变分原理

更新时间:2022-09-23 16:22

变分原理是自然界静止(相对稳定状态)事物中的一个普遍适应的数学定律,也称最小作用定理。也是物理学的一条基本原理,以变分法来表达。

背景

把一个力学问题(或其他学科的问题)用变分法化为求泛函极值(或驻值)的问题,就称为该物理问题 (或其他学科的问题)的变分原理。如果建立了一个新的变分原理,它解除了原有的某问题变分原理的某些约束条件,就称为该问题的广义变分原理;如果解除了所有的约束条件,就称为无条件广义变分原理,或称为完全的广义变分原理。1964年,钱伟长教授明确提出了引进拉格朗日乘子(Lagrange multiplier)把有约束条件的变分原理化为较少(或没有)约束条件的变分原理的方法。日本的鹫津一郎教授、中国科学院院士钱伟长教授和刘高联教授等都是这方面的世界级大师。变分原理在物理学中尤其是在力学中有广泛应用,如著名的虚功原理最小位能原理、余能原理和哈密顿原理等。在当代变分原理已成为有限元法的理论基础,而广义变分原理已成为混合和杂交有限元的理论基础。在实际应用中,通常很少能求出精确的解析解,因此大多采用近似计算方法。近似计算方法主要有:李兹法、伽辽金法、康托洛维奇法、屈列弗兹法等。

变分定义

根据科内利乌斯·兰佐斯的说法,任何可以用变分原理来表达的物理定律描述一种自伴的表示。这种表示也被说成是厄米的,描述了在厄米变换下的不变量菲利克斯·克莱因爱尔兰根纲领试图鉴识这类在一组变换下的不变量。在物理学的诺特定理中,一组变换的庞加莱群(广义相对论中被称为规范)定义了在一组依赖于变分原理的变换下的对称性,即作用原理。

变分法是讨论泛函极值的工具,所谓泛函,是指函数的定义域是一个无限维的空间,即曲线空间。在欧氏平面中,曲线的长的函数是泛函的一个重要的例子。一般来说,泛函就是曲面空间到实数集的任意一个映射。

函数的微分定义式为f(x+Δx)-f(x)=f'(x)Δx+o(x);那么泛函的微分有类似的定义:Φ(γ+h)-Φ(γ)=F+R,此处F为h的函数,R=o(h^2).注意,这里和微分不同的是h不一定是无穷小量。设有一个体系,其中能量的有关条件已知,换句话说,已经知道体系的哈密顿算符H。如果不能解薛定谔方程来找出波函数,可以任意猜测一个归一化的波函数,比如说φ,结果是根据猜测的波函数得到的哈密顿算符的期望值将会高于实际的基态能量。变分原理是变分法的基本原理,用于量子力学和量子化学来近似求解体系基态

示例

最速降线命题

1695年,Bernoulli以公开信方式提出了最速降线命题。如图1所示,设有不在同一垂线上的A、B两点,在此两点间连一曲线,有一重物沿此曲线下滑,忽略各种阻力的理想情况,什么曲线能使重物沿曲线AB光滑下滑的时间最短。

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