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如何在无限维空间中求导数?用变分法,推导出欧拉-拉格朗日方程

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变分法是对已知的微积分进行扩展,将其应用于无限维空间,特别是函数空间。普通的微积分关注的是一个或多个实变量的函数而变分法处理的是函数的函数,即泛函。本文的主要目的是证明,只要给出正确的导数定义,变分法与普通微积分非常相似。我将有限维无限维优化问题进行比较,并揭示无限维问题可以使用有限维的思想来求解。我利用这些思想推导出著名的欧拉-拉格朗日方程(Euler-Lagrange equations

优化(Optimization)

优化是数学、工程学、计算机科学等领域中寻找最佳解决方案的过程。优化的目标通常是在给定约束条件下,最大化或最小化某个目标函数。在实际应用中,优化问题可以涉及到不同领域的诸多问题,如资源分配、生产调度、投资组合选择、机器学习模型调整等。

最简单的形式是,优化问题作为一个函数给出,我们寻求使这个函数达到最小值或最大值的点。

以金融领域的马科维茨投资组合(Markowitz Portfolio为例。假设我持有两种风险证券,其收益率方差分别为σ₁和σ₂。它们的协方差是c。我应该持有多少比例的每种证券以使投资组合的方差最小?

假设投资组合中第一种证券的比例为w,那么投资第二种证券的比例为(1-w)。给定这些参数,两个证券投资组合的总方差可以写成:

要解决这个问题,我们需要找到一个使这个方差最小化的w。

方法

在上述示例中,问题被建模为一个未知变量的函数。我们寻求一个值,使得函数的值最小。首先,我们要明确最小值的含义。

最小值的定义:设是一个集合,f:→ℝ是从这个集合到实数的函数。如果在中的₀点,f有一个局部最小值,那么₀的某个邻域满足()≥(₀),对所有∈成立。如果对于所有∈,都有()≥(₀),那么₀是全局最小值。

我还没有定义什么是邻域。直观地说,邻域是一个包含接近点的的子集。为了判断点是近还是远,我们需要在集合上定义一些距离度量。幸运的是,实数轴以及任何欧几里得空间都自带了一种自然的距离度量。

如果x和y是n维向量空间中的点,我们可以将它们的坐标写为,

x和y之间的距离由它们的差的范数给出:

微积分定理中的关键结果是解决优化问题的:

定理:必要优化条件

设f:ℝₙ→ℝ是一个连续可微函数。如果在₀处有一个局部最小值,那么∇(₀)=0。

逆命题并非总是成立,但如果有二阶导数,那么有一个更强的条件来保证最小值。

当且仅当∇(₀)=0且∇²(₀)≥0时,在₀处有一个局部最小值。

注意,∇表示向量

在一维情况下,这就是我们熟知的导数/。下图展示了一个函数的导数为0的点。

这个性质表明了一种寻找最小值的简单算法:找到函数导数为0的所有点。如果有多个,计算函数在每个点的值,并选择最小值。

利用这个算法,我们现在可以解决方差最小化问题:

取方差V关于w的导数,得到

我们将这个表达式设为0,求解w,得到最小方差投资组合的解:

局限性

我们有一个在多维度上计算最优性的强大工具。然而,到目前为止,还有一些问题无法解决。考虑以下问题:

我在两点1和2之间画出一个函数():ℝ→ℝ的图像。然后我将图像绕轴旋转,形成一个表面。这样描述的旋转表面的面积由下式给出:

下面是一个旋转表面的示例

我们感兴趣的是在两个固定点之间找到一个函数,使得旋转表面的面积最小。到目前为止,我们讨论的方法无法解决这个问题,因为我们寻找的不仅仅是一个数,而是整个函数。

导数

上述问题需要优化一个函数的函数。这样的函数通常被称为泛函(Functional。我们可以将泛函视为一个函数F:V→ℝ,其中V是函数空间。与我们之前处理的域:ℝⁿ→ℝ具有有限维数的情况不同,这个新的函数空间具有潜在的无限维数。

我们可以在无限维空间中求导数吗?

首先要做的是仔细研究导数的定义,并了解如何将其扩展。在微积分课程中,点处的导数通常定义为

即使在这个简单的一维定义中,我们也必须小心,因为如果从左侧(h负)或右侧(h正)接近0,可能会得到不同的结果。

定义:变分导数

设:→ℝ是一个定义在向量空间V(可能是无限维)上的实值函数。在处沿ℎ方向的变分导数定义为

其中是一个正实数。

注意,这个导数通常取决于方向向量ℎ。如果在计算导数时发现它与ℎ无关,那么这是一个好兆头,因为它意味着导数可能在每个方向上都有良好的定义。

欧拉-拉格朗日方程

给定一个未知函数x及其导数的已知泛函L,找到使以下积分最小化的函数x:

这是一个无限维空间中的优化问题。事实证明,情况与有限维情况类似,需要寻找I的导数等于0的地方。

是变量和及其导数的函数。 (,˙)可以被视为两个变量(,)的函数。这样的函数在点(+′,+′)的泰勒展开式为

其中e是一个很小的数。我可以将上式写为

计算导数

现在,使用变分导数的定义

首先,我计算(+ℎ)−(),其中是一个很小的数,ℎ是一个任意函数。然而,它并不是完全任意的。h必须使端点₁和₂处的值保持不变。换句话说,必须有f(x₀)+h(t₁)=f(x₀),从而得到h(t₁)=0。同样的道理也适用于t₂。下面的图片说明了这一点。

因此,我们得到:

现在我可以使用泰勒展开来得到

注意,O(e²)项可以忽略不计。现在我关心的是括号中的第二项。使用微积分中的莱布尼兹规则:

得到了第二项的表达式:

两边积分:

正如我们讨论过的,h必须使端点保持固定,这意味着h(t₁)=h(t₂)=0。因此,上述积分的值为0。

这是剩下的部分

取极限消除了O(e)项。为了找到最优值,我令导数为0。

但由于ℎ是一个(几乎)任意的函数,唯一使这成立的方式是对于每个ℎ,积分项恒等于0。

欧拉-拉格朗日方程

应用:旋转曲面

让我们回到之前遇到的问题。我们想要找到两点之间的旋转曲面,使得其面积最小:

我们现在可以通过使用欧拉-拉格朗日方程来解决这个问题。通过观察,可以看到在这种情况下

由于x(t)没有出现在表达式中,所以关于x的导数为0。然而:

所以欧拉-拉格朗日方程给出:

重新整理得到

这种类型的曲线被称为悬链线,由此产生的旋转曲面被称为悬链面

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