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Fundamental lemma of the calculus of variations

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2137: 3571: 304:
Here "smooth" may be interpreted as "infinitely differentiable", but often is interpreted as "twice continuously differentiable" or "continuously differentiable" or even just "continuous", since these weaker statements may be strong enough for a given task. "Compactly supported" means "vanishes
988: 1779: 1875: 3389: 2279: 3294: 1238: 2779: 1376: 827: 3138: 2961: 2500: 216: 2605: 1880: 2678: 3027: 2892: 723: 1097: 1860: 2841: 1590: 2426: 3069: 2334: 624: 577: 767: 2132:{\displaystyle {\begin{aligned}f_{0}&=u'_{0},\\f_{1}&=u_{0}+u'_{1},\\f_{2}&=u_{1}+u'_{2}\\\vdots \\f_{n-1}&=u_{n-2}+u'_{n-1},\\f_{n}&=u_{n-1}\end{aligned}}} 1605: 413: 2377: 2540: 1442: 1023: 84:
keeps sign (positive or negative). Several versions of the lemma are in use. Basic versions are easy to formulate and prove. More powerful versions are used when needed.
3358: 819: 278: 143: 3566:{\displaystyle {\partial L(t,y(t),{\dot {y}}(t)) \over \partial y}={\mathrm {d} \over \mathrm {d} t}{\partial L(t,y(t),{\dot {y}}(t)) \over \partial {\dot {y}}}.} 670: 3378: 787: 644: 493: 473: 453: 433: 375: 355: 298: 246: 111: 525: 335: 2843:
is straightforward; one applies the results for scalar functions to each coordinate separately, or treats the vector-valued case from the beginning.
3178: 1132: 983:{\displaystyle h(x)={\begin{cases}\exp \left(-{\frac {1}{(x-c)(d-x)}}\right),&c<x<d\\0,&\mathrm {otherwise} \end{cases}}} 2853: 2150: 3076: 2899: 50:
can be concentrated on an arbitrarily small interval, but not a single point. Accordingly, the necessary condition of extremum (
3831: 1304: 150: 3826: 3381: 3841: 2687: 1457: 2997: 2862: 675: 1031: 3836: 1800: 3170: 2799: 1536: 2610: 2437: 2794: 2545: 17: 1774:{\displaystyle \int _{a}^{b}(f_{0}(x)\,h(x)+f_{1}(x)\,h'(x)+\dots +f_{n}(x)\,h^{(n)}(x))\,\mathrm {d} x=0} 35: 3032: 582: 538: 72:), free of the integration with arbitrary function. The proof usually exploits the possibility to choose 3581: 1469: 728: 69: 51: 380: 2382: 1517: 1501: 1477: 1465: 2290: 851: 3577: 1524:
suffices, and the conclusions are stated everywhere except the finite set of discontinuity points.
1521: 1513: 223: 2339: 2505: 1497: 1397: 1001: 3166: 1505: 1449: 3305: 1516:(rather than continuous differentiability). Sometimes the given functions are assumed to be 55: 2785:=3, and so on; in general, the brackets cannot be opened because of non-differentiability. 792: 251: 116: 226: 649: 3363: 772: 629: 478: 458: 438: 418: 360: 340: 283: 231: 96: 498: 308: 3820: 3300: 995: 2607:
is not necessary. Rather, the necessary and sufficient condition may be written as
68:
is typically used to transform this weak formulation into the strong formulation (
31: 3289:{\displaystyle J=\int _{x_{0}}^{x_{1}}L(t,y(t),{\dot {y}}(t))\,\mathrm {d} t} 2147:
This necessary condition is also sufficient, since the integrand becomes
1468:
reduces both statements to the basic version; this case is attributed to
2979:
Similarly to the basic version, one may consider a continuous function
1233:{\displaystyle \int _{a}^{b}(f(x)\,h(x)+g(x)\,h'(x))\,\mathrm {d} x=0} 2987:
vanishes on the boundary of Ω (rather than compactly supported).
2274:{\displaystyle (u_{0}h)'+(u_{1}h')'+\dots +(u_{n-1}h^{(n-1)})'.} 2990:
Here is a version for discontinuous multivariable functions.
