写出使下列泛函取极值的欧拉-拉格朗日方程
拉格朗日方法和欧拉方法转换公式
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CH4泛函的条件极值问题
x1
的欧拉方程组
x1 x0
H x , y , z , y ', z ', x dx
d H H 0 y dx y ' H d H 0 z dx z '
2
y
x
0 x y' C1 2 2 1 y' z' x1 z' x dx C 2 2 2 x0 1 y' z' 2 z 1 x
11
泛函的条件极值问题
let ds 1 y '2 z '2 dx dy C1 ds x1 dz x dx C 2 ( x ) x 0 ds 1 x2 1 x2 dx dz x ds x x
2 1 C1 s C2
12
泛函的条件极值问题
例2 求在约束条件 下，泛函
dx u x dt
1 t1 2 2 J x t u dt t 0 2
的极值曲线。边界条件为x(0)=x0，x(t1)任意 解 作辅助函数 t
I
1
0 t1
1 2 2 2 x u t u x x dt H t , x , u, x , u dt
Gz 0
z x, y
G x, y, ( x, y) 0
从约束条件可确定一函数 使 由于所求曲线 位于曲面上
拉格朗日中值定理求极值的方法
拉格朗日中值定理求极值的方法引言拉格朗日中值定理是微积分中一个非常重要的定理，它提供了一种求解函数在某个区间上的极值问题的方法。
通过拉格朗日中值定理，我们可以将求极值的问题转化为求导数为零的问题，从而简化计算过程。
本文将详细介绍拉格朗日中值定理及其应用。
拉格朗日中值定理概述拉格朗日中值定理是法国数学家约瑟夫·路易斯·拉格朗日在18世纪提出的。
它是微积分学中一个重要的基本定理，用于描述函数在某个区间上的平均变化率与瞬时变化率之间的关系。
具体来说，设函数f (x )在闭区间[a,b ]上连续，并且在开区间(a,b )内可导。
那么存在c ∈(a,b )使得f′(c )=f (b )−f (a )b−a 。
换句话说，存在一个点c 位于开区间(a,b )内，在这个点处函数f (x )的导数等于函数在闭区间[a,b ]上的平均变化率。
求解极值问题利用拉格朗日中值定理，我们可以将求解函数在某个区间上的极值问题转化为求导数为零的问题。
具体步骤如下：1. 确定函数f (x )在闭区间[a,b ]上连续，并且在开区间(a,b )内可导。
2. 计算函数f (x )在闭区间[a,b ]上的平均变化率f (b )−f (a )b−a 。
3. 求导数f′(x )，并令其等于平均变化率f (b )−f (a )b−a ，得到方程f′(x )=f (b )−f (a )b−a 。
4. 解方程f′(x )=f (b )−f (a )b−a ，得到方程的根c 。
5. 根据拉格朗日中值定理，点c 即为函数f (x )在闭区间[a,b ]上的极值点。
需要注意的是，在应用拉格朗日中值定理进行求解时，我们需要满足以下条件： •函数f (x )在闭区间[a,b ]上连续，并且在开区间(a,b )内可导。
• 闭区间[a,b ]不包含任何奇点（即函数不可导的点）。
拉格朗日中值定理的应用拉格朗日中值定理广泛应用于求解各种极值问题，下面将介绍几个常见的应用。
任意拉格朗日欧拉算法 -回复
任意拉格朗日欧拉算法-回复拉格朗日欧拉算法（Lagrange-Euler algorithm）是一种经典的数学方法，常用于解决变分计算和极值问题。
它以18世纪的两位数学家约瑟夫·路易·拉格朗日（Joseph-Louis Lagrange）和伦纳德·欧拉（Leonhard Euler）的名字命名。
本文将逐步介绍拉格朗日欧拉算法的概念、应用及其算法步骤。
拉格朗日欧拉算法最早应用于力学领域，用于确定质点在给定时间下的最优轨迹。
它基于变分理论，研究函数的变化及其可能的极值。
为了理解拉格朗日欧拉算法，首先需要了解变分计算的基本概念。
在数学中，变分计算涉及找到能使某一泛函取得极值的函数。
我们首先考虑一个简单的例子。
假设我们要求一个函数使得其在给定区间上的积分反映了最大值。
我们可以定义这个问题的泛函为：\[ J(y) = \int_{a}^{b}F(x,y,y')dx \]其中，y(x)是我们要找的函数，y'是y(x)的导数。
F(x,y,y')是一个与y和y'有关的函数。
首先，我们需要定义一个测试函数v(x) ，使得在求解问题时将差异项加入到泛函中。
因此我们可以写出如下的变分问题：\[ J(y + \epsilon v) = \int_{a}^{b} F(x,y + \epsilon v, (y + \epsilon v)')dx \]其中，\epsilon 是一个无穷小的增量。
接下来，我们需要将这个泛函进行展开。
应用泰勒展开，我们有：\[ J(y + \epsilon v) = J(y) + \epsilon \frac{dJ}{d\epsilon} v +O(\epsilon^2) \]展开泛函后，我们可以将其作为一个函数来处理。
下一步是计算\frac{dJ}{d\epsilon}。
考虑到在\epsilon=0的点处，J(y + \epsilon v)是一个极值，那么\frac{dJ}{d\epsilon}必然为零。
