数学 偏微分方程

变分原理

介绍变分问题的允许函数类、必要条件,并讨论极小曲面与膜平衡问题。

本页目录 6 节
定义

ΩR2\Omega\subset\mathbb{R}^2 是区域, 定义在 Ω\Omega 上的无穷次可微且在边界上为零的函数记作 C0(Ω)C_0^\infty(\Omega).

对定义在 Rn\mathbb{R}^n 上的函数.

ρ(x)={ke1/(1x),x<10,x1\rho(x)=\begin{cases} ke^{-1/(1-|x|)},\quad& |x|<1 \\ 0,\quad & |x|\geqslant 1 \end{cases}

特别的, 在二维平面中, 我们可以固定 kk, 使得

R2ρ(x,y)dxdy=1\iint_{\mathbb{R}^2}\rho(x,y)\text{d} x\text{d} y=1

定义 ρn(x,y)=n2ρ(nx,ny)\rho_n(x,y)=n^2\rho(nx,ny). 从而有

ρn(x,y)C0(R2)R2ρn(x,y)dxdy=1\begin{aligned} &\rho_n(x,y) \in C_0^\infty (\mathbb{R}^2)\\ &\iint_{\mathbb{R}^2} \rho_n(x,y)\text{d} x\text{d} y=1 \end{aligned}

x2+y21n\sqrt{x^2+y^2}\geqslant \frac 1 nρn=0\rho_n=0.

引理

Ω\OmegaR2\mathbb{R}^2 中有界区域, f(x,y)f(x,y)Ω\Omega 上连续, 如果 φ(x,y)C0(Ω)\forall\varphi(x,y)\in C_0^\infty(\Omega),

Ωf(x,y)φ(x,y)dxdy=0,\iint_\Omega f(x,y)\varphi(x,y)\text{d} x\text{d} y=0,

f(x,y)f(x,y)Ω\Omega 上恒为零.

定义

给定函数集合

Mφ={vvC1(Ω),vΩ=φ},M_\varphi=\{v|v\in C^1(\overline{\Omega}),v|_{\partial \Omega}=\varphi\},

uMφu\in M_\varphi, 使得 J(u)=minvMφJ(v)J(u)=\min\limits_{v\in M_\varphi}J(v).

J(v)J(v) 是定义在集合 MφM_\varphi 上的泛函, J:MφRJ:M_\varphi\to\mathbb{R}. 这样一个求泛函的极值问题称为变分问题.

MφM_\varphi 称为变分问题的允许函数类, 或称为定义域.

命题

必要条件: 定义 M0={vvC1(Ω),vΩ=0}M_0=\{v|v\in C^1(\overline{\Omega}),v|_{\partial \Omega}=0\}vM0,ε(,+)\forall v\in M_0,\forall \varepsilon\in (-\infty,+\infty), 有 u+εvMφu+\varepsilon v\in M_\varphi.

定义 j(ε)=J(u+εv)j(\varepsilon)=J(u+\varepsilon v)RR\mathbb{R}\to \mathbb{R} 的可微函数. 必有

j(ε)j(0),vRj(0)=0j(\varepsilon)\geqslant j(0),\forall v\in\mathbb{R} \Rightarrow j'(0)=0

故一个必要条件是 j(0)=0j'(0)=0.

如果满足 j(0)>0j''(0)>0 则该条件是充分的.

定理 散度定理

(n 维)

ΩFdV=ΩFndS.\int_\Omega \nabla\cdot F\text{d} V=\int_{\partial\Omega}F\cdot n\text{d} S.

F=(P,Q)F=(P,Q) 即得二维情形.

(二维) 设 P,QP,Q 足够光滑, 则

Ω(Px+Qy)dxdy=Ω(P,Q)ndS=ΩPn1+Qn2dS\iint_\Omega\left(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}\right)\text{d} x\text{d} y=\int_{\partial \Omega}(P,Q)\cdot n \text{d} S=\int_{\partial \Omega}P n_1+Q n_2\text{d} S
定理 Green 第一公式

(n 维) 设 u,vu,v 足够光滑, ΩRn\Omega\in\mathbb{R}^n, 则

Ωuvdx=Ω(Δu)vdx+ΩunvdS.\int_\Omega \nabla u\cdot\nabla v\text{d} \vec x=-\int_\Omega (\Delta u)v\text{d} \vec x+\int_{\partial\Omega}\frac{\partial u}{\partial \vec n}v\text{d} S.

un=un\frac{\partial u}{\partial \vec n}=\nabla u\cdot \vec n.

