变分法-数值求解剖析
变分法.doc讲解
§1 变分法简介作为数学的一个分支，变分法的诞生，是现实世界许多现象不断探索的结果，人们可以追寻到这样一个轨迹：约翰·伯努利（Johann Bernoulli ，1667－1748）1696年向全欧洲数学家挑战，提出一个难题：“设在垂直平面内有任意两点，一个质点受地心引力的作用，自较高点下滑至较低点，不计摩擦，问沿着什么曲线下滑，时间最短？”这就是著名的“最速降线”问题（The Brachistochrone Problem ）。
它的难处在于和普通的极大极小值求法不同，它是要求出一个未知函数（曲线），来满足所给的条件。
这问题的新颖和别出心裁引起了很大兴趣，罗比塔（Guillaume Francois Antonie de l'Hospital 1661-1704）、雅可比·伯努利（Jacob Bernoulli 1654-1705）、莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716）和牛顿（Isaac Newton1642—1727）都得到了解答。
约翰的解法比较漂亮，而雅可布的解法虽然麻烦与费劲，却更为一般化。
后来欧拉（Euler Lonhard ，1707～1783）和拉格朗日(Lagrange, Joseph Louis ，1736-1813)发明了这一类问题的普遍解法，从而确立了数学的一个新分支——变分学。
有趣的是，在1690年约翰·伯努利的哥哥雅可比·伯努利曾提出著名的悬链线问题 (The Hanging Chain Problem)向数学界征求答案，即，固定项链的两端，在重力场中让它自然垂下，问项链的曲线方程是什么。
在大自然中，除了悬垂的项链外，我們还可以观察到吊桥上方的悬垂钢索，挂着水珠的蜘蛛网，以及两根电线杆之间所架设的电线，这些都是悬链线（catenary ）。
伽利略（Galileo, 1564～1643）比贝努利更早注意到悬链线，他猜测悬链线是抛物线，从外表看的确象，但实际上不是。
变分法——精选推荐
变分法综述1.变分法1.1.变分法起源变分法是17世纪末发展起来的一门数学分支，主要是古典变分法，它理论完整，在力学、光学、物理学、摩擦学、经济学、宇航理论、信息论和自动控制论等诸多方面有广泛应用。
20世纪中叶发展起来的有限元法，其数学基础之一就是变分法。
[1]变分法是处理泛函的数学领域，和处理函数的普通微积分相对。
譬如，这样的泛函可以通过未知函数的积分和它的导数来构造。
变分法最终寻求的是极值函数：它们使得泛函取得极大或极小值。
有些曲线上的经典问题采用这种形式表达：一个例子是最速降线，在重力作用下一个粒子沿着该路径可以在最短时间从点A 到达不直接在它底下的一点B 。
在所有从A 到B 的曲线中必须极小化代表下降时间的表达式。
变分法的关键定理是欧拉－拉格朗日方程。
它对应于泛函的临界点。
在寻找函数的极大和极小值时，在一个解附近的微小变化的分析给出一阶的一个近似。
它不能分辨是找到了最大值或者最小值（或者都不是）。
变分法在理论物理中非常重要：在拉格朗日力学中，以及在最小作用量原理在量子力学的应用中。
变分法提供了有限元方法的数学基础，它是求解边界值问题的强力工具。
它们也在材料学中研究材料平衡中大量使用。
而在纯数学中的例子有，黎曼在调和函数中使用狄力克雷原理。
最优控制的理论是变分法的一个推广。
[2]同样的材料可以出现在不同的标题中，例如希尔伯特空间技术，摩尔斯理论，或者辛几何。
变分一词用于所有极值泛函问题。
微分几何中的测地线的研究是很显然的变分性质的领域。
极小曲面（肥皂泡）上也有很多研究工作，称为Plateau 问题。
1.2变分问题类型固定边界的变分问题，可动边界的变分问题，条件极值变分问题和参数形式的变分问题。
[3]（1）古典变分问题举例 例1：最速降线或捷线问题（Brachistorone or curve of Steepest descent ）问题。
这是历史上出的第一个变分法问题，1696年约翰·伯努利提出的。
曲线问题的变分法数值求解
曲线问题的变分法数值求解在数学中，曲线问题一直是一个重要的研究领域。
曲线问题的变分法是解决这些问题的一种有效方法。
本文将探讨曲线问题的变分法数值求解。
1. 引言曲线问题涉及找到一条曲线，使得某一特定函数的变分最小。
变分法是一种基于泛函分析的方法，用于处理函数的变分问题。
变分法基于拉格朗日函数的最小值定义，通过对拉格朗日函数求导以获得最优解。
2. 变分法基本原理变分法的基本原理是将问题转化为一个极值问题。
给定一个函数F[f]，其中f是一个未知函数，我们的目标是找到一个f使得F[f]达到极小值。
根据变分法的原理，我们可以得到欧拉-拉格朗日方程：δF/δf - d(δF/δf')/dx = 0其中δ表示对函数f和其导数f'的微小变化，δF/δf表示拉格朗日函数F[f]对f的变化率，d(δF/δf')/dx表示拉格朗日函数F[f]对f'的导数的变化率。
