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只有 20 米围栏,怎样围出最大菜地?#
先只考虑长方形,长宽为 x,y>0。围栏给出 2x+2y=20,你不能同时随意增大两边,因为总长度已经固定。
面积 A=xy=x(10−x)=25−(x−5)2,所以 5 米乘 5 米时最大,为 25 平方米。约束优化就是在“允许的选择”里找最好,而不是在整个平面乱找。
Lagrange 乘子把这件事推广到更复杂的约束。读到梯度平行时,可以想象你沿着围栏长度不变的方向调整尺寸:到最优点后,任何这样的小调整都不能再一阶提高面积。
从长方形菜地推导乘子条件#
围栏约束为 g(x,y)=2x+2y−20=0。允许的小调整 (a,b) 必须满足 2a+2b=0,也就是加长多少就缩短多少。
面积 f=xy 的一阶变化为 ya+xb。在最优位置,它对每个允许调整都应为零;代入 b=−a,得到 (y−x)a=0,所以 x=y。这里直接得到正方形,不需要先背乘子法。
几何上,所有允许的小调整构成一条切方向。∇g 与这个方向垂直,最优点的 ∇f 也必须垂直,于是二者平行。多约束情形同理,只是切空间和法向量会更多。
搬箱子的功为什么要用点积#
你沿水平方向拖箱子 2 米,施加 10 牛顿的力,但力与水平方向夹角为 60 度。真正沿位移方向的力只有 10cos60∘=5 牛顿,所以功为 10 焦耳。
把位移分成小段,逐段做 F⋅Δx 再相加,就得到向量场的曲线积分。路径拐弯时,每一段方向不同,不能只把“力的大小 × 总路程”当作功。
为什么有些路径只看起点终点,有些还看绕路#
在理想重力场中,从同一高度搬到另一高度,重力做功只看高度差;路上怎么绕不改变结果。这对应梯度场和势能函数。
但沿环形水流划一圈,可能一路都得到同向推力,回到原点后仍有非零做功。这样的环流不能由一个全局单值势函数描述。Green、Stokes 和 Gauss 定理分别把不同的边界累积与内部变化联系起来;它们的共同用途,是选择更容易计算的一边。
带你做:一段圆弧路程和沿路做功不是一回事#
沿单位圆上半圈从 (1,0) 走到 (−1,0),参数为 γ(t)=(cost,sint),0≤t≤π。因为 ∥γ′(t)∥=1,路程为 π。
如果受恒力 F=(1,0),做功为 ∫0πF⋅γ′(t)dt=∫0π−sintdt=−2。路程是正数,功却为负,因为总体运动方向与力相反。
若把路线倒过来,路程仍为 π,功变成 2。用这组数字检查自己是否分清标量弧长积分与向量做功积分,往往比背两个长定义更有效。
同一个恒力是势函数 ϕ=x 的梯度,所以做功只看终点减起点,即 −1−1=−2。换一条绕路仍如此;但前面提到的环流场没有全局单值势函数,就不能这样省略路径。
回头整理:定义、工具与练习#
约束把允许方向缩小#
求 f(x) 在 g(x)=0 上的极值。若 f,g 可微,极值点 x∗ 满足 ∇g(x∗)=0,则存在乘子 λ 使
∇f(x∗)=λ∇g(x∗).原因是沿约束曲面的切方向,g 的一阶变化为零,f 在极值点的变化也为零,所以二者梯度都垂直于切空间。多个等式约束时,需约束梯度线性无关。
例:在 x2+y2=1 上最大化 x+y,由 (1,1)=2λ(x,y) 得候选点 ±(1,1)/2,最大值为 2。乘子方程只产生候选点,还应检查取值及边界、退化情形。
两种曲线积分#
曲线 γ(t)(a≤t≤b)上的标量积分为
∫γfds=∫abf(γ(t))∥γ′(t)∥dt.向量场的做功积分为
∫γF⋅dx=∫abF(γ(t))⋅γ′(t)dt.前者不因反向改变,后者反向会变号。若 F=∇ϕ,链式法则给出路径积分只取决于端点:ϕ(γ(b))−ϕ(γ(a))。
三个积分定理在连接什么#
在区域与场足够光滑、方向约定一致的条件下:
| 定理 | 等式 | 含义 |
|---|
| Green | ∮∂DPdx+Qdy=∬D(Qx−Py)dxdy | 平面边界环流与内部旋转 |
| Gauss | ∬∂ΩF⋅ndS=∭Ω∇⋅FdV | 向外通量与内部散度 |
| Stokes | ∮∂SF⋅dx=∬S(∇×F)⋅ndS | 边界环流与曲面旋度 |
平面正向边界通常为外边界逆时针;有孔区域的内边界方向相反。曲面边界方向按右手规则确定。
“旋度为零”推导势函数存在还需定义域条件。在去掉原点的平面上,F=(−y,x)/(x2+y2) 旋度为零,但沿单位圆积分为 2π,不存在全局单值势函数。
通向弱导数#
一维分部积分 ∫uϕ′=−∫u′ϕ(边界项为零)将导数从 u 转移到测试函数 ϕ。这让我们有机会定义不处处可导的函数的导数,是 Sobolev 空间的入口。
练习与解答#
- 在 x+y=1 上最小化 x2+y2。
- 对 F(x,y)=(2x,2y),从 (0,0) 到 (1,1) 的做功是多少?
- 单位球面上 F(x,y,z)=(x,y,z) 的向外通量是多少?
解答:1. x=y=1/2,最小值 1/2。2. 势函数 x2+y2,结果 2。3. 散度为 3,单位球体积 4π/3,所以通量 4π。
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