特别的, 设 v=1v=1 可得

Ω(Δu)dx=ΩundS=ΩundS\int_\Omega (\Delta u)\text{d} \vec x=\int_{\partial\Omega}\frac{\partial u}{\partial \vec n}\text{d} S=\int_{\partial \Omega}\nabla u\cdot\vec n \text{d} S

极小曲面问题 #

定义

取变分问题中

J(v)=Ω1+vx2+vy2dxdyJ(v)=\iint_\Omega\sqrt{1+v_x^2+v_y^2}\text{d} x\text{d} y

就称该问题为极小曲面问题.

按过程求解后可得方程

x[ux1+ux2+uy2]+y[uy1+ux2+uy2]=0\frac{\partial}{\partial x}\left[\frac{u_x}{\sqrt{1+u_x^2+u_y^2}}\right]+\frac{\partial}{\partial y}\left[\frac{u_y}{\sqrt{1+u_x^2+u_y^2}}\right]=0

等价于

(1+uy2)uxx2uxuyuxy+(1+ux2)uyy=0(1+u_y^2)u_{xx}-2u_xu_y\cdot u_{xy}+(1+u_x^2)u_{yy}=0

再验 j(0)j''(0) 恒大于 0.

j(ε)=Ωvx2+vy2+[vy(ux+εvx)vx(uy+εvy)]2[1+(ux+εvx)2+(uy+εvy)2]3/2dxdy.j''(\varepsilon) = \iint_{\Omega} \frac{ v_x^{2}+v_y^{2} +\bigl[v_y\,(u_x+\varepsilon v_x)-v_x\,(u_y+\varepsilon v_y)\bigr]^2 }{ \left[1+(u_x+\varepsilon v_x)^2+(u_y+\varepsilon v_y)^2\right]^{3/2} } \,dx\,dy.

ux,uy1|u_x|,|u_y|\ll 1 时, 可近似看作方程 uxx+uyy=0u_{xx}+u_{yy}=0, 即极小曲面 u=u(x,y)u=u(x,y) 可近似看作 Laplace 方程的第一边值问题.

膜平衡问题 #

膜平衡问题:

J(v)=T2Ω(vx2+vy2)dxdyΩf(x,y)v(x,y)dxdyΓp(s)v(s)ds.J(v)=\frac T2\iint_\Omega (v_x^2+v_y^2)\text{d} x\text{d} y-\iint_\Omega f(x,y)v(x,y)\text{d} x\text{d} y-\int_\Gamma p(s)v(s)\text{d} s.

推导出的 Euler 方程 j(0)=0j'(0)=0vM0\forall v\in M_0,

TΩ(uxvx+uyvydxdy)ΩfvdxdyΓpvds=0T\iint_\Omega\left(\frac{\partial u}{\partial x}\frac{\partial v}{\partial x}+\frac{\partial u}{\partial y}\frac{\partial v}{\partial y}\text{d} x\text{d} y\right)-\iint_\Omega fv \text{d} x\text{d} y-\int_\Gamma pv\text{d} s=0

应用 Green 公式得到

Ω(TΔu+f)vdxdy+Γ(Tunp)vds=0.-\iint_\Omega (T\Delta u+f)v\text{d} x\text{d} y+\int_\Gamma\left(T\frac{\partial u}{\partial n}-p\right)v\text{d} s=0.

先取 vC0(Ω)v\in C_0^\infty(\Omega) 得到

Ω(TΔu+f)vdxdy=0-\iint_\Omega(T\Delta u+f)v\text{d} x\text{d} y=0

从而由 vv 任意性得到 TΔu=f-T\Delta u=f.

再带回原式有

Γ(Tunp)vds=0\int_\Gamma\left(T\frac{\partial u}{\partial n}-p\right)v\text{d} s=0

同理可得 Tun=p.(Γ)T\dfrac{\partial u}{\partial n}=p.\quad (\Gamma).