通过求解这个方程，我们可以得到最优解。
3. 数值求解方法为了求解曲线问题的变分法，我们通常需要使用数值方法。
一种常用的数值方法是有限元法。
该方法将问题划分为许多小的区域，然后使用逼近函数来近似解。
通过求解线性方程组，我们可以得到数值解。
4. 实例分析为了进一步说明曲线问题的变分法数值求解，我们考虑一个具体例子。
假设我们要找到连接两个给定点的最短路径。
我们可以将路径表示为一条曲线，并使用变分法来找到最优解。
首先，我们将路径表示为一个函数f(x)，其中x表示路径上的位置。
我们可以定义路径的长度L[f]为其弧长积分：L[f] = ∫√(1+f'(x)^2) dx我们的目标是最小化此路径的长度。
通过求解欧拉-拉格朗日方程，我们可以得到最优解。
然后，我们使用有限元法来数值求解此问题。
我们将路径划分为若干个小区域，并在每个区域中选择一个逼近函数。
通过求解线性方程组，我们可以得到离散化的近似解。
5. 结论曲线问题的变分法数值求解是解决曲线问题的一种有效方法。
变分法
tf
t0
M (t )(t )dt 0 。则在 [t 0 , t f ] 内， M (t ) 0 。
（用反证法容易证明，略） 。 二、无约束条件的泛函极值 求泛函 J
tf
t0
(t ), t ]dt （1）的极值，一般是用泛函极值的必要条件去寻找 F[ x(t ), x
一条曲线 x(t ) ，使给定的二阶连续可微函数 F 沿该曲线的积分达到极值。常称这条曲线为 极值曲线（或轨线） ，记为 x (t ) 。 1．端点固定的情况 设容许曲线 x(t ) 满足边界条件 x(t 0 ) x0 , x(t f ) x f ，且二次可微。 首先计算（1）式的变分：
t t f dt f 。寻找端点变动情况的必要条件，可仿照前面端点固定发问进行推导，即有
0 J
t f dt
t0
x , t ]dt | 0 F[ x x, x
t f dt
t0
)dt | 0 F ( x x, x x , t f dt f )dt f | 0(t t f dt f ) ( Fxx Fx x
tf x , t ] 0 dt J [ x(t ) x(t )] 0 F[ x x, x t0 tf
J
ห้องสมุดไป่ตู้
, t )x Fx , t )x ]dt [ Fx ( x, x ( x, x
t0
（2）
对上式右端第二项做分布积分，并利用 x(t 0 ) x(t f ) 0 ，有
件，有 J
tf
[ Fx
它是这类最简泛函取极值的必要条件。 最简泛函取极值的必要条件可以推广到多元泛函的情 况，如二元泛函
参数变分法
参数变分法参数变分法（Parameter Variation Method）引言参数变分法是一种数学方法，用于求解函数的最优值或极值问题。
它在各个学科领域都有广泛的应用，如物理学、工程学、经济学等。
本文将介绍参数变分法的基本原理和应用领域。
一、基本原理参数变分法是以变分计算为基础的一种数值分析方法。
变分计算是对函数进行微小的变化，并求得其变化量与函数变量之间的关系。
参数变分法的基本思想是将待求函数表示为一系列已知函数的线性组合，通过确定系数来使得目标函数取得最优值。
二、具体步骤参数变分法的具体步骤如下：1. 假设待求函数为一系列已知函数的线性组合，其中的系数是待定的。
2. 将待求函数代入到目标函数中，得到一个关于系数的函数。
3. 对得到的函数进行求导，并令导数等于零，求得系数的值。
4. 将求得的系数代入到待求函数中，得到最优解。
三、应用领域参数变分法在各个学科领域都有广泛的应用。
以下列举几个常见的应用领域：1. 物理学在物理学中，参数变分法被用于求解拉格朗日方程和哈密顿方程中的未知函数。
通过参数变分法，可以求得粒子的最优路径、最小作用量等物理量。
2. 工程学在工程学中，参数变分法被用于优化设计和结构的变化。
通过参数变分法，可以求得结构的最优形状、最小材料使用量等问题。
例如，可以通过参数变分法来优化飞机的翼型，使其在不同飞行速度下具有最佳的升阻比。
3. 经济学在经济学中，参数变分法被用于求解经济模型中的最优策略和效用函数。
通过参数变分法，可以求得最大化利润、最小化成本等经济指标。
例如，可以通过参数变分法来求解企业的最优产量和定价策略，使其获得最大的利润。
4. 计算机科学在计算机科学中，参数变分法被用于求解优化问题和机器学习中的参数估计。
通过参数变分法，可以求得模型的最优参数，以最大程度地拟合数据。
例如，在深度学习中，可以通过参数变分法来求解神经网络中的权重和偏置，以最小化损失函数。
结论参数变分法是一种重要的数学方法，具有广泛的应用领域。
变分法原理
变分法原理变分法是数学中一种非常重要的方法，它在物理学、工程学、经济学等领域都有着广泛的应用。
变分法的核心思想是寻找函数的极值，通过对函数进行微小的变化，来求解极值问题。
在本文中，我们将介绍变分法的基本原理及其在不同领域中的应用。