拉格朗日方程的三种推导方法
拉格朗日方程的三种推导方法 1 引言拉格朗日方程是分析力学中的重要方程，其地位相当于牛顿第二定律之于牛顿力学。
2 达朗贝尔原理推导达朗贝尔原理由法国物理学家与数学家让•达朗贝尔发现并以其命名。
达朗贝尔原理表明：对于任意物理系统，所有惯性力或施加的外力，经过符合约束条件的虚位移，所作的虚功的总合为零。
即：δW = F i +I i ∙δr i =0i(1)其中I i 为惯性力，I i=−m i a i 。
F i 为粒子所受外力，δr i 为符合系统约束的虚位移。
设粒子 P i 的位置 r i 为广义坐标q 1,q 2,⋯,q n 与时间 t 的函数：r i =r i (q 1,q 2,⋯,q n ,t )则虚位移可以表示为：δr i = ðr iðq jj δq j(2)粒子的速度v i=v i (q 1,q 2,⋯,q n ,q 1,q 2,⋯,q n ,t ) 可表示为：取速度对于广义速度的偏微分：(3)首先转化方程 (1) 的加速度项。
将方程 (2) 代入：应用乘积法则：注意到的参数为，而速度的参数为，所以，。
因此，以下关系式成立：(4) 将方程(3) 与(4) 代入，加速度项成为代入动能表达式：，则加速度项与动能的关系为(5) 然后转换方程(1)的外力项。
代入方程(2) 得：(6) 其中是广义力：将方程(5) 与(6) 代入方程(1) 可得：(7) 假设所有的广义坐标都相互独立，则所有的广义坐标的虚位移也都相互独立。
由于这些虚位移都是任意设定的，只有满足下述方程，才能使方程(7) 成立：(8) 这系统的广义力与广义位势之间的关系式为代入得：定义拉格朗日量为动能与势能之差，可得拉格朗日方程：3哈密顿原理推导哈密顿原理可数学表述为：21ttLdtδ=⎰在等时变分情况下，有()dq q dt δδ∙=2211()0t t t t Ldt L dt δδ==⎰⎰ (1)由拉格朗日量定义得，在等时变分情况下有LLL q qq qδδδ∙∙∂∂=+∂∂ (2)其中第一项可化为：()()()LL d d L d Lq q q q dt dt dt q q q q δδδδ∙∙∙∙∙∂∂∂∂==∙-∂∂∂∂(3)将(3)代入(2)得()()d L d L LL q q qdt dt qq q δδδδ∙∙∂∂∂=∙-+∂∂∂ (4)将(4)代入(1)得2121()(())0t t t t L d L L q q q dt dt qqq δδδ∙∙∂∂∂∙+-+=∂∂∂⎰(5)在12,t t 处0q δ=，所以(5)变为21(())0t t d L Lq q dt dt qq δδ∙∂∂-=∂∂⎰(6)即21[(())]0t t d L Lq dt dt qq δ∙∂∂-+=∂∂⎰(7)q 是独立变量，所以拉格朗日方程：4欧拉-拉格朗日方程推导欧拉-拉格朗日方程可以表述为：设有函数和：其中是自变量。
拉格朗日条件极值的方程组怎么解
拉格朗日条件极值的方程组怎么解拉格朗日条件极值的方程组怎么解在微积分中，我们经常会遇到求极值的问题。
当我们要求一个函数在一定条件下取得最大值或最小值时，就需要用到拉格朗日乘数法。
拉格朗日乘数法是一种利用拉格朗日乘数来处理带有约束条件的极值问题的方法，它的核心是通过引入拉格朗日乘数，将带有约束条件的问题转化为无约束条件的问题。
在实际应用中，求解拉格朗日条件极值的方程组是一个非常重要的问题，下面我将对这个问题进行全面评估，并撰写一篇有价值的文章来帮助你更好地理解这个问题。
一、概念解析1. 拉格朗日乘数法我们先来了解一下拉格朗日乘数法的基本概念。
拉格朗日乘数法是用来求解带有约束条件的最优化问题的一种常用方法。
通常情况下，约束条件可以写成g(x, y, z) = k的形式，其中k为常数。
而最优化问题的目标就是极小化或者极大化一个多元函数f(x, y, z)。
利用拉格朗日乘数法，我们可以通过构造拉格朗日函数L(x, y, z, λ)来转化求极值的问题。
其中，λ为拉格朗日乘数，通过对L(x, y, z, λ)对x, y, z, λ分别求偏导，然后解方程组来求得极值点。
这就是拉格朗日乘数法的基本思想。
2. 拉格朗日条件在应用拉格朗日乘数法求解极值问题时，我们需要考虑拉格朗日条件。
拉格朗日条件是指，对于最优化问题的解，约束条件和目标函数的梯度（或导数）应当在最优解点成比例。
这个条件在数学上可以用方程组来表示，通常称为拉格朗日条件方程组。
解这个方程组就是求解拉格朗日条件极值的方程组，是非常重要的一步。
二、具体示例为了更好地理解拉格朗日条件极值的方程组怎么解，我们来看一个具体的示例。
假设我们要求函数f(x, y) = x^2 + y^2在条件g(x, y) = x + y - 1 = 0下的极小值。
这个问题可以通过拉格朗日乘数法来解决。
我们构造拉格朗日函数L(x, y, λ) = f(x, y) + λg(x, y)，其中λ为拉格朗日乘数。
欧拉-拉格朗日方程
欧拉-拉格朗日方程(The Euler-Lagrange equation) 在理想情形下，一函数的最大值及最小值会出现在其导数为０的地方。
同样地，求解变分问题时也可以先求解相关的欧拉-拉格朗日方程。
