范函变分
范函变分的定义
设F(x,y(x),y′(x))是三个独立变量x,y(x),y′(x)在区间[x0,x1]上的已知函数,且二阶连续可微,其中y(x)和y′(x)是x的未知函数,则范函J[y(x)]=∫x0x1F(x,y(x),y′(x))dx被称为最简范函,被积函数F称为范函的核.
在y=y(x)的一阶邻域内.任取一曲线y=y1(x),则:δy=y1(x)−y(x),δy′=y1′(x)−y′(x)由泰勒展开式,最简范函J[y(x)]的增量为:ΔJ=J[y1(x)]−J[y(x)]=J[y(x)+δy]−J[y(x)]=∫x0x1F(x,y+δy,y′+δy′)dx−∫x0x1F(x,y,y′)dx=∫x0x1[F(x,y+δy,y′+δy′)−F(x,y,y′)]dx=∫x0x1(Fyδy+Fy′δy′)dx+⋯+∫x0x1[(δy∂y∂+δy′∂y′∂)nF]dx+Rn把∫x0x1(Fyδy+Fy′δy′)dx称为范函的变分,记作δJ.
范函变分的另一种定义
对于任意定值x∈[x0,x1],设函数的增量为δy=y(x)−y0(x)=ϵη(x),则范函J[y(x)+ϵη(x)]可以看成关于ϵ的函数Φ(ϵ),将其在$\ \epsilon=0 $处泰勒展开:
Φ(ϵ)=Φ(0)+Φ′(0)ϵ+⋯+n!Φn(0)ϵn+o(ϵn+1)因此:
J[y+ϵη]=J[y]+dϵd[J(y+ϵη]∣∣∣∣ϵ=0⋅ϵ+(dϵ2d2J)∣∣∣∣ϵ=0⋅2!ϵ2+⋯+(dϵndnJ)∣∣∣∣ϵ=0⋅n!ϵn+o(ϵn+1)记δJ=dϵd[J(y+ϵη)]∣∣∣ϵ=0⋅ϵ,并称之为范函的一阶变分.
可以看出,当范函是最简范函J[y(x)]=∫x0x1F(x,y(x),y′(x))dx,变分其实就是δJ=∫x0x1(Fyη(x)+Fyη′(x))⋅ϵdx=∫x0x1(Fyδy+Fy′δy′)dx其中δy=ϵη(x),与第一种定义一样.
变分导数定义
范函J[y(x)]的范函导数(也叫变分导数),记作δy(x)δJ,它由一阶变分的式子定义:δJ=ϵ⋅dϵd[J(y+ϵη)]∣∣∣∣ϵ=0=∫δy(x)δJϵη(x)dx(1)当范函是最简范函J[y(x)]=∫x0x1F(x,y(x),y′(x))dx时,δJ=∫x0x1(Fyδy+Fyδy′)dx=∫x0x1(Fyη(x)+Fyη′(x))⋅ϵdx=∫x0x1(Fy−dxdFy′)ϵη(x)dx(2)综合式(1)和式(2),固定边界的最简范函的范函导数是:δy(x)δJ=Fy−dxdFy′
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函数的变分δy与函数的增量Δy之间的区别,如图所示:

函数的变分δy是两个不同的函数y(x)和y0(x)在自变量x固定时的差,这是函数发生了改变.
函数的增量Δy是自变量x的增量引发的函数y(x)的增量,函数依然是原来的函数.