首先，让我们来看一下变分法的基本原理。
对于一个函数f(x)，我们希望找到它的极值点。
为了简化问题，我们可以假设函数f(x)在一个区间[a, b]上连续且可微。
现在，我们要找到一个函数φ(x)，它在区间[a, b]上也连续且可微，并且满足φ(a)= α，φ(b) = β，其中α和β为给定的常数。
我们定义一个新的函数J(φ) = ∫[a, b] L(x, φ(x), φ'(x)) dx，其中L(x, y, y')为关于x, y, y'的函数。
那么，我们的目标就是找到一个φ(x)，使得J(φ)取得极值。
为了实现这一目标，我们引入变分。
对于φ(x)，我们对它进行微小的变化，即φ(x) + εη(x)，其中ε为一个足够小的正数，η(x)为任意的可微函数，并且满足η(a) = η(b) = 0。
然后，我们计算J(φ(x) + εη(x))关于ε的导数，并令其为0。
通过求解这个方程，我们可以得到一个关于η(x)的方程。
这个方程就是欧拉-拉格朗日方程，它是变分法的基本方程之一。
通过欧拉-拉格朗日方程，我们可以得到φ(x)满足的微分方程。
解这个微分方程，就可以得到函数φ(x)的表达式。
这个表达式就是我们要找的函数，它使得J(φ)取得极值。
这就是变分法的基本原理。
除了数学中的应用，变分法在物理学中也有着重要的应用。
例如，它可以用来求解拉格朗日力学中的运动方程，以及量子力学中的路径积分。
在工程学中，变分法可以用来求解弹性力学中的边界值问题，以及优化问题中的约束条件。
在经济学中，变分法可以用来求解效用最大化和生产函数最优化等问题。
总之，变分法是一种非常重要的数学方法，它在不同领域中都有着广泛的应用。
变分法
寻求最优性能指标（目标函数）J (u(t)) (t f , x(t f ))
tf F(t, x(t),u(t))dt
t0
u(t) S 控制函数 f ,, F C1
x(t)
状态函数 t0固定，t f 、x(t f )自由
下面推导取得目标函数极值的最优控制策略u* (t) 和最优轨线 x* (t) 的必要条件。
变分法的基本引理 (x) C[x1, x2 ], (x) C1[x1, x2 ], (x1) (x2 ) 0, 则
x2 (x)(x)dx 0 x1
(x) 0,
x [x1, x2]
泛函极值的必要条件
F C(2) , 容许函数类S取为满足端点条件的二阶可微函数集合。
最优控制问题求解
J1 0
dt f , x(t f ), x, u,任意
x* , * 必满足正则方程：
x
H H
x
状态方程 协态方程
H (t, x*, u, * ) 满足 Hu 0
利用边界条件（端点条件）
x(t0 ) x0
(t f
)
x(t f
)
t2
J (x(t),u(t)) F(t, x(t), x' (t),u(t),u' (t))dt
t1
其欧拉方程为
Fx
Fu
d
dt d
dt
Fx' Fu '
0 0
端点变动的情况（横截条件）
在考虑泛函极值时，如果容许函数 x(t) 的一个端点不固定，而是在一条曲线
x (t) 上变动，于是端点条件可以表示为
求解微分方程的常用方法
求解微分方程的常用方法微分方程是数学的一个重要领域，在各个科学领域中都有着广泛的应用。
求解微分方程是解决实际问题的重要方法之一。
本文将介绍一些求解微分方程的常用方法。
一、解析解法解析解法是指用变量分离、母函数法、变量代换等方法，将微分方程转化为一些已知函数的方程，从而求得方程的解。
变量分离法是一种常见的解析解法。
对于形如y'=f(x)g(y)的微分方程，可以将其变为dy/g(y)=f(x)dx的形式，进而通过积分得到y的解。
母函数法是将微分方程变成一个恒等式的形式，从而求出微分方程的通解。
变量代换法则是通过适当的变量代换，使微分方程变为已知形式的微分方程，进而求出其解。
二、初值问题法初值问题法通常用于求解一阶微分方程的初值问题。
该方法的基本思路是先求得微分方程的通解，然后利用给定的初始条件（即初值），确定通解中的任意常数，从而得到特解。
三、数值解法数值解法是指将微分方程转化为一个差分方程，利用数值方法求得近似解。
数值解法的基本思路是将区间分为若干小段，然后在每一小段上通过近似计算求得微分方程的解。
常用的数值方法包括欧拉法、梯形法、龙格-库塔法等。
这些方法的特点是简单易实现，但对于复杂的微分方程而言，计算量较大，精度也有限。
四、级数解法级数解法是将微分方程的解表示为幂级数的形式，从而求解微分方程。
这种方法的思路是假设微分方程的解为幂级数的形式，然后代入微分方程得到一组关于幂级数系数的递推公式，进而求得幂级数的系数，并由此得出微分方程的解。
五、特殊函数解法特殊函数解法是指利用已知的特殊函数求解微分方程。
一些常见的特殊函数包括贝塞尔函数、连带勒让德函数、超几何函数等。
这些特殊函数有着特殊的性质，可以用于求解某些类型的微分方程。
例如，我们可以用贝塞尔函数求解振动问题中的一些微分方程。