415:"; but often a weaker statement suffices, assuming only that 2542:
need not be differentiable twice. The sufficient condition
1508:(thus, in all continuity points), and differentiability of 976: 455:
and a number of its derivatives) vanishes at the endpoints
3133:{\displaystyle \int _{\Omega }f(x)\,h(x)\,\mathrm {d} x=0} 2956:{\displaystyle \int _{\Omega }f(x)\,h(x)\,\mathrm {d} x=0} 1797:), then there exist continuously differentiable functions 1371:{\displaystyle \int _{a}^{b}g(x)\,h'(x)\,\mathrm {d} x=0} 646:
is continuous, it is nonzero with the same sign for some
58:(variational form) integrated with an arbitrary function 2287:= 1 is just the version for two given functions, since 27:
Initial result in using test functions to find extremum
3746:, Lemma on p.22; the proof applies in both situations. 3576:
The Euler–Lagrange equation plays a prominent role in
211:{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)h(x)\,\mathrm {d} x=0} 3392: 3366: 3308: 3181: 3079: 3035: 3000: 2902: 2865: 2802: 2690: 2613: 2548: 2508: 2440: 2385: 2342: 2293: 2153: 1878: 1803: 1608: 1539: 1400: 1307: 1135: 1034: 1004: 998:
satisfies the properties in the statement, including
830: 795: 775: 731: 678: 652: 632: 585: 541: 501: 481: 461: 441: 421: 383: 363: 343: 311: 286: 254: 234: 153: 119: 99: 3696: 3565: 3372: 3352: 3288: 3132: 3063: 3021: 2955: 2886: 2835: 2773: 2672: 2599: 2534: 2494: 2420: 2371: 2328: 2273: 2131: 1854: 1773: 1584: 1436: 1370: 1232: 1091: 1017: 982: 813: 781: 761: 717: 664: 638: 618: 571: 519: 487: 467: 447: 427: 407: 369: 349: 329: 292: 272: 240: 210: 137: 105: 3810:Calculus of Variations and Optimal Control Theory 3792:Calculus of variations and optimal control theory 3799:Giaquinta, Mariano; Hildebrandt, Stefan (1996), 2774:{\displaystyle f_{0}-(f_{1}-(f_{2}-f'_{3})')'=0} 3022:{\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{d}} 2887:{\displaystyle \Omega \subset \mathbb {R} ^{d}} 1496:) may be discontinuous, provided that they are 66:fundamental lemma of the calculus of variations 718:{\displaystyle a<c<{\bar {x}}<d<b} 3144:for all compactly supported smooth functions 2967:for all compactly supported smooth functions 1785:for all compactly supported smooth functions 1244:for all compactly supported smooth functions 1092:{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)h(x)dx>0,} 8: 3743: 3720: 3672: 3645: 3621: 3755: 3732: 3684: 3604: 18:Fundamental lemma of calculus of variations 1855:{\displaystyle u_{0},u_{1},\dots ,u_{n-1}} 1472:, while the proof of differentiability of 3546: 3545: 3517: 3516: 3483: 3472: 3466: 3464: 3427: 3426: 3393: 3391: 3365: 3335: 3322: 3307: 3278: 3277: 3254: 3253: 3218: 3213: 3206: 3201: 3180: 3116: 3115: 3102: 3084: 3078: 3046: 3034: 3013: 3009: 3008: 2999: 2939: 2938: 2925: 2907: 2901: 2878: 2874: 2873: 2864: 2836:{\displaystyle (a,b)\to \mathbb {R} ^{d}} 2827: 2823: 2822: 2801: 2740: 2727: 2711: 2695: 2689: 2647: 2634: 2618: 2612: 2582: 2566: 2553: 2547: 2526: 2513: 2507: 2474: 2458: 2445: 2439: 2403: 2390: 2384: 2360: 2347: 2341: 2317: 2304: 2292: 2242: 2226: 2188: 2161: 2152: 2113: 2096: 2070: 2051: 2028: 2004: 1991: 1974: 1954: 1941: 1924: 1904: 1887: 1879: 1877: 1840: 1821: 1808: 1802: 1757: 1756: 1732: 1727: 1712: 1681: 1666: 1646: 1631: 1618: 1613: 1607: 1576: 1557: 1544: 1538: 1399: 1354: 1353: 1335: 1317: 1312: 1306: 1216: 1215: 1194: 1166: 1145: 1140: 1134: 1044: 1039: 1033: 1009: 1003: 944: 868: 846: 829: 794: 774: 739: 738: 730: 692: 691: 677: 651: 631: 587: 586: 