以下以寻找连接平面上两点(x1,y1) and (x2,y2)最短曲线的例子，说明求解的过程。
曲线的长度为其中f(x1) = y1, f(x2) = y2.函数f至少需为一阶可微的函数。
若f0是一个局部最小值，而f1是一个在端点x1及x2取值为零并且至少有一阶导数的函数，则可得到以下的式子其中ε为任意接近 0 的数字。
因此A[f0+ εf1] 对ε的导数( A 的一阶导数 ) 在ε=0 时必为0。
对任何的函数f1，下式均成立：此条件可视为在可微分函数的空间中，A[f0] 在各方向的导数均为0。
若假设f0二阶可微(或至少弱微分存在)，则利用分部积分法可得其中f1为在两端点皆为 0 的任意二阶可微函数。
这是变分法基本引理的一个特例:其中f1为在两端点皆为 0 的任意可微函数。
若存在使H(x) > 0，则在周围有一区间的 H 也是正值。
可以选择f1在此区间外为 0，在此区间内为非负值，因此I > 0，和前提不合。
若存在使H(x) < 0，也可证得类似的结果。
因此可得到以下的结论：由结论可推得下式：因此两点间最短曲线为一直线。
在一般情形下，则需考虑以下的计算式其中f需有二阶连续的导函数。
在这种情形下，拉格朗日量L在极值f0处满足欧拉-拉格朗日方程不过在此处，欧拉-拉格朗日方程只是有极值的必要条件，并不是充分条件。
分析力学答案
K FV
m 448浒 421122 - Ík 4- 4 行mg crank
代入⻮ 器 器 - 0中 可得
mki zmisinzeuttkicq 4.1 mg2Sin4 0 mEsin244 0 4 0 运动微分方程 miii miisiuqcose mg2siuqtkRi9-线 0
C2
0 时零解渐近稳定
1.8 试利用李雅普诺夫直接方法讨论系数在取不同值时判断
系统的零解稳定性
X X2
X十 a 3 加
解 选择正定李雅诺夫函数 比吅 二 水 水
计算 治 方程解曲线的全导数 V 荪义 器加二 zxixztzxzEXitlaih I
E 2 G 37 X22
则当 以 3时 V为负定 零解渐近稳定 a 3 时 V为零 零解稳定 a 3时 V为正定 零解不稳定
讨论是否存在初积分
i
䚡 取摇杆0A的转⻆为0 则系统的动能
T 士 加 以 04 Ìmi 旰士 Ìmhyo
二 Gmt Ém EG
取系统平衡位置为零势能 则运动时系统势能为
V kid 4 Ütmlglsin0
6 -sins
则L T V
且出售了一
是
tmtimtEG 二日 mini
zkdkcitmlgl sino tkdtimsglll cme
则 fm2以g外3tmlzmxitomtmiiiomy
f 去㗊㗊 a
i riiig 二his
3 8 质量为 m的均质摇杆0A 铰接 质量为 以的匀质圆盘A 在13 处联结刚度系数为人的弹簧 当系统平衡时 以处于水平位置 弹
簧处于铝垂位置如图所示 已知 非1.013 a 若圆盘沿固定圆弧形
欧拉–拉格朗日方程
欧拉–拉格朗日方程欧拉-拉格朗日方程(Euler -Lagrange equation) 为变分法中的一条重要方程。
它提供了求泛函的平稳值的一个方法，其最初的想法是初等微积分理论中的“可导的极值点一定是稳定点（临界点）”。
当能量泛函包含微分时，用变分方法推导其证明过程，简单地说，假设当前的函数（即真实解）已知，那么这个解必然使能量泛函取全局最小值。
泛函我们很清楚函数的概念，它大致是，将一个自变量扔到一个黑盒里，经过黑盒的暗箱操作，最终得到了一个因变量：泛函数是将一个函数作为自变量，经过黑盒，最终得到一个实数的因变量：可以说，泛函就是函数的函数，是更广泛意义上的函数。
欧拉-拉格朗日方程最速降线有一种泛函称为简单泛函，它的长相是这样：其中L是一个确定的函数，之所以叫简单泛函，是因为只传递了三个参数，复杂一点的话还可以继续传递f的高阶导数。
现在的问题是，如果A处于极值点，它对应的f(x)是什么？这实际上是求一个具体函数，使得泛函能够取得极值。
一个典型的例子是最速降线问题：从所有连接不在同一铅垂线上的定点A、B的曲线中找出一条曲线，使得初始速度为0的质点，受重力作用，由A 沿着曲线滑下时以最短的时间到达B：这里我们将曲线看作路径f关于时间t的函数：ΔSi是在极短时间Δti内沿着曲线移动的微小弧长，此时的瞬时速度是ΔVi，距离=速度×时间：重力加速的推论，在t时间处的速度v2 = 2gh：质点从A点到B点的总时间：根据弧长公式，可以将dS化简，进一步写成把结论和简单泛函做个对比，可以看到二者形式相吻合：最右侧的式子并没有严格映射到L(x,f(x),f’(x))，因为在函数中并没有直接使用到参数t，这无所谓了，可以理解成虽然传递了参数t，但实际上t并没有起任何作用，就像y (x) = 1一样，无论传递任何x，最终结果都是1，但它仍然是一个y关于x的函数。
现在回到最初的问题，AB间有无数条曲线，每条曲线都可以求得时间T[f]，在众多的曲线中，有一条唯一的曲线能够使得T[f]取得最小值，这个f(x)应该长成什么样？EL方程的推导这里暂且耍一下流氓，抛开具体的速降问题，只看A[f]，并且假设f0(x)就是符合条件的最优函数。
欧拉-拉格朗日方程
