正文用到本节的地方:作用量原理与拉格朗日方程(§P1.1);金兹堡–朗道理论的平衡方程 (19.11)(§19.4);卡恩–希利亚德方程中的化学势 μ=δF/δϕ(§31.6)。最大熵原理(§4.6)用于连续分布时,也是一个变分问题。
§A12.1泛函
普通函数把一个数映成一个数;泛函把一个函数映成一个数。例子:
- 作用量 S[q]=∫t1t2L(q,q˙)dt:给定一条路径 q(t),得到一个数(§P1.1)。
- 金兹堡–朗道自由能 F[m]=∫[am2+bm4+g∣∇m∣2]ddr:给定一个序参量的空间分布,得到一个自由能((19.10))。
- 分布的熵 H[p]=−∫p(x)lnp(x)dx。
- 平面上连接两点的曲线 y(x) 的长度 ∫1+y′2dx。
变分问题就是求使泛函取驻值(极大、极小或鞍点)的函数。方括号 [⋅] 表示自变量是整个函数。
一个有用的类比:把函数 ϕ(x) 看成"无穷多个变量" ϕi=ϕ(xi) 的集合(xi 是间距为 a 的格点),泛函就是这无穷多个变量的普通函数,积分就是求和 ∫dx→∑ia。变分法就是"无穷多元函数求极值",下面的结论都可以这样理解。
§A12.2变分法基本引理
引理:若 f(t) 连续,并且对一切在端点处为零的连续可导函数 η(t) 都有
∫t1t2f(t)η(t)dt=0
则 f(t)≡0。
证明:假设在某点 t0 处 f(t0)>0。由连续性,f 在 t0 附近的一个小区间 (t0−ϵ,t0+ϵ) 内都大于零。取 η 为只在这个小区间内不为零的"鼓包",例如 η=(t−t0+ϵ)2(t0+ϵ−t)2(区间内)、0(区间外)。它连续可导、非负、在端点为零,而 ∫fηdt>0,矛盾。f(t0)<0 同理。□
多维版本完全一样:若 ∫f(r)η(r)ddr=0 对一切在边界上为零的 η 成立,则 f≡0。
§A12.3欧拉–拉格朗日方程
考虑 F[y]=∫x1x2L(x,y,y′)dx,端点值 y(x1)、y(x2) 固定。令 y→y+ϵη(η 在端点为零),把 F 看成 ϵ 的普通函数,驻值要求 dF/dϵ=0(在 ϵ=0 处)。由积分号下求导 (A7.1) 与链式法则:
dϵdF0=∫x1x2(∂y∂Lη+∂y′∂Lη′)dx=∫x1x2[∂y∂L−dxd∂y′∂L]ηdx
第二步把含 η′ 的项分部积分,端点项 [∂y′∂Lη]x1x2 因 η 在端点为零而消失。由基本引理:
∂y∂L−dxd∂y′∂L=0(A12.1)
这就是欧拉–拉格朗日方程。L 依赖于多个函数 y1,…,yf 时,每个函数各有一个这样的方程;取 x→t、y→q,就是拉格朗日方程 (P1.2)。
例:两点之间直线最短。L=1+y′2 不含 y,(A12.1) 给出 dxd1+y′2y′=0,所以 y′ 为常数:直线。
场的情形。若 F[ϕ]=∫f(ϕ,∇ϕ)ddr,同样的推导(分部积分用 (A11.12) 的第一式与高斯定理 (A11.3))给出
∂ϕ∂f−∇⋅∂(∇ϕ)∂f=0(A12.2)
其中 ∂f/∂(∇ϕ) 是以 ∂f/∂(∂xϕ) 等为分量的向量。
§A12.4泛函导数
定义:若对任意小的变化 δϕ,泛函的一阶变化可以写成
δF=F[ϕ+δϕ]−F[ϕ]=∫δϕ(r)δFδϕ(r)ddr+O(δϕ2)(A12.3)
则称 δF/δϕ(r) 为 F 的泛函导数。与多元函数的全微分 df=∑i(∂f/∂xi)dxi 对比:指标 i 换成了连续的位置 r,求和换成了积分。泛函的驻值条件就是 δF/δϕ=0。
由 §A12.3 的推导,对 F=∫f(ϕ,∇ϕ)ddr:
δϕδF=∂ϕ∂f−∇⋅∂(∇ϕ)∂f(A12.4)
例(正文中的两处):
- 金兹堡–朗道自由能 (19.10):f=am2+bm4+g∣∇m∣2−hm,∂f/∂m=2am+4bm3−h,∂f/∂(∇m)=2g∇m,所以 δF/δm=2am+4bm3−2g∇2m−h。令它为零就是 (19.11)。
- 卡恩–希利亚德(§31.6):F=∫[f(ϕ)+g∣∇ϕ∣2],δF/δϕ=f′(ϕ)−2g∇2ϕ,这就是局域化学势 μ。
格点上的验证。在一维格点上(间距 a)把 F=∫[f(ϕ)+gϕ′2]dx 写成 F=∑ia[f(ϕi)+g(aϕi+1−ϕi)2]。对某个 ϕi 求普通偏导数(它出现在两个差分项中):
a1∂ϕi∂F=f′(ϕi)−2ga2ϕi+1+ϕi−1−2ϕi a→0 f′(ϕ)−2gϕ′′
(最后一步用了 (A3.6)。)所以泛函导数就是"每单位体积"的偏导数:δF/δϕ(x)=lima→0a1∂F/∂ϕi。
