Variationsrechnung

Differentialgleichungen – Kapitel 6

M. Ladecký, L. Pastewka

IMTEK, Universität Freiburg

Lernziele

Die Studierenden sollen…

  • … das Variationsprinzip formulieren und den Unterschied zwischen Funktionen und Funktionalen erklären können.
  • … die Euler-Lagrange-Gleichung aus dem Variationsprinzip ableiten können.
  • … Variationsprobleme mit einer oder mehreren Variablen lösen und physikalische Bedeutungen interpretieren können.

Von Funktionen zu Funktionalen

  • Klassische Analysis: Extrema von Funktionen \(f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}\), notwendige Bedingung \(f'(x) = 0\)
  • Variationsrechnung: Funktionale \(J: \mathcal{F} \to \mathbb{R}\) ordnen einer Funktion eine Zahl zu, typischerweise als Integral
  • Gesucht: die Funktion \(y \in \mathcal{F}\), die \(J[y]\) minimiert oder maximiert
  • Statt optimaler Zahlenwert → optimale Funktionsform
  • Fundament für Mechanik, Optik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie

Definition einer Variation

Familie variierter Funktionen um \(y^*(t)\): \[ y(t; \varepsilon) = y^*(t) + \varepsilon\, \eta(t) \]

  • Störungsfunktion \(\eta(t)\) mit \(\eta(a) = \eta(b) = 0\): alle variierten Funktionen erfüllen dieselben Randbedingungen
  • Entlang der Familie wird das Funktional zur gewöhnlichen Funktion: \[ J(\varepsilon) = J[y^*(t) + \varepsilon\, \eta(t)] \]

Das Variationsprinzip

\(y^*(t)\) ist stationärer Punkt von \(J[y]\), wenn für alle zulässigen \(\eta(t)\): \[ \delta J = \frac{\mathrm{d}J}{\mathrm{d}\varepsilon}\bigg|_{\varepsilon=0} = 0 \]

  • \(\delta J\): erste Variation des Funktionals
  • Analogon zu \(f'(x) = 0\) — notwendig, nicht hinreichend
  • Stationäre Punkte können Minima, Maxima oder Sattelpunkte sein

Das grundlegende Funktional

\[ J[y] = \int_a^b L(t, y, y') \, \mathrm{d}t \]

  • \(L(t, y, y')\): Lagrangefunktion — charakterisiert das spezifische Variationsproblem
  • Entlang der Variation \(y = y^* + \varepsilon\eta\): \[ J(\varepsilon) = \int_a^b L(t, y^* + \varepsilon\eta, y'^* + \varepsilon\eta') \, \mathrm{d}t \]

Herleitung: erste Variation

Differenzieren nach \(\varepsilon\) bei \(\varepsilon = 0\) (Kettenregel): \[ \delta J = \int_a^b \left[\frac{\partial L}{\partial y}\eta + \frac{\partial L}{\partial y'}\eta'\right] \mathrm{d}t \]

Partielle Integration des zweiten Terms: \[ \int_a^b \frac{\partial L}{\partial y'}\eta' \, \mathrm{d}t = \underbrace{\left[\frac{\partial L}{\partial y'}\eta\right]_a^b}_{=\,0} - \int_a^b \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\frac{\partial L}{\partial y'}\right)\eta \, \mathrm{d}t \]

Randterm verschwindet wegen \(\eta(a) = \eta(b) = 0\)

Die Euler-Lagrange-Gleichung

\[ \delta J = \int_a^b \left[\frac{\partial L}{\partial y} - \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\frac{\partial L}{\partial y'}\right)\right]\eta \, \mathrm{d}t = 0 \quad \forall \eta \]

→ der Klammerausdruck muss identisch verschwinden: \[ \frac{\partial L}{\partial y} - \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\frac{\partial L}{\partial y'}\right) = 0 \]

Gewöhnliche DGL zweiter Ordnung — jede Lösung ist ein stationärer Punkt von \(J\)

Struktur der Euler-Lagrange-Gleichung

Ausführen der totalen Ableitung: \[ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\frac{\partial L}{\partial y'}\right) = \frac{\partial^2 L}{\partial t \partial y'} + \frac{\partial^2 L}{\partial y \partial y'} y' + \frac{\partial^2 L}{\partial y'^2} y'' \]

  • Enthält implizit zweite Ableitungen von \(y\)
  • Zusammen mit zwei Randbedingungen \(y(a) = y_a\), \(y(b) = y_b\): Randwertproblem

Funktionale mit mehreren Funktionen

\[ J[y_1, \ldots, y_n] = \int_a^b L(t, y_1, \ldots, y_n, y_1', \ldots, y_n') \, \mathrm{d}t \]