欧拉-拉格朗日方程【概述】欧拉−拉格朗日方程（Euler−Lagrange Equation）又称为Lagrange变分法，是一个重要的数学方程。
是由著名数学家Euler和Lagrange共同发现的。
它提供了一种简便有效的方法来求解多元复杂的函数的极大或极小值。
欧拉-拉格朗日方程实际上是也被称作动力系统的微分方程的一种表示形式【原理】欧拉-拉格朗日方程是一条带微分的方程，它是由拉格朗日变分法推出的，其形式如下：$$\frac{\delta\Psi}{\delta y_i}=0$$其中，$y_i$是需要求导的函数的变量；$\Psi$是不可微的函数，它是拉格朗日函数，也叫做动作函数。
具体地说，拉格朗日变分法要求最后计算出的函数值极大时其微分值应该为零，这样就可以使函数值朝着极大值方向变动，而拉格朗日函数记录了变分值之间的微分值大小以及函数变动的方向，因而可以推出欧拉-拉格朗日方程来求解函数本身的极大值或者极小值。
【优点】(1) 欧拉-拉格朗日方程可以不断调整变量，改变函数值，以达到求对对函数的极大值的极小值的目的。
(2) 求解欧拉-拉格朗日方程时涉及到微积分，可以简化解题步骤，省去需要繁琐的推导步骤，从而节省时间。
(3) 此方法可以有效地解决多元变量和复杂函数问题，有效提高解算精度。
【应用】(1) 力学中，欧拉-拉格朗日方程用来求解极小总动量及极小流体效率等。
(2) 工程中，用欧拉-拉格朗日方程来求解某种参数取得某种最佳效果的优化方程。
(3) 电子工程中，欧拉-拉格朗日方程可以用来求解电子电路中、集成电路中最优参数计算问题。
(4) 生物学中，欧拉-拉格朗日方程在对一定植物对环境适应度进行优化时可以得到很好的应用。
欧拉拉格朗日方程小时百科
欧拉-拉格朗日方程什么是欧拉-拉格朗日方程欧拉-拉格朗日方程（Euler-Lagrange equation）是经典力学中的一个重要定律，用于描述质点或系统在势能场中的运动。
它由瑞士数学家欧拉和法国数学家拉格朗日在18世纪中叶独立提出，并成为经典力学的基础之一。
欧拉-拉格朗日方程可以从变分原理（principle of least action）推导而来，该原理认为自然界中的运动路径是使作用量（action）取极小值的路径。
作用量定义为质点或系统在一段时间内所受到的所有力所做的功之和。
欧拉-拉格朗日方程的表达式对于一个质点或系统，在广义坐标q i和广义速度q̇i下，其动能T和势能V可以表示为：T=T(q1,q2,…,q n,q̇1,q̇2,…,q̇n)V=V(q1,q2,…,q n)其中n表示系统自由度的数量。
根据变分原理，作用量可以表示为：S=∫Lt2t1(q1,q2,…,q n,q̇1,q̇2,…,q̇n)dt其中L=T−V称为拉格朗日函数（Lagrangian），它是动能和势能的差。
欧拉-拉格朗日方程可以通过对作用量进行变分，使其取极值，得到：∂L ∂q i −ddt(∂L∂q̇i)=0对于每一个广义坐标q i，都有一个对应的欧拉-拉格朗日方程。
这些方程描述了系统在广义坐标和时间上的运动规律。
欧拉-拉格朗日方程的意义与应用欧拉-拉格朗日方程是经典力学的重要工具，它具有以下几个重要意义和应用：1. 简化运动方程相比于牛顿力学中的运动方程，欧拉-拉格朗日方程更加简洁、优雅，并且适用于复杂系统。
通过引入广义坐标和广义速度，可以将系统的自由度从直角坐标系中解放出来，从而简化了运动方程的表达。
2. 描述约束系统在经典力学中，约束系统是指由于各种限制条件而使得系统自由度减少的情况。
欧拉-拉格朗日方程可以很好地描述约束系统的运动，通过引入拉格朗日乘子（Lagrange multiplier）来处理约束条件。
第三章变分法泛函极值问题ppt课件
2、自由端点的情况
这时 x(t0 )和 x(t f ) 可以发生化，x(t0)0,x(tf)0，
而且可以独立地变化。于是要使（3-2）中第二项 为零，由（3-4）式可得
F (x)ttf
x(tf )0
F (x)tt0
x(t0)0
（3-5） （3-6）
因为这里讨论 x(t)是标量函数的情况，x(t0) 和 x(t f ) 也是标量，且是任意的，故（3-5）、（3-6）可化 为
tt0 f F xx F xx o (x )2 ,(x )2 d t
上式中 o[(x)2,(x)2]是高阶项。
根据定义，泛函的变分 J 是 J的线性
主部，即
J
tf t0
F xx F x x dt
对上式第二项作分部积分，按公式
可得
tf t0
udvuvtt0f
现在，将上面对 x(t) 是标量函数时所得到的公式推 广到X (t)是n维向量函数的情况。这时，性能泛函为
式中
J tf F(X,X,t)dt t0
x1(t)
X
x
2
(
t
)
xn (t)
x 1 ( t )
X
x
2
(
t
)
x
n
(
t
)
(3-9) (3-10)
泛函变分由（3-2）式改为
解 这是终端自由的情况。欧拉—拉格朗日方程为
d(2x3x2)0 dt
即
2x3x2 常数
于是 x 是常数，x则是时间的线性函数，令
x(t)A tB
由 x(0)0可得 B0，又终端是自由的，由式 （3-7）可得横截条件为
( F x )t1(2x 3x 2)t10
欧拉拉格朗日方程推导
