Bei der numerischen Behandlung von Variationsproblemen ist es nicht unbedingt nötig und auch nicht immer günstig, den Weg über die Euler-Gleichung zu gehen. Stattdessen kann man auch direkt das Variationsproblem angehen und mit einem geeigneten Ansatz näherungsweise zu lösen versuchen. Dies nennt man dann eine “direkte Methode”. Wir besprechen diesbezüglich die Methoden von Ritz und Galerkin und orientieren uns dabei sehr an der Darstellung in [MV].
9.1 Methode von Ritz
Das Grundproblem der Variationsrechnung ist es, ein Funktional zu minimieren:

wobei
ein Vektorraum ist und
eine durch Randbedingungen definierte Teilmenge von
, zum Beispiel

mit
.
Die Idee der Methode von Ritz ist es, eine Näherungslösung von (66) auf die folgende Art zu finden. Zunächst wird ein
gewählt, das die Randbedingungen erfüllt:
.
Sodann definiert man den Vektorraum

und gibt eine Menge linear unabhängiger Funktionen

an. Die besagte Näherungslösung wird in der Form

mit noch unbekannten Koeffizienten
angesetzt. Für jede beliebige Wahl der
ist
(ist
zulässig). Die
werden so bestimmt, dass

minimal wird. Statt eines Minimierungsproblems in einem Funktionenraum haben wir also ein Minimierungsproblem im
, nämlich für die Funktion
, zu lösen.
Beispiel 9.1: Anwendungsbeispiel für das Ritz-Verfahren
Das zu minimierende Funktional lautet

mit
. Mit
und der Wahl ,
und
macht man den Ansatz
.
Einsetzen ergibt

und dieser Ausdruck ist nun bezüglich
und
zu minimieren. Aus
erhalten wir
und
. Da die Hesse-Matrix positiv definit ist, handelt es sich in der Tat um eine Minimalstelle.
Polynome eignen sich im Allgemeinen nicht besonders gut zur globalen Approximation von Funktionen. Bessere Resultate lassen sich mit Splines erzielen. Berücksichtigt man etwa im letzten Beispiel, dass
schon wohldefiniert ist, wenn die Funktion
nur stückweise stetig differenzierbar ist mit beschränkter Ableitung, dann kann man folgende Ansatzfunktion wählen:

Diese Ansatzfunktionen spielen in der “Methode der Finiten Elemente”, die der Ritz-Methode eng verwandt ist, eine große Rolle.
9.2 Methode von Galerkin
Mit dieser Methode kann die Gleichung

die sich als notwendige Bedingung für die Lösung des Variationsproblems (66) ergibt, approximativ gelöst werden.
Die Idee von Galerkin besteht zunächst einmal wieder darin, mit endlich dimensionalen Teilräumen zu arbeiten. Seien dazu
linear unabhängige Funktionen, mit denen wir eine approximative Lösung in der Form

ansetzen und
linear unabhängige Funktionen, die einen endlich dimensionalen Teilraum aller zulässigen Variationsrichtungen aufspannen.
Die gesuchte Approximation
soll so bestimmt werden, dass statt (67) ersatzweise

erfüllt ist. Wir setzen ab jetzt voraus, dass
“linear in der Variationsrichtung” ist, soll heißen

In unserem Standardfall

ist diese Linearität offenbar gegeben. Es gibt jedoch auch Gegenbeispiele.
Beispiel 9.2: Gegenbeispiel zur vorherigen Aussage
Es sei
definiert durch

Für die Variation in Richtung
ergibt sich aus
, dass

Dies ist offenbar keine in
lineare Funktion.
Wie gesagt setzen wir jedoch (69) voraus und bekommen dann die zu (68) äquivalente Bedingung

Die Bestimmung der
läuft also darauf hinaus, ein System von
Gleichungen für
Unbekannte zu lösen.
Ein Spezialfall ist besonders gut handzuhaben. Dieser liegt bei der in Abschnitt 8 betrachteten Situation vor, dass das Variationsproblem zu einer selbstadjungierten Euler-Gleichung gehört. In Satz 8.2 hatten wir diesbezüglich das Funktional

angegeben. Hierfür ergibt sich

oder allgemeiner

mit den Abkürzungen


wobei
eine sogenannte Bilinearform ist. Dies bedeutet, dass
wie ein Skalarprodukt im ersten und im zweiten Argument linear ist.
Ähnlich ist es in der Situation von Satz 8.7. Für das dort betrachtete Funktional
![Rendered by QuickLaTeX.com J\left( u \right) = \int {\int\limits_G {\left[ {\frac{1}{2}\left( {{p_1}u_x^2+{p_2}u_y^2} \right)-\frac{1}{2}q{u^2}+hu} \right]dx} dy}](http://me-lrt.de/wp-content/ql-cache/quicklatex.com-8a7d24f9b66db90b45a6cde808d0e6ac_l3.png)
(das Randintegral haben wir zur Vereinfachung weggelassen) erhält man
,
was wieder von der Form (71) ist, diesmal mit


Wenn wir (71) voraussetzen und in (70) benutzen, dann bekommen wir die zu (70) äquivalente Formulierung



mit


sowie dem gesuchten Vektor
.
Beispiel 9.3: Dirichlet-Problem
Zum Dirichlet-Problem


gehört das Funktional
,
dessen Euler-Gleichung gerade die oben stehende partielle Differentialgleichung ist. Die Variation ist
mit