六、变分法变分法是一种通过变分原理，求解微分方程的方法。
变分法需要通过变分原理，利用根据函数微小变化的变分量所对应的增量来导出微分方程的一些重要性质。
变分法-数值求解汇总
变分法-解基态
具体做法： 1、尝试波函数的选取 ( ) 2、计算能量平均值 * Hd H ( ) (14) * d 3、将 H 对λ 取极小值 ( H ( )) 0 (15)
4、将得到的λ 带回 H ( ) 和 ,即得到基态能量E 和波函数的近似值。
1、通过变分原理导出定态薛定谔方程。 2、通过定态薛定谔方程在变分原理下， 推出了结论：满足薛定谔方程的归一化本 征函数，必然使平均能量，即相应于本征 态的本征能量取极小值。 3、给出了变分法求基态与激发态能量和 波函数的方法。 4、用变分法解无限深势阱与常规方法进 行比较。
12.8粒子在势场 V（x)=g|x| , g>0 中运动，试用变分法求基态能级 的上限，并和精确值比较，试探 波函数取下列几种类型：
2 1
a
a
得
315 N a (6) 2 16( 8 28)
2
例题—无限深势阱
变分法求解 2、能量平均值
2 a d 2 E 2 dx (7) a 2m dx
3 112 36 60 2 (8) 得 E ( ) 2 2 4 8 28 m a
x 2 x 4 C0 C 2 ( ) C 4 ( ) （4） a a
其次，取前三项，根据条件得
x 2 x 4 ( , x) N 1 ( ) (1 )( ) (5) a a
例题—无限深势阱
变分法求解 1、波函数的选取 再次，归一化
(5) 及 H * * 由(4)得 H (6)
由(5)可知，拉格朗日不定乘子实际上是体系的本 征能量。
(2)相应于本征态的本征能量取极小值
变分法-数值求解
1
(
x a
)2
(1
)(
x a
)4
(5)
例题—无限深势阱
变分法求解 1、波函数的选取
再次，归一化
a 2 1 a
得
N
2a
16(2
315
8
28)
(6)
例题—无限深势阱
变分法求解 2、能量平均值
2
E 2m
a
a
变分法小结
变分法只给出能量的上限 优点：计算简单 缺点：无法估计误差大小 变分法可采用单参数，也可采用多参数 重中之重在于波函数的选取
例题—无限深势阱
题目：粒子在无限深势阱（-a<x<a）中运动，求 基态能量和波函数。
常规法求得
精确解： 1(x)
1 cos x ,a x a
的约束条件下的极值条件得
* H d * d 0 (3)
其中λ是约束条件(2)的拉格朗日不定乘子。
(1)薛定谔方程的变分原理
由(3)及H 的厄米性，得
0 d{ *H *H ( * * )}
0 d{ *(H ) (H* * *)} (4)
(
* n
* n
)H
(
n
n
)d
(11)
En
[
* n
H
n
n*H
n
* n
H
n
]d
En [ n*H n n*H n ]d + ( n*H n )d (12)
变分法数值求解
(2)相应于本征态的本征能量取极小值
薛定谔方程
H n E n (７)
在归一化条件下 * d 1 (8)
对波函数作一微小的变动
n
n
n
,
* n
* n
* n
(9)
则归一化条件变为
(
* n
* n
)(
n
n )d
1
即
[ n* n
n
* n
]d
n
2
d
(10)
(2)相应于本征态的本征能量取极小值
那么具体是怎样选择试探波函数了？下面我们来分 析一下。
首先题中给出的势场V（x)=g|x|，满足
V(x)=V(-x),这样哈密顿量
H
2
2m
d2 dx2
|
x|
在宇称变换P下不变，一维定态问题的束缚态并不简
并，应有确定的宇称，其中基态无节点必为偶宇称
态。
再根据节点交错定理和宇称交错定理，第一激发态有一个节 点为奇宇称态。此外，由于势函数没有奇异性，束缚定态的 波函数还应该满足波函数以及一阶导数连续的条件。
2
E 2m
a
a
d 2
dx2
dx (7)
得
E()
3 4
112 36 60 2 8 28
2 ma 2
(8)
例题—无限深势阱
变分法求解
3、取极值 E() 0 ( 9)
得两根 1 1.2207500 , 2 8.317712
代入E得
E(1) 1.233719
2 ma 2
1.0000147
(1)薛定谔方程的变分原理
经典力学中
变分原理 => 哈密顿方程 S 0
函数的变分法与变分原理
函数的变分法与变分原理1. 函数的变分法函数的变分法是研究函数在微小变化时的变化率的方法。
它在数学分析、物理学和工程学等领域都有广泛的应用。
函数的变分法的基本思想是，对于一个给定的函数y=f(x)，如果我们对自变量x 进行一个微小的变化δx，那么函数值y也将发生一个微小的变化δy。
这个微小的变化δy可以表示为：δy=f(x+δx)−f(x)函数的变分δy与自变量的变分δx的比值称为函数的变分导数，记为y′：y′=δy δx函数的变分导数表示函数在自变量发生微小变化时，函数值的变化率。
2. 变分原理变分原理是函数的变分法的一种特殊形式，它适用于某些特殊的函数，例如，泛函。