欧拉拉格朗日方程推导欧拉-拉格朗日方程（Euler-Lagrange equation）是用于描述物理系统的经典力学问题的定律，它的推导基于变分原理和拉格朗日函数。
在物理学中，我们经常需要找到一个系统的最优路径，即该路径下其中一物理量的变分问题。
为此，拉格朗日引入了一个新的函数，即拉格朗日函数（Lagrange function），它是系统的广义坐标（generalized coordinates）和广义速度（generalized velocities）的函数，记作L(q, q ̇)。
广义坐标是指描述系统的自由度的坐标，坐标的个数与系统自由度的数量相等。
广义速度是广义坐标对时间的导数。
这个拉格朗日函数可以看作系统的动能（kinetic energy）和势能（potential energy）的代数和。
我们希望通过求解拉格朗日函数的变分问题，来得到系统的最优路径。
变分问题的解就是能够使拉格朗日函数满足对应的极值条件的路径。
这个变分问题可以用欧拉方程来描述。
首先，我们需要定义一个定义域中的路径，路径上的点可以由广义坐标 q 的函数表示，即 q(t)。
接下来，引入一个新的函数，广义速度v(t)，它表示路径上其中一点的广义坐标 q 对时间的导数，即 v(t) =dq(t)/dt。
这个函数可以用来表示路径上其中一点的切矢量。
在此基础上，我们可以定义一个新的函数，即作用量（action），记作S。
作用量是广义坐标 q 和广义速度 v 的函数，定义为路径上各个点的拉格朗日函数在时间间隔 t1 到 t2 上的积分：S[q(t)] = ∫L(q, v) dt, t1到t2上式描述了广义坐标和广义速度在整个路径上的变化，我们希望找到一个路径使得作用量最小化。
为了求解这个变分问题，我们需要引入变分运算符（variational operator），记作δ。
变分运算符作用在函数上得到函数的变分值（函数的微小变化）。
对于一些函数 f(x)，它的变分值可以表示为：δf(x)=f(x+δx)-f(x)其中，δx是函数x的变分值。
欧拉_拉格朗日方程的推广_张露萍
（x）dx=0，
其
中
f∈C
（Ω），
则 在 Ω上 f≡0［5］.
2.主 要 结 论
上述得到的欧拉—拉格朗日方程涉及的是变量的一阶偏
导， 如果L涉及变量的高阶偏导那么上述方程就不适用了.为
了使其运用范围进一步扩大，本文通过运用变分法，得到更普
遍适用的欧拉—拉格朗日方程.
定理1：设f是关于自变量的四次连续可微函数，若
进 入21世 纪 ，数 学 文 化 的 研 究 更 加 深 入 。 一 个 重 要 的 标 志是数学文化走进中学课堂，渗入实际数学教学中，使学生 在数学学习过程中真正受到文化感染，产生文化共鸣，体会 数学的文化品位，体验社会文化和数学文化之间的互动。 可 以这样说，数学文化的研究在一定程度上推动了数学教材的 开发、数学教师的培养、初等数学教育和高等数学教育的研 究和发展。
关键词： 数学文化 数学教学 渗透策略
数学作为一种文化研究最早出现在西方哲学研究中。 美 国数学家怀尔德受到科学哲学研究发展的启示， 出版了他的 代表作《作为一种文 化 体 系 的 数 学 》［1］。 斯 默 瑞 恩 斯 基 对 其 给 予高度评价， 认为是二十世纪三十年代以来第一个成熟的数 学哲学观［2］。 中国的数学文化作为一种学术研究的内容、作为 一种教学形式， 在二三十年的时间里迅速发展成大学乃至中 学教学中受重视的教学内容， 成为数学教育领域发展比较迅 速的数学分支。 在新课程改革中，数学文化研究的范畴如何界 定？ 在新课标下的数学教学中如何渗透数学文化？ 本文将从以 下几个方面做探讨。
关键词：Hamilton原理 变分问题 欧拉—拉格朗日方程
1.引 言 变分法用于极值泛函问题，运用范围非常广泛，其中一个 重要定理是欧拉—拉格朗日方程 .［1］ 在分析力学里，由Hamilton 原理一个动力系统的拉格朗日函数是描述整个物理系统的动
拉格朗日公式求极值
拉格朗日公式求极值
拉格朗日公式，作为数学领域中一个重要的公式，广泛应用于物理学、工程学等众多学科。
它能帮助我们求解许多极值问题，具有重要的理论和实际意义。
一、拉格朗日公式的推导
1.拉格朗日公式的基本形式拉格朗日公式可以表示为：L = L(x, y, z, ...) = L(x) + L(y) + L(z) + ...，其中x, y, z, ...为各个变量的函数。
2.拉格朗日公式的推导过程拉格朗日公式的推导过程较为复杂，涉及微积分、偏导数等概念。
具体推导过程可参考相关数学教材。
二、拉格朗日公式的性质
1.拉格朗日公式的极值性质当拉格朗日公式的导数为零时，即L"(x) = L"(y) = L"(z) = ...= 0，可以得到各个变量的极值。
2.拉格朗日公式的优化性质拉格朗日公式具有优化性质，可以通过求解拉格朗日公式的极值问题，得到原问题的最优解。
三、拉格朗日公式的应用
1.求解极值问题
拉格朗日公式可以用于求解各种极值问题，如求解函数的极大值、极小值等。
2.优化问题
拉格朗日公式在优化问题中具有广泛应用，如求解凸优化问题、约束优化问题等。
四、结论
拉格朗日公式作为数学领域中的一个重要公式，具有重要的理论和实际意义。
欧拉—拉格朗日方程的推广
