变分#

一阶变分(G\(\mathrm{\hat{a}}\)teaux 导数)#

\(\mathcal{F}\)\(\psi\) 可微,则其一阶变分定义为

(32)#\[ \delta\mathcal{F}(\psi;\eta)\equiv\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\epsilon}\mathcal{F}(\psi+\epsilon\eta)\right|_{\epsilon=0} \]

其中,\(\psi\)\(\eta\) 同属于一个向量空间,一阶变分也称为 G\(\mathrm{\hat{a}}\)teaux 导数,\(\delta\) 被称为变分算子

通常,把 \(\eta\) 记为 \(\delta\psi\) 因此,式 (32) 通常也写为

\[ \delta\mathcal{F}(\psi;\delta\psi)\equiv\left.\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\epsilon}\mathcal{F}(\psi+\epsilon\delta\psi)\right|_{\epsilon=0} \]

\(\mathcal{F} = \psi\) 时,代入上式,是自洽的

对构型的扰动,称为 Lagrangian 微分,此时 \(\mathbf{X}\) 固定;对物理场的扰动,称为 Eulerian 微分,此时 \(\mathbf{x}\) 固定

变分算子与微分算子在形式上类似,但二者的本质区别在于:

  • 微分算子作用于函数,描述函数值随自变量变化的变化率(函数空间→数值)

  • 变分算子作用于泛函,描述泛函值随函数(作为自变量)变化的变化率(泛函空间→数值)

变分算子在和,积,比,幂的运算与微分算子一致

类似于偏导数计算,对于多变量泛函,变分运算也可以指定变分变量,并默认其它变量保持不变

变分运算的可交换性#

对于 Lagrangian 变分和初始构型的运算,显然有

\[\begin{split} \begin{aligned} \delta(\nabla_{0}\mathbf{u})&=\left[\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\epsilon}\nabla_{0}(\mathbf{u}+\epsilon\delta\mathbf{u})\right]_{\epsilon=0}=\nabla_{0}(\delta\mathbf{u})\\ \delta\left(\int_{\Omega_{0}}\mathbf{u}\mathrm{d}V\right)&=\left[\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}\epsilon}\int_{\Omega_{0}}(\mathbf{u}+\epsilon\delta\mathbf{u})\mathrm{d}V\right]_{\epsilon=0}=\int_{\Omega_{0}}\delta\mathbf{u}\mathrm{d}V \end{aligned} \end{split}\]

交换公式#

\[ \delta (\nabla \mathbf{u}) = \nabla (\delta \mathbf{u}) - (\nabla \mathbf{u})(\nabla \delta \mathbf{u}) \]

一些重要的变分运算#

虽然都统一使用 \(\delta\) 来表示变分,但也区分为对不同变量的微分,例如 \(\mathbf{u}\) 的变分和对 \(\mathbf{v}\) 的变分,可以通过右端的变分量进行区分

一般来说,时间无关量的变分量是 \(\mathbf{u}\),如 \(\mathbf{F}\)\(\mathbf{E}\),时间,时间相关量的变分量是 \(\dot{\mathbf{F}}\)\(\dot{\mathbf{E}}\)

\[ \nabla\delta\mathbf{u} = \nabla_0 \delta\mathbf{u}\ \mathbf{F}^{-1}; \quad \nabla\delta\mathbf{v} = \nabla_0 \delta\mathbf{v}\ \mathbf{F}^{-1} \]
\[ \delta\mathbf{F} = \delta(\nabla_0 \mathbf{u}) = \nabla_0\delta\mathbf{u} = \nabla(\delta\mathbf{u})\mathbf{F} \]
\[ \delta\dot{\mathbf{F}} = \delta(\nabla_0 \mathbf{v}) = \nabla_0\delta\mathbf{v} = \nabla(\delta\mathbf{v})\mathbf{F} \]
\[ \delta\mathbf{F}^{-1} = -\delta\nabla\mathbf{u}= -\mathbf{F}^{-1}\nabla\delta\mathbf{u} \]
\[ \delta\boldsymbol{\varepsilon} = \frac{1}{2}\left[(\nabla_0 \delta\mathbf{u})^{\mathrm{T}} + \nabla_0 \delta\mathbf{u}\right] \]

\(\nabla_{0}\)\(\delta\) 的交换性立证

\[\begin{split} \begin{aligned} \delta\mathbf{E} &= \frac{1}{2}\mathbf{F}^{\mathrm{T}} \left[(\nabla\delta\mathbf{u})^{\mathrm{T}} + \nabla\delta\mathbf{u}\right] \mathbf{F}\\ &\approx \mathbf{F}^{\mathrm{T}} \delta\boldsymbol{\varepsilon} \mathbf{F} \end{aligned} \end{split}\]

对于小位移小应变的情形,第二行近似成立

\[ \delta\mathbf{d} = \frac{1}{2}\left[(\nabla\delta\mathbf{v})^{\mathrm{T}} + \nabla\delta\mathbf{v}\right] = \text{sym}(\nabla\delta\mathbf{v}) = \text{sym}(\delta\dot{\mathbf{F}}\mathbf{F}^{-1}) \]

\(\mathbf{d}\) 来说,变分变量为 \(\mathbf{v}\),而 \(\mathbf{u}\) 保持不变