1.1 Brachistochrone-Problem
Die Variationsrechnung gehört zum Gebiet der mathematischen Optimierung. Es werden jedoch nicht Minima oder Maxima von Funktionen im
gesucht, sondern Extrema von Funktionen, deren Argumente selbst wieder Funktionen sind. Solche Extrema können zum Beispiel kürzeste (schnellste) Wege oder Flächen minimalen Inhalts sein.
Als “Geburtsjahr” der Variationsrechnung wird 1696 angesehen, als Johann Bernoulli zur Lösung des folgenden Problems aufrief, das heute als Brachistochrone-Problem (griechisch
= am kürzesten,
= Zeit) bekannt ist:
seien gegeben. Gesucht ist eine Kurve
von
nach
, so dass ein reibungsfrei auf
gleitender Körper
unter Einfluss der Schwerkraft
in minimaler Zeit von
nach
gelangt.

Zur mathematischen Formulierung des Problems setzen wir der Einfachheit halber wie in der obigen Abbildung voraus, dass
und
mit
ist und dass die gesuchte Kurve
Graph einer stetig differenzierbaren Funktion
ist.
startet zum Zeitpunkt
in
und kommt zu einem Zeitpunkt
in
an. Die benötigte Zeit hängt von
ab, also
. Hier ist
eine Funktion, die von einer anderen Funktion, nämlich
, abhängt und gesucht ist jene Funktion
, die
minimiert.
Frage: Wie lange braucht ein Körper auf einer gegebenen Bahn
von
nach
?
Um dies zu beantworten, bedienen wir uns des Energieerhaltungssatzes. Bei
haben wir nur potentielle Energie:
.
Bei
haben wir potentielle Energie und kinetische Energie:



Energieerhaltung:




Hier kommt die Zeit noch nicht explizit vor. Die Geschwindigkeit ist aber die Ableitung der Bogenlänge nach der Zeit:

ist die zur Zeit
erreichte x-Position,
die bis zum Erreichen von
vergangene Zeit.
und
sind also voneinander abhängig. Dies muss beim Ableiten beachtet werden:

Wir brauchen also zunächst eine Funktion der Bogenlänge in Abhängigkeit von
. Dazu betrachten wir folgende Skizze:

Länge der Tangente zwischen den Stützpunkten:

Dies entspricht in erster Näherung der Länge des tatsächlichen Streckenabschnitts. Wir erhalten:

Damit können wir die Ableitung nach
ausrechnen:

Wir setzen in die Gleichung der Energieerhaltung ein:


Wir können die Ableitung einfach umdrehen, da die Ableitungsformel für die Umkehrfunktion gilt:




Durch Integration über die gesamte horizontale Wegstrecke ergibt sich die Zeit, bis
erreicht ist:

Nun muss nur noch die optimale Funktion
gefunden werden. Dies ist typisch für die Variationsrechnung. Es wird nicht ein skalares oder vektorielles Minimum einer Funktion gesucht, sondern das Minimum ist auch wieder eine Funktion.
Das Integral ist nicht unproblematisch, da es eine Singularität aufweist: Der Nenner wird für x=0 zu 0.
1.2 Weitere Probleme der Variationsrechnung
Es gibt viele klassische mathematische Probleme, die sich in der gleichen Weise beschreiben lassen als Minimierung oder Maximierung auf Funktionenräumen.
Beispiel 1.1: Isoperimetrische Probleme, etwa das Problem der Dido
Unter allen geschlossenen Kurven der Länge 1 finde man diejenige, die die größte Fläche umschließt. Die Kurven seien etwa stetig und stückweise stetig differenzierbar.
Beispiel 1.2: Geodätische Kurven
In der Differentialgeometrie sucht man Kurven kürzester Länge, die in einer (gekrümmten) Fläche verlaufen und zwei Punkte A und B verbinden.
Beispiel 1.3: Minimalflächen (Plateausches Problem)
Spannt man in einen (nicht ebenen) Drahtring eine Seifenhaut ein, dann werden die inneren Spannungskräfte häufig dazu führen, dass der Flächeninhalt minimal wird. Beim Plateauschen Problem geht es entsprechend darum, eine Fläche minimalen Inhalts im
zu finden, deren Randkurve mit einer gegebenen Kurve übereinstimmt.
Die Prinzipien der Variationsrechnung spielen auch in der Physik eine große Rolle.
Beispiel 1.4: Das Fermat-Prinzip
Ein Lichtstrahl nimmt auf dem Weg durch ein Medium den Weg ein, den er in kürzester Zeit zurücklegen kann (und nicht etwa den kürzesten Weg). Der Weg des Lichtstrahls kann also als Funktion der Zeit durch ein Extremalprinzip bestimmt werden.
Beispiel 1.5: Das Hamilton-Prinzip
Zustände (d.h. zeitabhängige Koordinaten) in konservativen mechanischen Systemen verändern sich so, dass eine minimale Wirkung erzielt wird. Diese beiden Prinzipien werden wir später noch genauer formulieren. Es gibt auch viele Probleme aus den Ingenieurwissenschaften, die in den Bereich der Variationsrechnung fallen.
Beispiel 1.6: Optimaler Nyquist-Entzerrer
Ein durch Interferenzen und additives Rauschen gestörtes Signal
soll durch einen linearen Filter
entzerrt werden. Die Funktion
soll so gewählt werden, dass die Rauschleistung von
nach der Abtastung minimal wird.
Beispiel 1.7: Re-Entry-Problem
Die Flugbahn eines Raumschiffs wird durch ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen beschrieben, in die Steuerparameter eingehen. Steuerparameter sind Funktionen der Zeit. Beim Re-Entry-Problem geht es darum, die Steuerparameter optimal zu wählen in dem Sinn, dass beim Eintritt des Raumschiffs in die Erdatmosphäre eine minimale Erhitzung stattfindet und gleichzeitig eine bestimmte Landeposition erreicht wird. Das Optimierungsproblem bezieht sich hier auf die Steuerparameter als Funktion der Zeit.
Probleme der letzten Art werden als Probleme der Steuerungstheorie (calculus of optimal control) bezeichnet.