泛函是一个将函数映射到实数的函数。
泛函通常用J[y]表示，其中y是函数的自变量。
变分原理的基本思想是，对于一个给定的泛函J[y]，如果我们对函数y进行一个微小的变化δy，那么泛函的值J[y]也将发生一个微小的变化δJ。
这个微小的变化δJ可以表示为：δJ=J[y+δy]−J[y]如果对于任何微小的变化δy，泛函的值δJ都为零，那么泛函J[y]就称为是极值的。
3. 变分法的应用变分法在数学分析、物理学和工程学等领域都有广泛的应用。
3.1 数学分析在数学分析中，变分法可以用来求解微分方程、积分方程和泛函方程等。
例如，欧拉-拉格朗日方程就是变分法的基本方程之一，它可以用来求解微分方程和泛函方程。
3.2 物理学在物理学中，变分法可以用来求解经典力学、电磁学和量子力学等领域中的方程。
例如，哈密顿原理就是变分原理在经典力学中的一个应用，它可以用来求解牛顿第二定律。
3.3 工程学在工程学中，变分法可以用来求解结构力学、流体力学和热力学等领域中的方程。
例如，最小作用量原理就是变分原理在结构力学中的一个应用，它可以用来求解梁和柱的变形问题。
4. 总结函数的变分法与变分原理是数学分析、物理学和工程学等领域的重要工具。
它们可以用来求解微分方程、积分方程和泛函方程等，并可以应用于经典力学、电磁学、量子力学和结构力学等领域。
变分法
最小势能原理的简单例子
例如在两端固定的柔索，可以有各种形状，但 只有一种是真实的，这一种使得柔索的总势能为最 小。 再以最简单的轴向受压的杆件为例， 总势能包括外力势能和弹性体的变形势 能，这两个势能都以杆件顶部的位移为 参数，随位移增大，弹性体的应变能增 大，而外力势能减小，其变化曲线如图 所示： 1 2 U Cu 2 V Fu 其中C为杆的刚度。
6
x, x yz , yz
y, y zx , zx
z z xy , xy
1 有 U x x y y z z yz yz zx zx xy xy dxdydz 2 U δ x ... δ yz ... d x d y d z yz x
15
使用最小势能原理的解题方法： 直接法：假设容许位移函数，用最小势能原理求其中的 待求参数。如果假设的位移函数不完备，则解是近似的， 相当于多加了位移约束，结构偏刚硬，近似解小于真实 位移。
欧拉法：用最小势能原理推导出等效的平衡方程和力边界
条件，求解微分方程的边值问题。
Chapter 10.4
ui 0
0 ain
19
迦辽金法 (Galerkin)
基本思路： 寻找一组（n个）满足所有边界条件的容许函数。用这 些容许函数的组合构造一个试函数 。
用微分方程的加权余量格式得到近似解，不需要泛函。
弹性力学问题的基本微分方程存在对应的泛函，故可 以从能量的极值原理推导出Galerkin法的基本方程。
最小势能原理������ ������ 在给定的外力作用下，满 足位移边界条件的各组位移中， 实际存在的位移，应使系统的总 势能成为驻值。当系统处于稳定 衡时，总势能取极小值，通常也 为最小值。
变分法简介剖析课件
• 引言 • 变分法的基本概念 • 变分法的应用领域 • 变分法的实际案例解析 • 变分法的求解方法 • 变分法的未来展望
目录
Part
01
引言
主题介绍
什么是变分法
变分法是数学的一个重要分支，主要 研究函数的变分问题，即函数在某个 特定条件下的变化量。
变分法在数学中的地位
变分法的应用领域
近似解。
适用范围
适用于简单的问题，如一维问 题或某些特定形状的二维问题
。
优点
简单直观，易于理解。
缺点
对于复杂问题，可能需要大量 的计算资源和时间。
有限元素法
有限元素法
将变分问题转化为有限元方程组 ，通过求解该方程组得到近似解 。
缺点
计算量大，需要较高的计算资源 和时间。
适用范围
适用于各种形状和维度的复杂问 题。
变分法广泛应用于物理学、工程学、 经济学等领域，如最小作用原理、弹 性力学、经济学中的最优控制问题等 。
变分法在数学中占有重要地位，是解 决优化问题、微分方程和积分方程等 问题的有力工具。
课程目标
掌握变分法的基本概念和原理
01
通过本ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ程的学习，学生应掌握变分法的基本概念和原理，了
解变分的计算方法和性质。
们可以求解出这些路径的具体形式和性质。
工程学
在工程学中，变分法被用于解决结构优化、控制工程、流体动力学等领域的问题。
在工程学中，变分法被广泛应用于结构优化、控制工程和流体动力学等领域。在结构优化中，变分法可以帮助我们找到最优 的结构设计，使得结构的性能达到最优。在控制工程中，变分法可以帮助我们找到最优的控制策略，使得系统的性能达到最 优。在流体动力学中，变分法可以帮助我们找到最优的流体流动路径，使得流体的流动效率达到最优。
(完整版)变分法简介(简单明了易懂)
