|
4-§. Braxistoxron haqidagi masalaning yechimi
Braxistoxon haqidagi masala kirish qismida aytilgan edi. Shu masalaning
yechimini qaraymiz. Koordinatalar boshini A nuqtaga ko‘chiramiz (5-rasm). Fizika
kursidan ma’lumki moddiy nuqta A nuqtadan boshlang‘ich tezliksiz
harakatlanganda
2
v
g
=
y
(1)
tezlikka ega bo‘ladi, bu yerda g erkin tushish tezlanishi. Aytaylik y=y(x) moddiy
nuqta harakatlanayotgan egri chiziq bo‘lsin.
U
holda
2
1
y
ds
v
dx
dt
dt
′
+
=
=
,
Bu yerda ds egri chiziq yoyining differensialli.
Bundan
2
1
y dx
v
′
+
dt
=
, yoki (1) ni
e’tiborga olsak
2
1
2
y
dt
dx
gy
′
+
=
bo‘ladi. So‘ngi
tenglikni integrallab, moddiy nuqtaning 5-rasm
A nuqtadan B nuqtaga y=y(x) egri chiziq bo‘ylab, harakat vaqtini topamiz:
1
2
0
1
( )
( )
2
( )
x
y
x
T y
.
dx
gy x
′
+
=
∫
Shunday qilib, braxistoxron haqidagi masala T(y) funksionalning
ekstremumini topishga keltirildi. T(y)
funksionalni C(0,x
1
) fazoning 1- va 2-
tartibli hosilalari bilan birgalikda uzluksiz bo‘lgan y=y(x) funksiyalar to‘plamida
aniqlangan deb qaraymiz.
2
1
( , , )
2
y
f x y y
gy
′
+
′ =
funksiya uchun Eyler tenglamasini tuzib olamiz.
qaralayotgan holda f funksiyada x o‘zgaruvchi qatnashmaydi, shu sababli Eyler
tenglamasini batafsil qarab, quyidagiga ega bo‘lamiz:
www.ziyouz.com kutubxonasi
0
y
y
y
xy
yy
y y
d
f
f
f
f
f
y
f
y
dx
′
′
′
′ ′
′
′
′
′′
′′
′
′′
′′
−
=
−
−
⋅ −
⋅
= bunda
, shu sababli
qaralayotgan f funksiya uchun Eyler tenglamasi umumiy holda quyidagi
ko‘rinishda yoziladi.
0
xy
f
′
′′ ≡
(2)
0
y
yy
y y
f
f
y
f
y
′
′ ′
′
′′
′
′′
′′
−
⋅ −
⋅
=
Bu funksiya uchun birinchi integral quyidagi ko‘rinishga ega bo‘ladi:
y
f
y f
C
′
′ ′
−
=
Haqiqatdan ham,
2
(
)
(
)
y
y
y
y
y y
y y
y
y y
y y
d
f
y f
f
y
f
y
f
y
f
y
dx
f
y y
y f
f
y
f
y
′
′
′
′
′ ′
′
′ ′
′ ′
′ ′
′ ′′
′ ′′
′′
′
−
=
⋅ +
⋅
−
⋅
−
⋅
−
′′
′ ′′
′ ′
′′
′
′′
′′
−
⋅
=
−
⋅ −
⋅
Qavs ichidagi ifoda (2) tenglamaning chap tomoniga va (2) ga ko‘ra nolga teng.
Demak,
(
)
y
d
f
y f
dx
′
′ ′
−
= 0.
Bundan foydalanib, birinchi integralni yozib olamiz:
2
2
1
1
1
2
2
2
(1
)
y
y
y
C
gy
yC
gy
y
′
′
+
′
−
= =
′
+
.
Ikkala tomonini
2g ko‘paytirib, umumiy maxrajga keltiramiz, natijada
2
1
1
1
(1
)
C
y
y
=
′
+
bo‘ladi.
Bundan
2
1
(1
)
C
y
y′
=
+
, yoki
2
1
C
y
y
y
−
′ =
(3)
differensial tenglamaga ega bo‘lamiz. Hosil bo‘lgan tenglama Lagranj tenglamasi
bo‘lib, uni parametr kiritish yordamida integrallaymiz. Yozuvni qisqartirish
maqsadida izlanayotgan funksiyani quyidagicha
1
(1 cos )
2
C
y
θ
=
−
, parametrik
www.ziyouz.com kutubxonasi
ko‘rinishda ifodalab olamiz. U holda
1
sin
2
C
d
y
dx
θ
θ
′ =
bo‘ladi. Olingan natijalarni
(
y
va
uchun) (3) ga qo‘yamiz. Soddalashtirishlardan so‘ng
y′
1
(1 cos )
2
C
d
d
θ θ
−
=
x
±
,
bundan
1
2
1
( sin )
,
2
(1 cos )
2
C
x
C
C
y
θ
θ
θ
= ±
+
=
−
yechimga ega bo‘lamiz.
Shunday
qilib,
T(y)
funksionalning ekstremallari tsikloidalardan iborat ekan.
Masala shartlaridan foydalanib,
C
1
va
C
2
o‘zgarmaslarni topamiz. Egri chiziqning
koordinatalar boshidan o‘tishini hisobga olsak
2
0
C
= ekanligi kelib chiqadi. Egri
chiziqning
1
θ θ
= da
B
(
x
1
,
y
1
) nuqtadan o‘tishi lozimligini e’tiborga olib
C
1
ni
topamiz.