欧拉—拉格朗日方程的推广作者：张露萍来源：《考试周刊》2013年第35期摘要：变分法是处理泛函极值的一种数学方法，欧拉—拉格朗日方程是基于变分法得到的，该方程在除数学外的很多其他领域有着广泛的运用.如果能将欧拉—拉格朗日方程的应用范围进一步扩大，即条件减弱或者放松限制条件，就可以使已有的结论更完善.本文运用变分法，得到更普遍适用的欧拉—拉格朗日方程.关键词：Hamilton原理变分问题欧拉—拉格朗日方程1.引言变分法用于极值泛函问题，运用范围非常广泛，其中一个重要定理是欧拉—拉格朗日方程［１］.在分析力学里，由Hamilton原理一个动力系统的拉格朗日函数是描述整个物理系统的动力状态的函数，定义为动能减去势能，以方程表示为L=T-V；其中L为拉格朗日量，T为动能，V为势能.拉格朗日量是动能T与势能V的差值L=T-V［2］.一个物理系统的拉格朗日函数所构成的泛函的变分问题：在时间段［t■，t■］内的一切容许运动中，真实的运动必使L取极值对应于寻求泛函的临界点，在寻找函数的极大、极小值时，一个解附近的微小变化的分析给出一阶的一个近似［3］，借此人们可以得到该物理系统的动力行为表达，具体描述如下：设f是关于自变量的二次连续可微函数，若S=L（u）=■f （x，u，u■，…u■）dx在u（x）=■（x）取极值，则f■（x，■（x）），■■（x），…，■■（x））-■?鄣■f■（x，■（x）），■■（x），…，■■（x））=0.这里我们采用下述记号，设f为在Ω上定义的连续函数，记f的支集suppf为suppf=■，记C■为Ω上定义的直到k阶导数都连续的函数的集合，记C■■（Ω）为C■（Ω）中其函数的支集为包含在Ω内的紧集的函数的集合［4］.f■为函数f对变量u的一阶导，u■为函数u对变量x■的一阶导，f■为函数f对变量u■的一阶导，f■为函数f的k阶导（依次对变量u■，…u■求一阶导）.为导出上述变分问题有解的必要条件，如下引理.引理：对任意φ∈C■（Ω）有■f（x）φ（x）dx=0，其中f∈C（Ω），则在Ω上f≡0［5］.2.主要结论上述得到的欧拉—拉格朗日方程涉及的是变量的一阶偏导，如果L涉及变量的高阶偏导那么上述方程就不适用了.为了使其运用范围进一步扩大，本文通过运用变分法，得到更普遍适用的欧拉—拉格朗日方程.定理1：设f是关于自变量的四次连续可微函数，若S=L（u）=■f（x，u，u■，…u■，u■，u■，…u■）dx在u（x）=■（x）取极值，则f■（x，■（x），■■（x），…■■（x），■■（x），■■（x），■■（x））-■?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…■■（x），■■（x），■■（x），■■（x））+■?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），■■（x），■■（x），■■（x））=0证明：设在u=（x）=■（x）时L（u）取极值，取φ∈C■（Ω），取绝对值分小的a，使得■+aφ属于容许函数类，则L（a）=L（■+aφ）=■f（x，■（x）+aφ（x），■，…，■，…■…）dx即L（■+aφ）为a 的函数，且当a=0时函数L（a）取极值.故有L′（0）=■f■（x，■（x），■■（x），…■■（x），…■■（x），…）φ（x）dx+■■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…）φ■（x）dx+■■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…）φ■（x）dx=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=0由定理1Ⅱ=-■■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x））φ（x）dx同理对Ⅲ式运用Gauss公式及φ∈C■（Ω），得Ⅲ=■■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…）φ■（x）dx=■?鄣（■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…）φ■（x）dx-■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…））φ■（x）dx=■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…））φ■·nds-■■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…））φ■（x）dx=-■■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…））φ■（x）dx=-■?蘩■?鄣■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…）φ（x））dx+■■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…））φ（x））dx=■■（?