数学纪闻录

第89章 一般边值问题、自守函数、变分法等问题(2/2)

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3. 当(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“当”后的留白)绕这些奇点作闭合曲线运动时,函数会发生给定的线性变换。

通过计数常数的方法,已可推断这类微分方程大概率存在;但截至目前,仅在“给定线性变换的特征方程的所有根的绝对值均为1”这一特殊情形下,才得到了严格证明。L.施莱辛格(L. Schlesinger)基于庞加莱(poincaré)的富克斯函数(Fuchsian -functions)理论,给出了这一情形的证明[49]。显然,若能通过某种完全通用的方法解决此处概述的问题,线性微分方程理论的体系将会更加完善。

[49]《线性微分方程理论手册》(handbuch der theorie der linearen differentialgleichungen),第2卷第2部分,第366节。

22. 借助自守函数使解析关系单值化

正如庞加莱(poincaré)首次证明的那样,利用单变量的自守函数,总能将两个变量之间的任意代数关系化为单值的。也就是说,对于任意给定的二元代数方程,总能找到两个关于单变量的单值自守函数,使得将这两个函数代入方程后,方程成为恒等式。

庞加莱还尝试将这一基本定理推广到“两个变量之间的任意非代数解析关系”的情形,且取得了成功[50]——不过,所用方法与他解决上述代数关系单值化问题时的方法完全不同。

然而,从庞加莱对“二元任意解析关系可单值化”的证明中,无法看出能否通过确定“分解函数”(resolving functions)来满足某些额外条件。具体而言,该证明并未表明:能否选择这两个关于新单变量的单值函数,使得当新变量遍历这些函数的解析区域时,能覆盖并表示出给定解析域的所有解析点。相反,从庞加莱的研究[第36页]来看,情况似乎是:除分支点外,解析域中还存在其他特殊点(通常是无穷多个离散的例外点),要到达这些点,只能让新变量趋近于函数的某些极限点。

鉴于庞加莱对该问题的表述具有基础性重要意义,我认为,阐明并解决这一难点是极为必要的。

与该问题相关的,还有“将三个或更多复变量之间的代数关系(或其他任意解析关系)化为单值”的问题——已知该问题在许多特殊情形下是可解的。皮卡(picard)近期关于二元代数函数的研究,可视为解决这一问题的有益且重要的前期探索。

[50]《法国数学会通报》(bull. de la Soc. math. de France),第11卷(1883年)。

23. 变分法方法的进一步发展

截至目前,我所提及的问题大多尽可能明确且具体——因为我认为,正是这类明确具体的问题最能吸引我们,且往往对科学产生最持久的影响。不过,我想以一个一般性问题作为收尾,即谈谈本次演讲中多次提到的一个数学分支——变分法(the calculus of variations)[51]。尽管魏尔斯特拉斯(weierstrass)近期已极大推动了该分支的发展,但在我看来,它尚未获得应有的广泛认可。

人们对变分法缺乏关注,部分原因或许是缺少可靠的现代教科书。正因如此,A.克内泽尔(A. Kneser)在其最新出版的着作中,从现代视角出发、结合现代数学对严谨性的要求来阐述变分法,这一做法更值得称赞[52]。

从最广泛的意义上讲,变分法是“函数变分的理论”,因此可视为微积分(微分学与积分学)的必要延伸。从这个角度看,例如庞加莱(poincaré)关于三体问题的研究,就构成了变分法的一个章节——因为庞加莱正是通过变分原理,从已知轨道出发推导出了具有相似性质的新轨道[第37页]。

在此,我想对演讲开头处关于变分法的一般性论述稍作补充说明。

众所周知,经典变分法中最简单的问题是:找到一个关于变量(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“变量”表述)的函数(原文未明确函数符号,此处按上下文保留“函数”表述),使得定积分(原文未写出积分具体形式,此处按上下文保留“定积分”表述)的值,相较于“将(原文未明确函数符号,此处按上下文保留“将”后的留白)替换为其他具有相同初值与终值的关于(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“关于”后的留白)的函数”时的积分值,取得最小值。

在通常意义下,一阶变分(原文未写出变分具体形式,此处按上下文保留“一阶变分”表述)等于零,可得到所求函数(原文未明确函数符号,此处按上下文保留“函数”表述)满足的着名微分方程:

(原文未写出方程具体形式,此处按上下文保留空白,标注为方程(1))

为更深入探究取得所需最小值的必要条件与充分条件,我们考虑积分(原文未写出积分具体形式,此处按上下文保留“积分”表述,标注为积分J)。

现在我们要探讨:应如何将(原文未明确符号,此处按上下文保留“将”后的留白)确定为关于(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“关于”后的留白)与(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“与”后的留白)的函数,才能使积分J的值与积分路径无关——即与关于变量(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“变量”表述)的函数(原文未明确函数符号,此处按上下文保留“函数”表述)的选择无关。积分J具有如下形式[第38页]:

(原文未写出积分具体形式,此处按上下文保留空白)

其中(原文未明确符号,此处按上下文保留“其中”后的留白)与(原文未明确符号,此处按上下文保留“与”后的留白)不含(原文未明确符号,此处按上下文保留“不含”后的留白);而在新问题所要求的意义下,一阶变分(原文未写出变分具体形式,此处按上下文保留“一阶变分”表述)等于零,可得到方程:

(原文未写出方程具体形式,此处按上下文保留空白)

即关于两个变量(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“两个变量”表述)与(原文未明确变量符号,此处按上下文保留“与”后的留白)的函数(原文未明确函数符号,此处按上下文保留“函数”表述),需满足一阶偏微分方程:

(原文未写出方程具体形式,此处按上下文保留空白,标注为方程(1*))

二阶常微分方程(1)与一阶偏微分方程(1*)之间存在极为密切的联系。通过以下简单变换,这种联系可立即显现:

(原文未写出变换具体形式,此处按上下文保留空白)

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