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236 / VARIATIONAL GEOMETRY LAB
먼저 알아두면 좋아요 · 연결된 선수 단원의 미분·확률·함수 공간·최적화 기초
단원 목록 (600) · 함수의 변분·방향 미분과 이차 전개
이해하는 속도로 읽으세요.개념도이론실험확인 문제
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먼저 그림으로 이해하기

한 번에 한 단계씩 살펴보세요.

함수 전체를 움직여 일차·이차 변분과 유한 변화를 비교합니다.

J[y]=integral (y′²+alpha y²)/2 on [0,1], y=a sin(pi t)+b sin(2pi t), direction h=c sin(pi t)+d sin(2pi t). Blue is y; orange is y+epsilon h. Difference and quotient use the exact quadratic expansion, avoiding cancellation of nearly equal energies.

-0.041.041.144-0.044
가로 t∈[0,1] · 파랑 기본 함수 y · 주황 y+epsilon h · 표는 함수값과 방향값
tbase ydirection hvaried y
0000
0.250.7070.7070.778
0.5111.1
0.750.7070.7070.778
1000

base functional J[y] = 2.467

고정 기준 예제의 그림과 수치입니다. 각 단계에서 같은 그림의 의미를 차례로 살펴보세요. 고정된 기준 예제이며 아래 실험의 설정과 독립적입니다.
1 / 4

함수 입력

목적함수의 입력이 숫자 하나가 아니라 전체 곡선입니다.

J[y]=integral (y′²+alpha y²)/2

실험에서 확인하기 →
이 단원 목차

함수 전체를 입력으로 받는 목적

보통 목적함수는 벡터를 수로 보낸다. 범함수는 곡선·장·확률밀도 같은 함수 자체를 입력으로 받을 수 있다. 변화를 보려면 전체 함수를 yε=y+εh로 움직인다. 방향 h도 함수이고, ε는 그 크기를 정하는 스칼라다.

실습은 무차원 t∈[0,1], 양 끝값 0인 다음 에너지를 사용한다.

J[y]=12∫01((y′)2+αy2) dt,yϵ=y+ϵh,α≥0.J[y]=\frac12\int_0^1\bigl((y')^2+\alpha y^2\bigr)\,dt, \qquad y_\epsilon=y+\epsilon h,\quad\alpha\ge0.

Sine 기저는 끝점 조건을 정확히 보존한다. 파란 선은 원래 함수, 주황 선은 섭동한 함수다. 시간에 따른 최적화 궤적과는 다르다.

일차와 이차 변분

적분하기 전에 제곱을 전개하면

δJ[y;h]=ddϵJ[y+ϵh]∣ϵ=0=∫01(y′h′+αyh) dt,δ2J[y;h,h]=∫01((h′)2+αh2) dt.\delta J[y;h]=\left.\frac{d}{d\epsilon}J[y+\epsilon h]\right|_{\epsilon=0} =\int_0^1(y'h'+\alpha yh)\,dt, \qquad \delta^2J[y;h,h]=\int_0^1((h')^2+\alpha h^2)\,dt.

일차 변분은 h에 선형이다. 방향별 Gâteaux 미분과 달리 Fréchet 미분은 정한 노름에서 모든 작은 섭동에 대한 근사 오차를 균일하게 제어한다. 이 이차 에너지는 영 경계 Sobolev 공간 H₀¹에서 유계 쌍선형 형식으로 그 성질을 확인할 수 있다. 일반 범함수에도 같은 말을 하려면 함수 공간과 노름부터 정해야 한다.

두 mode의 정확한 계산

y=a sin πt+b sin 2πt, h=c sin πt+d sin 2πt로 두자. Sine과 도함수 cosine의 직교성으로 A=π²+α, B=4π²+α를 쓰면

J[y]=(Aa2+Bb2)/4,δJ=(Aac+Bbd)/2,δ2J=(Ac2+Bd2)/2.J[y]=(Aa^2+Bb^2)/4,\quad \delta J=(Aac+Bbd)/2,\quad \delta^2J=(Ac^2+Bd^2)/2.

Sine 제곱 적분이 1/2라는 질량 계수가 중요하다. 정규화 없이 두 계수를 정규직교 좌표처럼 생각하면 계수 미분의 배율을 틀리게 된다.

유한 변화와 미분의 구별

여기서는 J[y+εh]−J[y]=εδJ+ε²δ²J/2가 정확하다. ε≠0인 차분 몫에는 δJ뿐 아니라 εδ²J/2도 남는다. 코드는 거의 같은 에너지를 빼는 대신 전개식으로 계산한다. 섭동 후 에너지는 바뀐 계수에서 직접 계산하여 곡선 전체가 상쇄될 때 정확히 0으로 남긴다. ε=0에서 몫 자체는 미정의지만 극한인 일차 변분은 존재한다.

한 방향의 일차 변분이 0이어도 범함수가 상수라는 뜻은 아니다. 직교 방향에서 이차 에너지 비용이 남을 수 있다. 정지성은 모든 허용 방향에서 일차 변분이 0이라는 조건이다.

직접 풀기와 풀이

a=c=1,b=d=α=0,ε=0.1이면 일차·이차 변분 모두 π²/2다. 유한 변화는 0.0525π²≈0.518154다. c=0,d=1로 바꾸면 일차항은 0이지만 변화는 0.01π²≈0.098696이다. 직교성으로 이유를 설명하고, ε=0에서 변화 0과 도함수 값을 구별하자. 이 방식은 경로·PDE 해·확률분포를 학습 변수로 다룰 때의 출발점이다.

더 읽기: MIT의 변분법 강의.

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실험 설정과 무관한 기준 예제를 묻습니다. 답을 고르고 설명을 확인해보세요.

1. 일차 변분 0이면 모든 유한 변화도 0인가요?
2. epsilon=0의 차분 몫을 0으로 정의하나요?

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