Buning
uchun
1
1
1
1
2
sin
x
C
θ
θ
=
−
deb olish yetarli, bu yerda
1
θ
qiymat
1
1
1
1
sin
1 cos
1
x
y
θ
θ
θ
−
=
−
shartni qanoatlantiradi.
So‘ngi shartning istalgan
x
1
va
y
1
da bajarilishini tekshirib ko‘rishni
o‘quvchilarga qoldiramiz.
Fizik mulohazalardan ravshanki, biz topgan shart minimumni aniqlaydi.
Chunki harakat eng ko‘p vaqt sodir bo‘ladigan egri chiziq umuman olganda
mavjud emas.
Endi quyidagi savolga javob beramiz.
Matematik analizdan ma’lumki, ekstremum lokal xarakterga ega. Funksiya
bir nechta ekstremumga ega bo‘lishi va bunda ulardan hech biri funksiyaning
minimum qiymati ham maksimum qiymati ham bo‘lmasligi mumkin. Bu yerda shu
masala qanday yechiladi? Berilgan masalani
y
=
y
(
x
), bu yerda
y
,
va
y′
y′′ uzluksiz
www.ziyouz.com kutubxonasi
funksiyalar, to‘plamida qarab, boshqa statsionar nuqta topganimiz yo‘q. Demak, bu
holda masala bir qiymatli yechiladi.
Bu masalani boshqa (funksiyalar) egri chiziqlar to‘plamida, qarash mumkin
edi (masalan, siniq chiziqlar sinfida). Ammo bu holda yangi masala hosil bo‘ladi.
Bu masalani bu yerda qaramaymiz.
Braxistoxron masalasini yechish usuli jihatdan quyidagi fizik masalani
yechish usuliga o‘xshash.
Masala.
Optik zichligi uzluksiz o‘zgaruvchi shaffof muhitda
A
va
B
nuqtalar
berilgan.
A
nuqtadan
B
nuqtaga harakatlanuvchi nur traektoriyasini toping.
Fizikadagi Ferma prinsipiga ko‘ra bu masala
1
2
0
1
( )
( , )
x
y
T y
dx
v x y
′
+
=
∫
funksionalning ekstremumini topishga keltiriladi. Xususiy holda, ya’ni v faqat
u
ning uzluksiz funksiyasi va
y ga proportsional bo‘lganda braxistoxron
masalasidagi funksionalga ega bo‘lamiz.
www.ziyouz.com kutubxonasi
5-§. Eng kichik yuzli aylanma sirt haqidagi masala
Aytaylik,
xOy tekislikda A(x
0
,y
0
) va B(x
1
,y
1
) ikki nuqta berilgan bo‘lsin. Bu
nuqtalarni tutashtiruvchi barcha egri chiziqlar to‘plamining quyidagi qism
to‘plamini qaraymiz:
bu qism to‘plam y=y(x), bu yerda
,
y y
′ ′′
uzluksiz, egri chiziqlardan iborat.
Shu to‘plamda shunday egri chiziqni topish kerakki, uni Ox atrofida aylantirish
natijasida eng kichik yuzli sirt hosil bo‘lsin.
Matematik analiz kursidan ma’lumki, aylanma sirt yuzi
0
2
( )
2
1
x
x
S y
y
y dx
π
′
=
+
∫
funksional bilan ifodalanadi. Yuqoridagi paragrafdagi o‘xshash
( ,
)
b
a
Fy
f x yy dx
′
=
∫
ko‘rinishdagi funksional ekstremumini topish masalasiga keldik, bu yerda integral
ostidagi funksiyada x bevosita qatnashmaydi.
Demak, Eyler tenglamasi (2) ko‘rinishida bo‘lib, uning birinchi integrali
y
f
y f
C
′ ′
−
= ,
yoki bunga F ning ifodasini qo‘yib
2
2
1
1
y
y
y
y y
y
C
′
′
′
+
− ⋅
=
′
+
ega bo‘lamiz. Buni soddalashtirib, quyidagi tenglamani hosil qilamiz:
2
1
y
C
y′
=
+
.
Hisoblashlarni soddalashtirish maqsadida y
sh
ϕ
′ =
belgilash kiritamiz.
U
holda
2
1
y
C
sh
Cch
ϕ
ϕ
=
+
=
,
d
y
Csh
dx
ϕ
ϕ
′ =
⋅
, yoki y
sh
ϕ
′ =
ekanligini e’tiborga olsak
1
d
C
dx
ϕ
=
,
www.ziyouz.com kutubxonasi
bundan
1
x
C
C
ϕ
=
+ va
x
C
C
ϕ
−
=
. Shunday qilib,
1
x
C
y
Cch
Cch
C
ϕ
−
=
=
zanjir
chiziq tenglamasini hosil qilamiz.
Demak, berilgan ikki nuqtadan (Oz o‘qiga perpendikulyar bo‘lgan
tekisliklarda yotgan va markazi shu o‘qda bo‘lgan ikkita aylanadan o‘tuvchi)
aylanma sirt zanjir chiziqni aylantirishdan hosil bo‘ladi.
Bunday sirt katenoid deb ataladi.
Masala shartidan ko‘rinadiki, bu holda ham biz (braxistoxron masalasidagi
kabi) funksionalning minimumiga egamiz.
Ammo nuqtalarning turlicha joylashishiga qarab ekstremallar ikkita, bitta
bo‘lishi yoki bitta ham bo‘lmasligi mumkin.
www.ziyouz.com kutubxonasi
Do'stlaringiz bilan baham: | 