§1 变分法简介作为数学的一个分支，变分法的诞生，是现实世界许多现象不断探索的结果，人们可以追寻到这样一个轨迹：约翰·伯努利（Johann Bernoulli ，1667－1748）1696年向全欧洲数学家挑战，提出一个难题：“设在垂直平面内有任意两点，一个质点受地心引力的作用，自较高点下滑至较低点，不计摩擦，问沿着什么曲线下滑，时间最短？”这就是著名的“最速降线”问题（The Brachistochrone Problem ）。
它的难处在于和普通的极大极小值求法不同，它是要求出一个未知函数（曲线），来满足所给的条件。
这问题的新颖和别出心裁引起了很大兴趣，罗比塔（Guillaume Francois Antonie de l'Hospital 1661-1704）、雅可比·伯努利（Jacob Bernoulli 1654-1705）、莱布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz,1646-1716）和牛顿（Isaac Newton1642—1727）都得到了解答。
约翰的解法比较漂亮，而雅可布的解法虽然麻烦与费劲，却更为一般化。
后来欧拉（Euler Lonhard ，1707～1783）和拉格朗日(Lagrange, Joseph Louis ，1736-1813)发明了这一类问题的普遍解法，从而确立了数学的一个新分支——变分学。
有趣的是，在1690年约翰·伯努利的哥哥雅可比·伯努利曾提出著名的悬链线问题 (The Hanging Chain Problem)向数学界征求答案，即，固定项链的两端，在重力场中让它自然垂下，问项链的曲线方程是什么。
在大自然中，除了悬垂的项链外，我們还可以观察到吊桥上方的悬垂钢索，挂着水珠的蜘蛛网，以及两根电线杆之间所架设的电线，这些都是悬链线（catenary ）。
伽利略（Galileo, 1564～1643）比贝努利更早注意到悬链线，他猜测悬链线是抛物线，从外表看的确象，但实际上不是。
2012电磁场数值计算(变分法)解读
29
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
30
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
31
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
32
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
11
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
12
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
13
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
14
电磁场数值计算
华北电力大学电气与电子工程学院
33
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
34
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
15
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
16
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
17
电磁场数值计算
主讲人： 王泽忠
2019/2/20
华北电力大学电气与电子工程学院
华北电力大学电气与电子工程学院
2
变分法原理与技术
变分法原理与技术变分法是一种在数学和物理学中常用的技术和原理，用来找到函数的最值或满足一定条件的函数。
它的思想是将寻找特定函数的问题转化为寻找一个函数空间中的曲线的问题，通过求取曲线的极值来获得原函数的特定性质。
在变分法中，首先要定义一个函数空间，通常是一组满足其中一种条件的函数。
然后，我们尝试找到在这个函数空间中的函数，使其使得一些泛函（函数的函数）取得极值。
泛函是一个把函数映射到实数的函数，它可以表示函数的其中一种性质，比如能量、曲线长度等。
变分法的关键是求解函数的变分，即函数在无穷小变换下的改变量。
这个变分可以表示为δf，其中δ表示无穷小变分符号。
利用变分法，我们可以得到一个关于δf的表达式，套用极值条件，即δf=0，从而求解出δf=0时的函数f。
变分法的实际应用非常广泛，特别是在物理学领域中。
例如，著名的欧拉-拉格朗日方程就是通过变分法得到的。
欧拉-拉格朗日方程描述了物体在作用力下运动的运动方程，它将物体的能量表示为运动路径的积分，并通过求解能量的变分获得运动路径。
另一个常见的应用是最小作用量原理，它是变分法在经典力学中的一种应用，描述了物体在满足作用力的条件下，其运动路径满足使作用量取得极小值的原则。
