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数学知识体系

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⌕2026/8/31
概念

二阶变分

勒让德条件与雅可比条件区分极大与极小,对应二阶导数的符号与共轭点。

所属主题:变分法 ↗
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参考可汗学院 Get ready 机制:先修概念 → 当前概念 → 进阶概念,✓ 表示已读。

01定义

欧拉-拉格朗日方程只给驻点,二阶变分区分极大与极小:勒让德条件(Ly′y′≥0L_{y'y'}\geq 0)与雅可比条件(无共轭点)联合保证弱极小。变分法的「二阶导数检验」。
极小(δ²J > 0) 极大(δ²J < 0) δ²J = ∫(P η′² + Q η²)dx:二次型的正定性定极小
二阶变分:曲率符号区分极小与极大

02核心要点

01

勒让德条件

极小要求 Ly′y′≥0L_{y'y'}\geq 0 沿驻点曲线——类似 f′′≥0f''\geq 0;强形式(严格正)才够支撑充分条件。

02

雅可比条件与共轭点

二阶变分正定   ⟺  \iff 驻点曲线到端点间无共轭点;测地线越过共轭点后不再是极短路径——球面上「绕远的大圆弧」为例。

03

充分条件体系

外尔斯特拉斯场论给出强极小的充分条件:驻点 + 勒让德强条件 + 无共轭点——经典变分法的完整判据链。

03关键公式

δ2J=∫(Lyyη2+2Lyy′ηη′+Ly′y′η′2)dx\delta^2J=\int\bigl(L_{yy}\eta^2+2L_{yy'}\eta\eta'+L_{y'y'}\eta'^2\bigr)dx

04历史沿革

勒让德 1786 年提出第一个二阶条件(但有漏洞);雅可比 1837 年以共轭点修正;外尔斯特拉斯学派完成充分条件体系。

05应用与延伸

最优控制的二阶最优性条件、结构力学的屈曲分析(失稳 = 二阶变分变号)、广义相对论测地线稳定性的判定。

06交互演示

二阶变分:极小化子的判据拖 λ 越过 π²:泛函 J 的凸性翻转,驻点从极小变极大

07相关概念