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），…，■■（x），…））φ（x））dx从而在u（x）=■（x）L′（0）=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=■（f■-■?鄣■f■+■?鄣■f■）φdx=0由引理，在Ω上恒有f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），■■（x），■■（x），■■（x））-■?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），■■（x），■■（x），■■（x））+■?鄣■f■（x，■（x），■■（x），…，■■（x），■■（x），■■（x），■■（x））=0定理2：设f是关于自变量的2k次连续可微函数，若S=L（u）=■f（x，u，…u■，…，u■，…u■，…）dx在u（x）=■（x）取极值，则在■（x）f■-■?鄣■f■+■?鄣■■f■+（-1）■■?鄣■■f■=0.参考文献：［1］Fomin，S.V.and Gelfand，I.M.：Calculus of Variations，Dover Publ.，2000.［2］Lebedev，L.P.and Cloud，M.J.：The Calculus of Variations and Functional Analysis with Optimal Control and Applications in Mechanics，World Scientific，2003：1-98.［3］Charles Fox：An Introduction to the Calculus of Variations，Dover Publ.，1987.［4］Herbert Goldstei.Classical Mechanics，2nd ed.，Addison Wesley，1980：35-69.［5］吴方同.数学物理方程，2001：13-16.基金项目：江西科技学院自然科学研究项目“热方程的理论研究及应用”（ZR12YB15）.。
泛函与欧拉拉格朗日方程
泛函与欧拉拉格朗日方程泛函是数学中一个重要的概念，它是函数的集合，并对这个集合进行了某种结构的赋予。
通俗地说，泛函是对函数的函数，它将函数映射到一个实数上。
泛函在数学中的应用非常广泛，尤其是在变分法和最优控制理论中，扮演着重要的角色。
同时，欧拉-拉格朗日方程是变分法中的一种数学工具，用来确定一个函数在给定条件下的极值。
它是由欧拉和拉格朗日在研究力学问题时独立发现并证明的，后来被推广到更广泛的问题中。
欧拉-拉格朗日方程的基本形式是：对于一个含有导数的函数f(x)和一个给定的函数g(x)，在给定区间[a, b]上，求解：∫L(f, f', x)dx + ∫g(f, x)dx = 0其中L(f, f', x)是泛函的拉格朗日函数，g(f, x)是给定的函数，x是自变量。
这个方程的解就是在满足给定条件g(f, x)的情况下，使泛函L(f, f', x)极小的函数f(x)。
欧拉-拉格朗日方程的推导过程比较复杂，其中涉及到变分运算、积分运算、导数运算等多个领域的知识。
一般来说，我们可以通过欧拉-拉格朗日方程求解各种变分问题，比如优化问题、极值问题等。
通过对拉格朗日函数的求导，我们可以得到使泛函极小的函数f(x)，从而求解出问题的最优解。
总的来说，泛函和欧拉-拉格朗日方程是数学中非常重要的概念和工具，它们在变分法、最优控制理论、力学等领域有着广泛的应用。
通过对泛函和欧拉-拉格朗日方程的研究，我们可以更深入地理解函数的性质和函数集合之间的关系，为解决实际问题提供了有力的数学工具。
希望本文可以帮助读者理解泛函和欧拉-拉格朗日方程的基本概念和应用，并对相关领域的研究起到一定的启发作用。
拉格朗日乘数法求解条件极值问题
拉格朗日乘数法求解条件极值问题罗棋;朱珊珊【摘要】主要探讨多元函数和泛函的条件极值问题,运用拉格朗日乘数法求解多元函数的条件极值,并将拉格朗日乘数法中的拉格朗日乘数变形为向量函数形式的拉格朗日乘子,进一步将拉格朗日乘数法推广到求解泛函的条件极值问题,并给出了该方法求解多元函数条件极值问题和泛函条件极值问题的实际应用.【期刊名称】《商丘职业技术学院学报》【年(卷),期】2018(017)004【总页数】4页(P74-76,92)【关键词】拉格朗日乘数法;条件极值;多元函数;泛函【作者】罗棋;朱珊珊【作者单位】吉林师范大学数学学院,吉林长春130000;吉林师范大学数学学院,吉林长春130000【正文语种】中文【中图分类】O175引言多元函数的条件极值[1]275-276问题常用拉格朗日乘数法进行求解，而泛函的条件极值[2]19-20问题的解法是关于多元函数条件极值的拉格朗日乘数法的直接推广.条件极值在实际问题中有着广泛的应用，本文讨论最常用的拉格朗日乘数法对多元函数的条件极值问题和泛函的条件极值问题进行求解和应用.1 条件极值问题1.1 多元函数的条件极值问题多元函数的条件极值问题的一般形式是在条件组φk(x1,x2,…,xn)=0, k=1, 2,…,m (m<n)(1)的限制下，求目标函数y=f(x1,x2,…,xn)(2)的极值.1.2 泛函的条件极值问题泛函[3]64-65的条件极值问题的一般形式是在约束条件(3)之下，求(4)的极值.