#physics # Классическая физика ## Общее определение функционала Пусть имеется некоторое [[Множество|множество]] функций $\LARGE q(t)$, заданных на отрезке $\LARGE (t_1,t_2)$ в нашем случае эти функции - просто траектории частиц. Мы будем считать, что эти функции достаточное число раз [[Дифференцируемая функция|дифференцируемы]]. Иногда можно добавить дополнительные условия (в нашем случае - граничные условия $\LARGE q(t_1)=q_1$, $\LARGE q(t_2)=q_2$), а можно и не накладывать ![[Pasted image 20250319234403.png]] Тогда фукцнионал - [[Отображение|отображение]] $\LARGE S=S(\{q(t)\})$ указанного множества функций $\LARGE q(t)$ на множество [[Числовые множества|вещественных чисел]]. Иными словами, каждой функции сопоставляется определенное число. Функционал - аналог функции многих переменных (только число переменных стремится к бесконечности) ## Вариационная производная Вариационные задачи обычно заключаться в нахождении такой функции $\LARGE q(t)$, которая обеспечивает минимальное (или максимальное) значение функционала $\LARGE S\{q(t)\}$. Этому требованию соответствует вариационное уровнение: $$\LARGE \frac{\delta S}{\delta q(t)}:\space\space\frac{\partial S}{\partial q(t)}=0\space\space\space\forall t \in (t_1,t_2)$$ ![[Pasted image 20250320122116.png]] Аналогично тому, как понятие [[Производная|производной]] возникает при описании изменении функции в результате малого изменения ее аргумента, возникают вариационные производные при описании изменения функционала при малом изменении функции, являющейся его аргументом: $$\LARGE F[x_0(t)+\Delta x(t)]=F[x_0(t)]+\int dt A(t)\space\Delta x(t)+ \frac{1}{2}\iint dt\space dt' B(t,t')\space \Delta x(t)\space\Delta x(t')+\frac{1}{6}\iiint dt\space dt' \space dt'' \space C(t, t', t'')\space\Delta x(t)\space \Delta x(t')\space\Delta x(t'')+$$ $$\LARGE +....$$ Где функция одной переменной $$\LARGE A(t)\equiv\frac{\delta F}{\delta x(t)}$$ называется первой вариационной производной функционала $\LARGE F$, функция двух переменных $$\LARGE B(t,t')\equiv\frac{\delta^2 F}{\delta x(t)\delta x(t')}$$ называется второй вариационной производной функционала и т.д. ![[Pasted image 20250320163153.png]] ![[Pasted image 20250320163346.png]] ![[Pasted image 20250320163356.png]] Тогда условие экстремума функции $\LARGE S[q]$ можно записать в виде системы $\LARGE K$ уравнений: ![[Pasted image 20250320163425.png]] ![[Pasted image 20250320180537.png]] ([[Квадратичная форма]]) ![[Pasted image 20250320180607.png]] ![[Pasted image 20250501224642.png]] ![[Pasted image 20250501224713.png]] ИЛИ ![[Pasted image 20250501224736.png]] ## Частные случаи ### Локальный во времени функционал ![[Pasted image 20250329180856.png]] ![[Pasted image 20250329181056.png]] ![[Pasted image 20250329181109.png]] ### Квадратичный нелокальный во времени функционал ![[Pasted image 20250329181144.png]] ### Функционал, зависящий от координат и скоростей ![[Pasted image 20250329181208.png]] ([[Уравнение Эйлера-Лагранжа]]) ![[Pasted image 20250329181240.png]] Где $\LARGE L$ - [[Лагранжиан]] ### Функционал, зависящий от координат, скоростей и ускорений ![[Pasted image 20250329181709.png]] ### Условный функционал ![[Pasted image 20250330173310.png]] ([[Максимум и минимум функции]]) только там плюс #### Дополнение на несколько условий Пусть есть $\LARGE n$ условий $\LARGE g_i (x,y)=0$, тогда для поиска условного экстремума $\LARGE f(x,y)$ при всех $\LARGE g_i=0$ нужно искать экстремум $$\LARGE f^*=f+\displaystyle\sum_{i=1}^n\lambda_ig_i$$ где $\LARGE \lambda_i$ - множители Лагранжа. Аналогично для вариационного исчисления: Для минимизации функционала $\LARGE F[y]$ на пространстве функций, ограниченных условием $\LARGE G[y]=0$, нужно минимизировать функционал $$\LARGE F^*=F[y]+\lambda(x)G[y]$$ $$\LARGE F^*[y]=\int_{x_1}^{x_2}dx(f(x,y,y')+\lambda(x)g(x,y,y'))$$ что сводится к системе двух уравнений $$\LARGE \frac{d}{dt}[\frac{\partial f}{\partial y'}+\lambda \frac{\partial g}{\partial y'}]=\frac{\partial f}{\partial y}+\lambda \frac{\partial g}{\partial y}$$ $$\LARGE \frac{\partial F^*}{\partial \lambda}=0$$ ### Функционал с добавкой ![[Pasted image 20250601210413.png]] (если решать уравнения Эйлера-Лагранжа для $\LARGE L'$ то вклады от функции зануляются) # Релятивистская физика ## Определение действия Определеим интегра действия для свободного материальной частицы: - интеграл должен быть инвариантом относительно [[Преобразование Лоренца|преобразований Лоренца]], то есть должен быть взят от скаляра - [[Интервал|интервала]] - пол интегралом должны стоять дифференциалы в первой степени Единственный такой скаляр - интервал $\LARGE ds$ или $\LARGE \alpha ds$, где $\LARGE \alpha$ - некоторая постоянная. Тогда: $$\LARGE S=-\alpha \displaystyle\int_a^b ds$$ где интеграл берется вдой мировой линии между двумя заданными событиями $\LARGE a$ и $\LARGE b$ - нахождением частицы в начальном и конечном местах в определенные моменты времени $\LARGE t_1$ и $\LARGE t_2$. $\LARGE \alpha$ должна быть положительна: ![[Pasted image 20260130202504.png]] ![[Pasted image 20260130202515.png]] В виде интеграла времени действие представляется как: $$\LARGE S=\displaystyle\int_{t_1}^{t_2}Ldt$$ где $\LARGE L$ - [[Лагранжиан|лагранжиан]]. Помня, как раскрывается интервал, находим: $$\LARGE S=-\displaystyle\int_{t_1}^{t_2}\alpha c\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}dt$$ где $\LARGE v$ - скорость материальной частицы. Тогда лагранжиан для частицы есть: ![[Pasted image 20260130202648.png]] Найдем связь между $\LARGE \alpha$ и m: при пределеьном переходе $\LARGE c \rightarrow \infty$ выражение для $\LARGE L$ должно перейти в классическое выражение $\LARGE L=\frac{mv^2}{2}$ ![[Pasted image 20260130202737.png]] Опустив постоянный член $\LARGE \alpha c$ и сравнив с классическим выражением лагранжиана, находим, что $$\LARGE \alpha=mc$$ Тогда: ![[Pasted image 20260130202823.png]] ![[Pasted image 20260130202830.png]] ^871302