584: 549: 548: 540: 500: 480: 460: 440: 420: 382: 362: 342: 310: 285: 253: 233: 194: 193: 163: 158: 152: 118: 98: 3771:Jost, JĂĽrgen; Li-Jost, Xianqing (1998), 3708: 3660: 3633: 1585:{\displaystyle f_{0},f_{1},\dots ,f_{n}} 3592: 2673:{\displaystyle f_{0}-(f_{1}-f'_{2})'=0} 2495:{\displaystyle f_{0}-f'_{1}+f''_{2}=0,} 1500:(on the given interval). In this case, 2600:{\displaystyle f_{0}-f'_{1}+f''_{2}=0} 3617: 3615: 3613: 725:. Without loss of generality, assume 78:concentrated on an interval on which 7: 3656: 3654: 3600: 3598: 3596: 1484:Versions for discontinuous functions 3780:Gelfand, I.M.; Fomin, S.V. (1963), 3064:{\displaystyle f\in L^{2}(\Omega )} 2983:on the closure of Ω, assuming that 1533:If a tuple of continuous functions 619:{\displaystyle {\bar {x}}\in (a,b)} 572:{\displaystyle f({\bar {x}})\neq 0} 495:; in this case the closed interval 3542: 3486: 3473: 3467: 3452: 3396: 3279: 3117: 3085: 3055: 3001: 2940: 2908: 2866: 1758: 1355: 1217: 1111:If a pair of continuous functions 1010: 969: 966: 963: 960: 957: 954: 951: 948: 945: 762:{\displaystyle f({\bar {x}})>0} 195: 25: 3360:(for an appropriate vector space 3165:This lemma is used to prove that 2434:=2 does not lead to the relation 821:and zero elsewhere, for example 3697:Giaquinta & Hildebrandt 1996 408:{\displaystyle a<c<d<b} 2421:{\displaystyle f_{0}-f'_{1}=0.} 1504:is meant, the conclusions hold 1276:= 0 is just the basic version. 1106:Version for two given functions 3537: 3534: 3528: 3510: 3504: 3492: 3447: 3444: 3438: 3420: 3414: 3402: 3344: 3341: 3315: 3274: 3271: 3265: 3247: 3241: 3229: 3191: 3185: 3156:, that is, almost everywhere). 3112: 3106: 3099: 3093: 3058: 3052: 2935: 2929: 2922: 2916: 2818: 2815: 2803: 2758: 2750: 2720: 2704: 2657: 2627: 2329:{\displaystyle f=f_{0}=u'_{0}} 2261: 2255: 2243: 2219: 2203: 2181: 2171: 2154: 1753: 1750: 1744: 1739: 1733: 1724: 1718: 1696: 1690: 1678: 1672: 1656: 1650: 1643: 1637: 1624: 1425: 1419: 1410: 1404: 1350: 1344: 1332: 1326: 1212: 1209: 1203: 1191: 1185: 1176: 1170: 1163: 1157: 1151: 1071: 1065: 1059: 1053: 901: 889: 886: 874: 840: 834: 808: 796: 750: 744: 735: 697: 613: 601: 592: 560: 554: 545: 514: 502: 324: 312: 267: 255: 190: 184: 178: 172: 132: 120: 1: 3624:, Lemma 1 on p.9 (and Remark) 1279:Here is the special case for 3812:, Princeton University Press 3790:Hestenes, Magnus R. (1966), 2372:{\displaystyle f_{1}=u_{0},} 1458:continuous differentiability 2535:{\displaystyle f_{2}=u_{1}} 1437:{\displaystyle h(a)=h(b)=0} 1018:{\displaystyle C^{\infty }} 3858: 1102:we reach a contradiction. 3808:Liberzon, Daniel (2012), 3699:, section 2.3: Mollifiers 1600:) satisfies the equality 1382:for all smooth functions 1299:) satisfies the equality 1287:If a continuous function 1127:) satisfies the equality 93:If a continuous function 54:equal zero) appears in a 3801:Calculus of Variations I 3744:Gelfand & Fomin 1963 3721:Gelfand & Fomin 1963 3673:Gelfand & Fomin 1963 3646:Gelfand & Fomin 1963 3622:Gelfand & Fomin 1963 1512:is interpreted as local 1283:= 0 (often sufficient). 3786:(transl. from Russian). 