最小作用量原理是描述了自然界运动的基本规律之一，并被广泛用于描述多种物理现象，比如光学、电磁学等。
除了在物理学领域，变分法还广泛应用于数学的分析和控制论中。
在数学分析中，变分法常用于函数空间中的极值问题，比如计算函数的最大值、最小值等。
在控制论中，变分法常用于描述动态系统中的最优控制问题，通过设定控制函数的变分和系统的动力学方程，可以得到满足一定约束条件下的最优控制函数。
总结来说，变分法是一种求解函数最值或满足一定条件的函数的一种技术和原理。
它通过在函数空间中寻找使泛函取得极值的函数，从而求解出满足特定条件的函数。
变分法在数学和物理学中有广泛的应用，是研究和解决复杂函数问题的重要工具之一。
9.变分法-数值求解
x 2 x 4 C0 C 2 ( ) C 4 ( ) （4） a a
其次，取前三项，根据条件得
x 2 x 4 ( , x) N 1 ( ) (1 )( ) (5) a a
例题—无限深势阱
变分法求解 1、波函数的选取 再次，归一化
xe
,
我们先来看看计算结果，是否符合这样的判断。
现在取试探波函数 （ ，x ) Ne 来计算基态波函数及其能量。 1 按照变分法，先计算在 2 x2 2 （ ， x ) N e 下的能量的期望值： （1） dx x H x
1 2 2 x 2
H
而波函数的模平方
1 g 3 E 123 m 8 2 2
1 3
1 3
2g 2 E0 0.80862 m
1 3
1 3
(c)
三种变分法结果以（b）结果为最好，比精确值高0.5%； （c）结果比精确值高6%；（a）结果最差，比精确值高 17%。究其原因，主要在于：真正的基态波函数，在x=0 处 及 d dx 均应连续，而且由于 为偶宇称， 0 0 三种试探波函数中只有（b）满足这些条件，在 x ~ 0 处 的性质比较接近真实情况，因此所 （概率最大的区域） 得能量值更接近于真实的基态能级。
x dx x
2 x2
dx x x
dxe
1 y 2 dye
（2）
粒子的哈密顿量
2 d 2 H x T V 2 2m dx
按照（1），（2）式可得，能量期望值为：
(1)薛定谔方程的变分原理
理解变分法-概述说明以及解释
理解变分法-概述说明以及解释1.引言1.1 概述在数学和物理学领域中，变分法是一种重要的数学工具和方法，用于解决极值问题。
变分法通过构建一个泛函，对其中的函数进行变分，来求解函数在给定条件下使得泛函取得极值的问题。
变分法的核心思想是在一个函数空间中寻找函数的极值点，这使得它在科学和工程领域中具有广泛的应用。
在现代物理学中，变分法被广泛应用于解决复杂的动力学问题。
例如，在经典力学中，变分法可以用于推导出作用量原理，从而得到运动方程。
在量子力学中，变分法则可以用于计算量子态的能量最小值，从而研究原子结构和分子动力学。
在工程领域中，变分法也被广泛应用于结构力学、热传导等领域。
通过变分法，工程师可以求解各种复杂的边值问题，优化结构设计，提高工程效率。
总的来说，变分法是一种强大的数学工具，它在解决各种科学和工程问题中都发挥着重要作用。
本文将通过深入探讨变分法的基本原理及其在物理学和工程领域的应用，来帮助读者更好地理解和应用这一方法。
1.2 文章结构文章结构部分将介绍整篇文章的组织架构和内容安排。
首先，我们将从引言部分入手，包括概述、文章结构和目的。
在引言中，我们将简单介绍变分法的概念和背景，以及本文的目的和重要性。
随后，我们将进入正文部分，主要讨论变分法的基本原理、在物理学中的应用以及在工程领域中的应用。
这一部分将详细阐述变分法的基本概念和数学原理，并举例说明在不同领域中如何应用变分法来解决问题以及取得成就。
最后，我们将进行结论部分的总结，强调变分法在各个领域中的重要性和价值，并展望未来变分法的发展方向和应用前景。
通过本文的阐述，读者将对变分法有更深入的理解，并认识到其在科学研究和工程实践中的重要作用。
1.3 目的本文的主要目的是帮助读者更深入地理解变分法的基本原理以及在物理学和工程领域中的应用。
通过对变分法的概念进行解释和举例，我们将阐明其在不同领域中的重要性和实际应用，希望能够帮助读者更好地理解这一重要的数学工具。
变分法-数值求解剖析共75页文档
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——周 恩来
变分法-数值求解剖析
36、如果我们国家的法律中只有某种 神灵， 而不是 殚精竭 虑将神 灵揉进 宪法， 总体上 来说， 法律就 会更好 。—— 马克·吐 温 37、纲纪废弃之日，便是暴政兴起之 时。— —威·皮 物特
38、若是没有公众舆论的支持，法律 是丝毫 没有力 量的。 ——菲 力普斯 39、一个判例造出另一个判例，它们 迅速累 聚，进 而变成 法律。 ——朱 尼厄斯
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
例题—无限深势阱