其中，G是m(m<n)维向量函数，即(5)2 拉格朗日乘数法求解条件极值2.1 拉格朗日乘数法求解多元函数条件极值式(1)和(2)所表示的一般条件极值问题的拉格朗日函数是L(x1,x2,…,xn,λ1,λ2,…,λm)(6)其中，λ1,λ2,…,λm为拉格朗日乘数定理1[4]178 设在条件(1)的限制下，求式(2)的极值问题，其中f与φk(k=1,2,…,m)在区域D上有连续的一阶偏导数.若D的内点是上述问题的极值点，且雅可比矩阵的秩为m，则存在m个常数使得为拉格朗日函数(6)的稳定点，即为n+m个方程的解.2.2 拉格朗日乘数法求解泛函条件极值引入待定的向量函数λ(t)=(λ1(t),…,λm(t))T(7)作辅助函数[5]193-196(8)定理2 设函数具有二阶连续偏导数并且约束，式(3)是独立的，即有如果条件泛函极值问题式(4)和(3)在x(t)=(x1(t),…,xn(t))T∈Ω达到极值，则必存在函数λ(t)=(λ1(t),…,λm(t))T使得x(t)=(x1(t),…,xn(t))T满足欧拉方程组其中，由欧拉方程(9)和约束条件(3)，可解出泛函条件极值问题的极值曲线x(t)和拉格朗日乘子函数λ(t).3 拉格朗日乘数法求解条件极值的应用3.1 拉格朗日乘数法求解多元函数条件极值的应用例1 抛物面x2+y2=z被平面x+y+z=1截成一个椭圆.求这个椭圆到原点的最长与最短距离.解这个问题实质上是要求函数f(x,y,z)=x2+y2+z2在条件x2+y2-z=0及x+y+z-1=0下的最大、最小值问题.令L(x,y,z,λ1,λ2)=x2+y2+z2+λ1(x2+y2-z)+λ2(x+y+z-1)对L求一阶偏导数，并令它们都等于0，则有：求得这方程组的解为：∓并且∓是拉格朗日函数L(x,y,z,λ1,λ2)的稳定点，所求的条件极值点必在其中取得，由于所求问题存在最大值与最小值，故由：所求得两个值9∓正是该椭圆到原点的最长距离与最短距离3.2 拉格朗日乘数法求解泛函条件极值的应用例2 求泛函J(u)=(1+u2)dt在约束条件及边界条件x(0)=3,x(2)=0之下达到极小值的函数u(t)和极小值曲线.解引入拉格朗日乘子λ(t)，构造新的泛函欧拉方程为：2u-λ=0解得：求解得：将边界条件代入上式，有：求解得：于是，所求的函数和极小值曲线分别为：4 结语在求解有约束条件的多元函数极值时，应用拉格朗日乘数法是一个非常好的办法，并且可将拉格朗日乘数法进行变形推广到求解泛函的条件极值问题，本文对这一方法进行探讨，并进行了实际应用.【相关文献】[1] 张筑生.数学分析新讲[M].北京：北京大学出版社，2010.[2] 吕显瑞,黄庆道.最优控制理论基础[M].北京：科学出版社，2008.[3] 东北师范大学微分方程教研室.常微分方程[M].北京：高等教育出版社，2013.[4] 华东师范大学数学系.数学分析(下)[M].北京：高等教育出版社，2010.[5] 吴群妹.基于多元函数约束条件的变分极值在最优控制中的应用[J].淮阴师范学院学报(自然科学版),2015,14(3).。
泛函 拉格朗日方程
泛函拉格朗日方程
泛函就是一个把函数作为输入，输出一个实数的函数。
比如，我们可以定义一个泛函S，它表示一条曲线的弧长。
如果我们给它输入一个函数y(x)，它就会输出这个函数所对应的曲线的弧长。
这样，我们就可以用泛函来描述一些物理量或者物理规律。
欧拉-拉格朗日方程是变分法中的一条重要方程，它是一个二阶偏微分方程。
它提供了求泛函的临界值（驻值）函数，换句话说也就是求此泛函在其定义域的临界点的一个方法，与微积分差异的地方在于，泛函的定义域为函数空间而不是实数空间。
该方程由瑞士数学家莱昂哈德·欧拉与意大利数学家约瑟夫·拉格朗日在1750年提出。
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第八讲 变分法
1. 写出使下列泛函取极值的欧拉－拉格朗日方程，并求解：
（1
）1
0x x dx ∫； （2
）10x x dx ∫
规定极值曲线均通过平面上的已知点()00,x y 和()11,x y 。
2. 求锥面222x y z +=上的“短程线”（准确说是测地线）
3. 光在折射率为的介质中传播率为n ds c dt n
ν==， 是真空中的速率，于是光由c A 点()00,x y 传播到点B ()11,x y 的时间便是 ()()()()
11110000,,,,1 x y x y x y x y ds
T n c ν
==∫∫ds 而光由A 到 的实际路径应当使T 取极值。
试求光在下列介质中传播时的实际轨迹： B （1）；（2）(1n k x =+)2k n x =3
+； （3
）n = 其中均为已知常数，
k 22r x y 2=+。
4. 试写出本征值问题 20
0u u u u n λαβΣ∇+=∂⎡⎤+=⎢⎥∂⎣
⎦ 所对应的泛函极值问题，设0β≠。
5. 用瑞利－里兹方法求出
()()
0,
10,
10y y y y λ′′+=−== 的最低的两个本征值的近似解，取试探函数为
(
)()221211y c x c x x =−+−。