✔ 最佳答案
延續第二題 T = ∫ √{ [1 + (y')^2] /(2E/m - 2gy) } dx (0 - >b )...(1)
利用代換z = A + v_0^2/2g - y﹐T = ∫ √{ [1 + (z')^2] /(2gz) } dx (0 - >b )
由Euler's equation,取F = √{ [1 + (z')^2] /z }
z'∂ F/∂ z' - F = 常數。邊界條件z(0) = v_0^2/2g, z(b) = A + z(0)
∂ F/∂ z' = z'/√{ z[1 + (z')^2] }﹐因此
(z')^2/√{ z[1 + (z')^2] } - √{ [1 + (z')^2] /z } = -1/c (c是常數)
整理:z(1 + z') = c^2 或 dz/dx = √(c^2/z - 1)
x = ∫ √[z/(c^2 - z)] dz
代z = c^2(sinϕ)^2
x = 2c^2 ∫ (sinϕ)^2 dϕ = 2c^2 ∫ (1 - cos2ϕ) dϕ
得x = (1/2)c^2(2ϕ - sin2ϕ) + d 及 z = (1/2)c^2(1 - cos2ϕ)
c,d由A,b及v_0決定。而這條方程所表示的正是擺線。
最後求T。用鏈式法則﹐z'(x) = z'(ϕ)/x'(ϕ)
T = ∫ √{ [1 + (z'(ϕ)/x'(ϕ))^2] /(2gz(ϕ)) } x'(ϕ) dϕ (0 - >ϕ(b) )
z'(ϕ)/x'(ϕ) = 2c^2sinϕcosϕ/c^2(1 - 2cosϕ) = 1/tanϕ
所以﹐T = ∫ 2c/√(2g) dϕ (0 - >ϕ(b) ) = √(2A/g) [ϕ(b)/sin(ϕ(b)]
若A = L﹐ϕ(b) = π/2 及 sin(ϕ(b) = 1
則T = (π/2) √(2L/g)
2011-04-17 10:47:11 補充:
brochistonchrone problem 和 tautochrone problem 是兩個不同的問題。 brochistonchrone 是求一條最速下降曲線。tautochrone 是求一條質點在各個起始位置到某一點所需時間相同的曲線。 βραχίστος, brachistos - the shortest, ταὐτό, tauto - the same, χρόνος, chronos - time。雖然兩者都是擺線。
參考: Calculus of variations and optimal control / A.A. Milyutin, N.P. Osmolovskii