题目：粒子在无限深势阱（-a<x<a）中运动，求 基态能量和波函数。 常规法求得 精确解： 1 x 1 ( x) cos , a x a
a 2a 2 E1 1.233701 2 2 8m a ma
22
例题—无限深势阱
变分法求解 1、波函数的选取 (3) 首先，应满足边界条件 ( x) 0, x a 用多项式展开
n n n , (9)
* n * n
* n
* n
则归一化条件变为 即
(
* n
* n
)( n n )d 1
2
[
* n
n
n ]d n d (10)
(2)相应于本征态的本征能量取极小值
2 1
a
a
得
315 N a (6) 2 16( 8 28)
2
例题—无限深势阱
变分法求解 2、能量平均值
2 a d 2 E 2 dx (7) a 2m dx
3 112 36 60 2 (8) 得 E ( ) 2 2 4 8 28 m a
的约束条件下的极值条件得
* *
其中λ 是约束条件(2)的拉格朗日不定乘子。
H d d 0 (3)
(1)薛定谔方程的变分原理
由(3)及H 的厄米性，得
0 d { H H ( )}
* * * *
0 d { * ( H ) ( H * * * )} (4)
x 2 x 4 C0 C 2 ( ) C 4 ( ) （4） a a
其次，取前三项，根据条件得
x 2 x 4 ( , x) N 1 ( ) (1 )( ) (5) a a
例题—无限深势阱
变分法求解 1、波函数的选取 再次，归一化
变分法
第九小组
主讲内容
变分法的原理 变分法解基础例题 变分法波函数的选取 变分法研究势场中存在束缚态的条件 变分法解氦原子
（1）变分法的引入
微扰论虽然是量子力学近似最有效的方案之一，但它也有很 多局限性。 首先要在哈密顿量H中分出H0和微扰H^，而且H0的本征值和 本征函数也要给定。其次，如果要算高级近似，其计算工作量实 际上非常大。 另外，在量子场论的微扰计算中，往往出现发散困难，即 虽在计算最低级近似时，微扰论的结果收敛，但在计算二级或高 级修正后，微扰矩阵元的积分发散。为克服发散困难，通常要用 重整法或维数规则化等方法。 事实上，微扰级数的收敛性质是很难证明的。往往只计算 一级或二级修正，再将所得结果与实验结果比较来看它的符合程 度。
* n * n * n
利用（10）及 H n (H n ) En n
* En En n d En n n d 0 (13) 2
得
(2)相应于本征态的本征能量取极小值
从而证实，满足薛定谔方程的本征函数， 使本征能量 En 取最小值
相应的 n 态的平均能量或能量本征值 En 的变化为
* * En En En ( n n )H ( n n )d (11)
* * * En [ n H n n H n n H n ]d
En [ H n H n ]d + ( H n )d (12)
0
0
变ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ法-解第一激发态
做法 1、给尝试波函数加上条件
* 0 ( )d 0
2、重复上述2、3、4步骤，即得到第一激发 态能量和波函数的近似值。
变分法小结
变分法只给出能量的上限 优点：计算简单 缺点：无法估计误差大小 变分法可采用单参数，也可采用多参数 重中之重在于波函数的选取
(1)薛定谔方程的变分原理
经典力学中 变分原理 => 哈密顿方程 量子力学中 变分原理 => 薛定谔方程
S 0
(1)薛定谔方程的变分原理
由
H H d (1)
*
及归一化条件
(2) d 1
*
* 可视为独立变量，在 另外由于 是复数， 与
1、通过变分原理导出定态薛定谔方程。 2、通过定态薛定谔方程在变分原理下， 推出了结论：满足薛定谔方程的归一化本 征函数，必然使平均能量，即相应于本征 态的本征能量取极小值。 3、给出了变分法求基态与激发态能量和 波函数的方法。 4、用变分法解无限深势阱与常规方法进 行比较。
12.8粒子在势场 V（x)=g|x| , g>0 中运动，试用变分法求基态能级 的上限，并和精确值比较，试探 波函数取下列几种类型：
变分法-解基态
具体做法： 1、尝试波函数的选取 ( ) 2、计算能量平均值 * Hd H ( ) (14) * d 3、将 H 对λ 取极小值 ( H ( )) 0 (15)
4、将得到的λ 带回 H ( ) 和 ,即得到基态能量E 和波函数的近似值。
(5) 及 H * * 由(4)得 H (6)
由(5)可知，拉格朗日不定乘子实际上是体系的本 征能量。
(2)相应于本征态的本征能量取极小值
薛定谔方程
H n E n ( ７ )
* (8) 在归一化条件下 d 1 对波函数作一微小的变动
例题—无限深势阱
变分法求解 3、取极值 E ( )
得两根
0 (9)
1 1.2207500 , 2 8.317712
2 E1 代入E得 E (1 ) 1.233719 2 1.0000147 ma 2 E (2 ) 12.7663 2 ma
回顾