Узагальнимо отримані результати для функціонала

, (15.10)

залежного від S незалежних функцій й їхніх похідних . Основна варіаційна задача в застосуванні до (15.10) складається в знаходженні такого набору функцій , які: 1) реалізують екстремум функціонала (15.10) і 2) задовольняють граничним умовам:

 

, (15.11)

де , - задані величини.

У повній аналогії з попереднім, будуємо нові функції , близькі до :

, (15.12)

де - довільні функції, що задовольняють граничним умовам:

, (15.13)

і - малі чисельні параметри. Зводимо задачу до відшукання екстремуму функції:

. (15.14)

Умову екстремуму функції (15.14) можна записати у вигляді:

, (15.15)

де ми позначимо . Множачи кожне i- ту рівність (15.15) на й складаючи отримані результати почленно, одержуємо наступний еквівалентний запис умови екстремуму у вигляді одного рівняння:

. (15.16)

Підставляючи сюди (15.14) і використовуючи правило диференціювання інтеграла по параметру, перепишемо (15.16) у такий спосіб:

 

(15.17)

Для підінтегральної функції в лівій частині (15.17) маємо:

 

. (15.18)

Підставляючи (15.18) в (15.17) і інтегруючи другий інтеграл по частинам з урахуванням граничних умов (15.13), одержуємо:

. (15.19)

В силу дозвілля свободи функцій з (15.19) випливає висновок: функції , що реалізують екстремум функціонала (15.10), повинні задовольняти системі рівнянь Ейлера:

 

. (15.20)

 

Отримані результати можна сформулювати в трохи іншому (еквівалентному) вигляді, якщо скористатися поняттям варіації функції й варіації функціонала. У повній відповідності з визначенням варіації функції в § 12, ми визначаємо варіації функцій згідно (15.12) у такий спосіб:

 

. (15.21)

 

Варіювання будь-якої функції спричиняє варіювання і її похідної ; варіацію ми згідно (15.14) визначаємо формулою:

 

(15.22)

 

З визначень (15.21) і (15.22) випливає важливе правило обчислення варіацій: операції варіювання й диференціювання можна переміщувати, тобто:

 

. (15.23)

 

Дійсно, диференціюючи по рівність (15.21)

 

,

 

і порівнюючи цей результат з (15.22), одержуємо (15.23).

У результаті варіювання функцій й їхніх похідних одержує приріст і будь-яка функція виду ; варіацією функції називається лінійна по й частина приросту цієї функції, тобто:

 

. (15.24)

 

(Для одержання (15.24) потрібно розкласти в ряд по й й обмежитися для першим не зникаючим доданком).

Нагадаємо, що відповідно до (15.14), . Праві частини рівностей (15.24) і (15.18) рівні (з врахуванням (15.21) і (15.22)), тому формула:

 

(15.25)

 

дає еквівалентне (15.24) визначення варіації функції .

За аналогією з (15.25), першою варіацією функціонала (15.10) або просто варіацією функціонала (15.10) називають величину , обумовлену вираженням:

(15.26)

 

Визначення (15.26) дозволяє переписати результат (15.19) у вигляді:

 

. (15.27)

 

Тим самим ми одержали інше формулювання результату розв’язку основної варіаційної задачі: функції , , що реалізують екстремум функціонала (15.10), повинні перетворювати в нуль варіацію функціонала . Це твердження, як видно з (15.27), рівносильні вимозі (15.20); дійсно, так як функції незалежні, то також незалежні й, отже, довільні, тому рівність має місце тільки при виконанні рівнянь Ейлера (15.20).

Визначення (15.25) і (15.26) дозволяють «витягти» з (15.17) важливе правило: операції варіювання й інтегрування можна міняти місцями, тобто:

 

. (15.28)

 

Зауваження. За аналогією з визначенням (15.24) можна дати інше (еквівалентне (15.26)) визначення першої варіації функціонала: варіацією функціонала (15.10) називається лінійна (головна) частина приросту:

 

, (15.29)

 

яке одержує функціонал внаслідок варіації функцій й їхніх похідних у підінтегральному виразі (відзначимо тут, що у фізичній літературі іноді варіацією називають саме приріст (15.29), тобто величину , що математично некоректно). Для одержання явного виразу для розкладемо функцію в (15.29) у ряд по ступенях й й обмежимося в цьому розкладанні тільки членами першого порядку малості (тим самим ми і одержуємо лінійну частину різниці ):

 

 

. (15.30)

 

З огляду на визначення (15.24) і (15.25), дійдемо висновку, що визначення варіації функціонала (15.30) еквівалентно визначенню (15.26). Помітимо, що визначення (15.30) з врахуванням (15.24) фактично збігається із властивістю операції варіювання (15.28).

 

§ 16. Принципи найменшої дії