Unabhängige Variation jeder Funktion → System gekoppelter Gleichungen: \[ \frac{\partial L}{\partial y_i} - \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\frac{\partial L}{\partial y_i'}\right) = 0, \quad i = 1, \ldots, n \]

  • \(n\) DGLs zweiter Ordnung, \(2n\) Randbedingungen
  • Typisch in der Mechanik: Systeme mit mehreren Freiheitsgraden

Physik: Prinzip der kleinsten Wirkung

Lagrangefunktion der Mechanik: \(L = T - V\) (kinetische minus potentielle Energie)

Die Wirkung: \[ S = \int_{t_1}^{t_2} L(t, q, \dot{q}) \, \mathrm{d}t \]

  • Die tatsächliche Bewegung macht die Wirkung stationär
  • Euler-Lagrange-Gleichungen = Bewegungsgleichungen
  • Äquivalent zu Newton, aber oft eleganter und allgemeiner

Variationsprinzipien in der Physik

  • Optik: Fermatsches Prinzip — Licht minimiert die Laufzeit (erklärt Reflexion und Brechung)
  • Quantenmechanik: Feynmans Pfadintegral — Summe über alle Pfade, gewichtet mit der klassischen Wirkung
  • Allgemeine Relativitätstheorie: Geodäten als kürzeste Wege in gekrümmter Raumzeit
  • Kontinuumsmechanik: Gleichgewicht elastischer Körper durch Minimierung der potentiellen Energie

Beispiel 1: Kürzeste Kurve zwischen zwei Punkten

Bogenlänge aus dem Satz des Pythagoras: \[ \mathrm{d}s = \sqrt{1 + \left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2} \, \mathrm{d}x \]

Zu minimierendes Funktional: \[ J[y] = \int_a^b \sqrt{1 + (y')^2} \, \mathrm{d}x, \qquad L = \sqrt{1 + (y')^2} \]

Beispiel 1: Lösung — die Gerade

\(L\) hängt nicht von \(y\) ab: \(\frac{\partial L}{\partial y} = 0\), also \[ \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}x}\left(\frac{y'}{\sqrt{1 + (y')^2}}\right) = 0 \;\Rightarrow\; \frac{y'}{\sqrt{1 + (y')^2}} = c \]

Auflösen: \(y' = m\) konstant → \[ y(x) = mx + n \]

Die kürzeste Verbindung ist die gerade Linie (\(m\), \(n\) aus den Randbedingungen)

Beispiel 2: Das Brachistochron-Problem

  • Johann Bernoulli, 1696: Teilchen gleitet reibungsfrei unter Schwerkraft von A zu tieferem B
  • Gesucht: Kurve mit minimaler Laufzeit (griech. “kürzeste Zeit”) — nicht kürzester Weg!
  • Steiler Anfang → schneller Geschwindigkeitsaufbau; optimale Kurve als Kompromiss zwischen direktem Weg und Beschleunigung

Energieerhaltung: \(mgy = \frac{1}{2}mv^2 \;\Rightarrow\; v = \sqrt{2gy}\)

Beispiel 2: Funktional und Beltrami-Identität

\[ T[y] = \int_0^a \frac{\sqrt{1 + (y')^2}}{\sqrt{2gy}} \, \mathrm{d}x \]

\(L\) hängt nicht explizit von \(x\) ab → erstes Integral (Beltrami-Identität): \[ L - y' \frac{\partial L}{\partial y'} = C \;\Rightarrow\; 1 + (y')^2 = \frac{1}{C^2 y} \]

DGL erster statt zweiter Ordnung!

Beispiel 2: Die Zykloide als Lösung

Lösung: Zykloide — Bahn eines Punktes auf einem rollenden Rad \[ x(\theta) = \frac{R}{2}(\theta - \sin\theta), \qquad y(\theta) = \frac{R}{2}(1 - \cos\theta) \]

  • \(R\) aus den Randbedingungen (Lage von A und B)
  • Steiler Start → schneller Geschwindigkeitsaufbau; flacher Auslauf nutzt die Geschwindigkeit
  • Schneller als Gerade oder Kreisbogen, obwohl der Weg länger ist

Zusammenfassung

  • Funktionale ordnen Funktionen eine Zahl zu; gesucht sind stationäre Punkte: \(\delta J = 0\)
  • Das Variationsprinzip führt auf die Euler-Lagrange-Gleichung: \[ \frac{\partial L}{\partial y} - \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left(\frac{\partial L}{\partial y'}\right) = 0 \]
  • Mehrere Funktionen → System gekoppelter Euler-Lagrange-Gleichungen
  • Kürzeste Kurve: Gerade; schnellste Bahn unter Schwerkraft: Zykloide
  • Variationsprinzipien sind das Fundament der Physik (kleinste Wirkung, Fermat, Pfadintegrale, Geodäten)