见第 87 条的图)是初始方向与 轴所成的角;此外,用新的坐标系 代替坐标 ,新的原点位于 ,使得

或者

现在如果我们选择 作为自变量,那么

因此

微分方程 ,即

则变为

(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 时, 同时成立,其中 轴是点 切线的方向。

因此,如果 有一个非零的有限值,并且如果 在点 处不会变得无穷大(正如我们假设的那样),因为 及其导数( 由此构成)是其参数的正则函数,因此只有一个 的幂级数可以满足该微分方程,并且其一阶导数在 处为零。

这个幂级数的形式为

将此 值代入方程 13),得到

其中常数 是确定的。

因此,方程 15) 完全确定了满足微分方程 的曲线,其中 是其初始点的坐标,而 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 的原始曲线的邻近曲线。

第 150 条.
因此,我们可以对 设置一个上限,使得所有属于该上限以下的 值并满足微分方程 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。

是原始曲线上点 的坐标,而 是对应于该点的邻近曲线上点的坐标。

如果 是对应于 的点,则其坐标为

此外,由于 是法线的方程,并且 是法线上的一个点,我们有

因此,需要从以下方程中确定

将最后一个方程与第一个和第二个方程结合起来得到

当对于 我们从 中写出它们关于 的幂级数。

由于曲线 的一部分没有奇点,因此 处处不为零,我们可以从方程 17) 中表达,因此也可以表达 的幂级数。如果我们限制自己于 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 必须为零;也就是说, 必须在 的某个值处等于零。因此,我们需要选择 这些量,使得当在 16) 中将 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 的齐次函数;这些方程可以写成

其中 代表 的函数,而 的函数,随着这些函数以及 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 ,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 时,该行列式为 

这只不过是函数 。因此,上述方程组的行列式可以写成 ;由于该行列式必须为零,所以我们必须有

If, now, is a point of the original curve for which and which is not conjugate to , then is different from zero, and we may therefore fix a limit for so that for all values of under this limit the expression is different from zero ; that is, none of the curves which lie very near the original curve can cut this curve at the point or in the neighborhood of it, since we can always find a limit of such a nature that for every value of within the interval 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 , as soon as there is a point in the interval which is conjugate to . For one can then always find for a value sufficiently small that, with very small values of , the sign of is the same as the sign of , and the sign of is the same as that of . But when the function passes through the value zero it changes its sign, as is seen in the following Article. Hence, it follows, as is to be zero, that the expression must vanish once within the interval ; or, in other words: If, in the interval of the original curve, there is a point conjugate to the initial point, then all the curves which lie very close to the first curve, which satisfy the differential equation and which have the same initial point , will cut again the first curve in the neighborhood of the point . 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 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 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 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 处,原始曲线被一条相邻曲线相交,我们有以下方程:

时,行列式变为 。如果对于表示为 幂级数的 ,将它们的值代入行列式中,它将变成关于 的方程。此外,由于 是关于 的幂级数,它们是 邻域内的正则函数,因此行列式可以展开成关于 的幂级数,对于 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 的情况下切割该曲线,那么,在对 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 ,则量 分别等于 ,而量 等于

在这种情况下,行列式具有以下形式

它恒等于零。因此,关于 的幂级数将对于 消失,无论 的值为多少;因此,该级数可被 整除。

因此,当行列式被 除以后,对于值

我们在第 128 和 129 条中看到

以及

如果 的共轭点,使得

那么我们可以得出

其中 是一个非零常数。

我们进一步得到,由于

关系

不等于零。

因此可以看出 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 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。

由于变量的选择范围很大,并且常数可以以多种方式选择,因此可以给出函数的多种形式。严格来说,还需要证明方程的解总是导致相同的共轭点,无论的形式如何;然而,这些点的几何意义使得这种证明变得多余。

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