两个基本公式:δϕ(r)δ∫g(ϕ(r′))ddr′=g′(ϕ(r));δϕ(r)δϕ(r′)=δd(r−r′)(格点上 ∂ϕj/∂ϕi=δij,除以 a 后变成 δ 函数)。§19.4 中的线性响应 δ⟨m(r)⟩/δh(r′)((19.15))就是一个泛函导数:r′ 处的场改变时,r 处的磁化改变多少。
§A12.5带约束的变分:最大熵的连续版本
积分形式的约束用拉格朗日乘子处理(附录 A8),做法与离散情形完全相同。
例:给定方差,熵最大的分布是高斯分布。 在 ∫pdx=1、∫x2pdx=σ2 下求 H[p]=−∫plnpdx 的极大。令
L[p]=−∫plnpdx−α(∫pdx−1)−λ(∫x2pdx−σ2)
被积函数不含 p′,(A12.4) 只剩 ∂/∂p:−lnp−1−α−λx2=0,所以 p∝e−λx2。由约束定出 λ=1/(2σ2):正是均值为零、方差为 σ2 的高斯分布 (2.5)。这是高斯分布在自然界中普遍出现的又一个理由(另一个是中心极限定理,附录 C6):若只知道一个量的均值与方差,最"无偏"的猜测就是高斯分布。
同理,对速度分布 f(v) 只约束归一化与平均动能,得到 f∝e−λmv2/2,即麦克斯韦分布 (5.10)。
§A12.6首次积分与界面剖面
贝尔特拉米恒等式。若 L(y,y′) 不显含 x,则沿欧拉–拉格朗日方程的解
L−y′∂y′∂L=常数(A12.5)
证明:对 x 求导,dxdL=∂y∂Ly′+∂y′∂Ly′′,而 dxd(y′∂y′∂L)=y′′∂y′∂L+y′dxd∂y′∂L;相减并用 (A12.1),结果为零。在力学中(x→t),(A12.5) 就是能量守恒。
例:两相之间的界面(金兹堡–朗道理论,T<Tc,a<0,h=0)。均匀的平衡态是 f(m)=am2+bm4 的两个极小 m=±m0,m02=∣a∣/(2b)。设 x→−∞ 处为 −m0 相,x→+∞ 处为 +m0 相,求中间的过渡区。一维的自由能为 ∫[f(m)+gm′2]dx,L=f(m)+gm′2 不显含 x,由 (A12.5):f(m)−gm′2= 常数。在 x→±∞ 处 m′=0、f=f(m0),所以
gm′2=f(m)−f(m0)=b(m2−m02)2
(第二个等号:f(m)−f(m0)=b(m4−m04)+a(m2−m02)=b(m2−m02)(m2+m02−2m02),用了 a=−2bm02。)开方:m′=b/g(m02−m2)。分离变量积分(∫m02−m2dm=m01artanhm0m):
m(x)=m0tanhwx,w=m01bg=∣a∣2g(A12.6)
界面宽度 w 与关联长度同数量级(T<Tc 时 ξ2=g/(2∣a∣),所以 w=2ξ),在 T→Tc 时发散。单位面积的界面自由能(界面张力,第31章成核理论中的 γ)为
γ=∫−∞∞[f(m)−f(m0)+gm′2]dx=∫2gm′2dx=2g∫−m0m0m′dm=38wgm02∝∣a∣3/2(A12.7)
(第二步用了首次积分,第三步把 dx 换成 dm/m′。)平均场理论预言界面张力按 (Tc−T)3/2 趋于零。
§A12.7二阶变分:稳定性
驻值是极小还是极大,要看二阶变分。把 F[ϕ0+δϕ] 展开到 δϕ 的二阶(附录 A3):
δ2F=∫[21f′′(ϕ0)δϕ2+g∣∇δϕ∣2]ddr
取 δϕ=ϵcos(k⋅r),空间平均后 δ2F∝21f′′(ϕ0)+gk2。若 f′′(ϕ0)>0,一切扰动都使 F 增加,均匀态稳定;若 f′′(ϕ0)<0,波矢 k<kc=−f′′/(2g) 的扰动使 F 降低——这就是 §31.6 中旋节分解的不稳定性条件。梯度项(g>0)保证短波扰动总是代价太大。
自测题
- 用 (A12.1) 求 F[y]=∫01(y′2+y2)dx 的驻值曲线所满足的方程,并求满足 y(0)=0、y(1)=1 的解。[答:y′′=y,y=sinhx/sinh1。]
- 计算 δϕ(x)δ∫[21ϕ′2+41ϕ4]dx。[答:−ϕ′′+ϕ3。]
- 在 ∫0∞pdx=1、∫0∞xpdx=xˉ 的约束下,求 [0,∞) 上熵最大的分布。[答:指数分布 p=e−x/xˉ/xˉ。]
- 验证 (A12.6) 满足 gm′′=am+2bm3(即 (19.11) 在 h=0 的一维形式)。
- 验证 (A12.7) 中的积分:∫−m0m0(1−m02m2)dm=34m0,并由 m′=wm0(1−m02m2) 得 γ=38gm02/w。
这一篇已记为读完。