变分法基本引理在数学里,特别是在变分法里,变分法基本引理(fundamental lemma of calculus of variations)是一种专门用来变换问题表述的引理,可以将问题从弱版表述(weak formulation)(变分形式)改变为强版表述(微分形式)。 目录 1 叙述 2 证明 3 应用 4 参阅 5 参考文献 叙述 C k {\displaystyle C^{k}} 代表 k {\displaystyle k} 阶导数连续( k {\displaystyle k} 阶光滑)的函数空间, C ∞ {\displaystyle C^{\infty }} 代表无限光滑的函数空间。 变分法基本引理: 设 f ( x ) ∈ C ∞ [ a , b ] {\displaystyle f(x)\in C^{\infty }[a,\ b]\,\!} 若任意 h ( x ) ∈ C ∞ [ a , b ] {\displaystyle h(x)\in C^{\infty }[a,\ b]\,\!} 满足 h ( a ) = h ( b ) = 0 {\displaystyle h(a)=h(b)=0\,\!} 成立 ∫ a b f ( x ) h ( x ) d x = 0 {\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,h(x)\,dx=0\,\!} 则 ∀ x ∈ ( a , b ) : f ( x ) = 0 {\displaystyle {\mbox{∀}}x\in (a,\ b):f(x)=0\,\!} 。 证明 设 f ( x ) ∈ C ∞ [ a , b ] {\displaystyle f(x)\in C^{\infty }[a,\ b]\,\!} 且 f ( x ) ≠ 0 {\displaystyle f(x)\neq 0\,\!} , 因为只要存在一个不满足 ∫ a b f ( x ) h ( x ) d x = 0 {\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\,h(x)\,dx=0\,\!} 的 h ( x ) {\displaystyle h(x)} ,就可以证明 f ( x ) = 0 {\displaystyle f(x)=0\,\!} ,因此我们只须证明其中一个特例。 令 r ( x ) {\displaystyle r(x)\,\!} 满足下列两个条件: r ( a ) = r ( b ) = 0 {\displaystyle r(a)=r(b)=0\,\!} ; ∀ x ∈ ( a , b ) : r ( x ) > 0 {\displaystyle {\mbox{∀}}x\in (a,\ b):r(x)>0\,\!} ; 并且令 h ( x ) = r ( x ) f ( x ) {\displaystyle h(x)=r(x)f(x)\,\!} 。 由 h ( x ) = r ( x ) f ( x ) {\displaystyle h(x)=r(x)f(x)\,\!} 可得到 0 = ∫ a b f ( x ) h ( x ) d x = ∫ a b r ( x ) f ( x ) 2 d x {\displaystyle 0=\int _{a}^{b}f(x)h(x)\;dx=\int _{a}^{b}r(x)f(x)^{2}\;dx\,\!} 。因为 r ( x ) {\displaystyle r(x)\,\!} 在 ( a , b ) {\displaystyle (a,\ b)\,\!} 是正值,所以 f ( x ) {\displaystyle f(x)\,\!} 必须恒等于 0 ,与假设 f ( x ) ≠ 0 {\displaystyle f(x)\neq 0\,\!} 矛盾。 故 ∀ x ∈ ( a , b ) : f ( x ) = 0 {\displaystyle {\mbox{∀}}x\in (a,\ b):f(x)=0\,\!} 。 应用 这引理可用来证明泛函 J [ f ( t , y , y ˙ ) ] = ∫ x 0 x 1 f ( t , y , y ˙ ) d t {\displaystyle J[f(t,y,{\dot {y}})]=\int _{x_{0}}^{x_{1}}f(t,y,{\dot {y}})\,dt\,\!} 的极值是欧拉-拉格朗日方程式 d d t ( ∂ f ( t , y , y ˙ ) ∂ y ˙ ) − ∂ f ( t , y , y ˙ ) ∂ y = 0 {\displaystyle {d \over dt}\left({\partial f(t,y,{\dot {y}}) \over \partial {\dot {y}}}\right)-{\partial f(t,y,{\dot {y}}) \over \partial y}=0\,\!} 的弱解。 欧拉-拉格朗日方程式在经典力学和微分几何占有重要的角色。 参阅 拉格朗日力学 哈密顿原理 泛函分析参考文献 Leitmann, George. The Calculus of Variations and Optimal Control: An Introduction. Springer. 1981. ISBN 0306407078.