3756:Jost & Li-Jost 1998 3733:Jost & Li-Jost 1998 3685:Jost & Li-Jost 1998 3605:Jost & Li-Jost 1998 3382:Euler–Lagrange equation 3353:{\displaystyle y:\to V} 2894:satisfies the equality 2847:Multivariable functions 2795:vector-valued functions 2789:Vector-valued functions 1260:is differentiable, and 145:satisfies the equality 3832:Calculus of variations 3782:Calculus of variations 3775:, Cambridge University 3773:Calculus of variations 3758:, Lemma 3.2.3 on p.170 3567: 3374: 3354: 3290: 3134: 3065: 3023: 2957: 2888: 2854:multivariable function 2837: 2775: 2674: 2601: 2536: 2496: 2430:In contrast, the case 2422: 2373: 2330: 2275: 2133: 1856: 1775: 1586: 1438: 1372: 1234: 1093: 1019: 984: 815: 783: 763: 719: 666: 640: 620: 573: 521: 489: 469: 449: 429: 409: 371: 351: 331: 294: 274: 242: 212: 139: 107: 36:calculus of variations 34:, specifically in the 3711:, Lemma 13.1 on p.105 3687:, Lemma 1.2.1 on p.13 3582:differential geometry 3568: 3375: 3355: 3291: 3135: 3071:satisfy the equality 3066: 3024: 2958: 2889: 2838: 2776: 2675: 2602: 2537: 2497: 2423: 2374: 2331: 2276: 2134: 1857: 1776: 1587: 1488:The given functions ( 1470:Joseph-Louis Lagrange 1439: 1373: 1272:The special case for 1235: 1094: 1020: 985: 816: 814:{\displaystyle (c,d)} 784: 764: 720: 667: 641: 621: 574: 522: 490: 470: 450: 430: 410: 372: 352: 332: 295: 275: 273:{\displaystyle (a,b)} 243: 213: 140: 138:{\displaystyle (a,b)} 108: 70:differential equation 52:functional derivative 3663:, Lemma 15.1 on p.50 3607:, Lemma 1.1.1 on p.6 3390: 3364: 3306: 3179: 3077: 3033: 3029:be an open set, and 2998: 2975:is identically zero. 2900: 2863: 2800: 2688: 2611: 2546: 2506: 2438: 2383: 2340: 2291: 2151: 1876: 1801: 1606: 1537: 1518:piecewise continuous 1502:Lebesgue integration 1478:Paul du Bois-Reymond 1466:integration by parts 1398: 1305: 1133: 1032: 1002: 828: 793: 789:that is positive on 773: 729: 676: 650: 630: 583: 539: 499: 479: 459: 439: 419: 381: 361: 341: 309: 300:is identically zero. 284: 252: 232: 151: 117: 113:on an open interval 97: 3827:Classical mechanics 3636:, Lemma 2.1 on p.30 3578:classical mechanics 3225: 2748: 2655: 2590: 2574: 2502:since the function 2482: 2466: 2411: 2325: 2084: 2012: 1962: 1912: 1623: 1522:Riemann integration 1514:absolute continuity 1322: 1150: 1049: 665:{\displaystyle c,d} 224:compactly supported 168: 3842:Lemmas in analysis 3563: 3370: 3350: 3286: 3197: 3130: 3061: 3019: 2953: 2884: 2833: 2793:Generalization to 2771: 2736: 2670: 2643: 2597: 2578: 2562: 2532: 2492: 2470: 2454: 2418: 2399: 2369: 2326: 2313: 2271: 2129: 2127: 2066: 2000: 1950: 1900: 1852: 1771: 1609: 1582: 1528:Higher derivatives 1498:locally integrable 1434: 1368: 1308: 1230: 1136: 1089: 1035: 1015: 980: 975: 811: 779: 759: 715: 662: 636: 616: 569: 517: 485: 465: 445: 425: 405: 367: 347: 327: 290: 270: 238: 208: 154: 135: 103: 3675:, Lemma 2 on p.10 3648:, Lemma 4 on p.11 3558: 3554: 3525: 3481: 3459: 3435: 3373:{\displaystyle V} 3262: 1506:almost everywhere 1464:is assumed, then 1456:If, in addition, 1268: everywhere. 905: 782:{\displaystyle h} 747: 700: 639:{\displaystyle f} 595: 557: 488:{\displaystyle b} 468:{\displaystyle a} 448:{\displaystyle h} 428:{\displaystyle h} 370:{\displaystyle d} 350:{\displaystyle c} 293:{\displaystyle f} 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Index

Fundamental lemma of calculus of variations
mathematics
calculus of variations
functional derivative
weak formulation
differential equation
compactly supported
smooth functions
bump function
constant
continuous differentiability
integration by parts
Joseph-Louis Lagrange
Paul du Bois-Reymond
locally integrable
Lebesgue integration
almost everywhere
absolute continuity
piecewise continuous
Riemann integration
vector-valued functions
multivariable function
extrema
functional
weak solutions
Euler–Lagrange equation
classical mechanics
differential geometry

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