变分问题、弱形式与第三边值问题 #

J(v)=12Ω(v2+v2)dx+12Ωα(x)v2dsΩfvdxΩgvdsJ(v)=\frac 1 2\int_\Omega (|\nabla v|^2+v^2)\text{d} x+\frac 12 \int_{\partial \Omega} \alpha(x)v^2\text{d} s-\int_\Omega fv\text{d} x-\int_{\partial\Omega}gv\text{d} s

其中 α(x)0\alpha(x)\geqslant 0。考虑以下三个问题。

问题 I:变分问题 #

uM=C1(Ω)u\in M=C^1(\overline{\Omega}),使得

J(u)=minvMJ(v).J(u)=\min\limits_{v\in M}J(v).

问题 II:弱形式 #

uM=C1(Ω)u\in M=C^1(\overline{\Omega}),使得它对于任意 vMv\in M 都满足

Ω(uv+uvfv)dx+Ω(α(x)uvgv)ds=0.\int_\Omega (\nabla u\cdot\nabla v+u\cdot v-fv)\text{d} x+\int_{\partial\Omega}(\alpha(x)uv-gv)\text{d} s=0.

问题 III:第三边值问题 #

uC2(Ω)C1(Ω)u\in C^2(\Omega)\cap C^1(\overline{\Omega}),满足以下边值问题

{Δu+u=f,xΩ,un+α(x)u=g,xΩ.\begin{cases} -\Delta u+u=f, & x\in\Omega,\\ \dfrac{\partial u}{\partial n}+\alpha(x)u=g, & x\in\partial \Omega. \end{cases}

需要证明:

  1. 问题 I 与问题 II 等价。
  2. uC2(Ω)C1(Ω)u\in C^2(\Omega)\cap C^1(\overline{\Omega}) 时,问题 I、II、III 等价。
证明

I ⇒ II。j(ε)=J(u+εv)j(\varepsilon)=J(u+\varepsilon v),其中 uM, vMu\in M,\ v\in M。于是

j(0)=Ωvu+vudx+ΩαuvdxΩfvdxΩgvdx=0j'(0)=\int_\Omega \nabla v\cdot \nabla u+vu\text{d}\vec x+\int_{\partial \Omega} \alpha u v\text{d} \vec x-\int_\Omega fv\text{d} \vec x-\int_{\partial\Omega} gv\text{d} \vec x=0

Ω(uv+uvfv)dx+Ω(α(x)uvgv)ds=0.\int_\Omega (\nabla u\cdot\nabla v+u\cdot v-fv)\text{d} x+\int_{\partial\Omega}(\alpha(x)uv-gv)\text{d} s=0.

再验证 j(ε)=Ω(v2+v2)dx+Ωαv2dx>0j''(\varepsilon)=\int_\Omega(|\nabla v|^2+v^2)\text{d}\vec x+\int_{\partial\Omega}\alpha v^2\text{d} \vec x> 0.

II ⇒ I。w=vuMw=v-u\in M,考虑

J(u+w)J(u)=Ωuw+uw+12(w2+w2)dx+Ωα(uw+12w2)dxΩfwdxΩgwdx.J(u+w)-J(u)=\int_\Omega \nabla u\cdot\nabla w+uw+\frac{1}{2}(|\nabla w|^2+w^2)\text{d}\vec x+\int_{\partial\Omega}\alpha (uw+\frac12 w^2)\text{d}\vec x-\int_{\Omega} fw\text{d}\vec x-\int_{\partial\Omega} gw\text{d}\vec x.

由条件带入 v=wv=w.

得到

J(u+w)J(u)=12Ω(w2+w2)dx+12Ωαw2dx0J(u+w)-J(u)=\frac12\int_\Omega(|\nabla w|^2+w^2)\text{d}\vec x+\frac12\int_{\partial \Omega}\alpha w^2\text{d}\vec x\geqslant 0

从而问题 II 的解 uuJ(u)J(u) 的最小值点.

综上问题 I, II 等价. II ⇒ III。vC02v\in C_0^2,由 Green 公式

Ω(uv+uvfv)dx=Ω(Δu+uf)vdx=0\int_\Omega (\nabla u\cdot\nabla v+uv-fv)\text{d}\vec x=\int_\Omega (-\Delta u+u-f)v\text{d} x=0

那么由 vv 任意可得 Δu+u=f-\Delta u+u=f. 再带回 II 得到

Ω(un+αug)vds=0\int_{\partial \Omega}(\frac{\partial u}{\partial n}+\alpha u-g)v\text{d} s=0

从而 un+αu=g\dfrac{\partial u}{\partial n}+\alpha u=g.

III ⇒ II。 由 Green 公式可得问题 II 的条件成立。

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