思无涯咿呀咿呀：创建页面，内容为“ 定义两个函数f(x)和g(y)，我们说这两个函数构成Legrendre（勒让德）变换对，就是要求它们满足： $f(x)=\inf_y(xy-g(y))$ …”

2020-10-15T08:03:20Z

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定义两个函数f(x)和g(y)，我们说这两个函数构成Legrendre（勒让德）变换对，就是要求它们满足：

<math>
f(x)=\inf_y(xy-g(y))
</math>

事实上，如果f(x)和g(y)满足上述定义，我们必然能够推出反关系也成立：

<math>
g(y)=\inf_x (xy-f(x))
</math>

下面给出一个简略粗糙的说明：

事实上，既然要求xy-g(y)的最小，我们便可将该等式对y求导，令其等于0，我们得到：

<math>
g'(y^*)=x
</math>

其中，y*就是使得xy-g(y)达到最小的那个y值。不停地变化x，就会得到一个y*关于x的函数y*(x)。我们将这个y*代回去有：

<math>
f(x)=y^*(x) x -g(y^*(x))
</math>

两边对x求导数，并注意到g'(y*(x))=x这个事实，就得到：

<math>
f'(x)=y^*{'}(x) x+y^*(x)-g'(y^*(x)) y^*{'}(x)=y^*{'}(x) x+y^*(x)-x y^*{'}(x)=y^*(x)
</math>

我们再将y*(x)看作是一个新的自变量y，而把x看作是因变量x(y)，根据<math>f(x)=y^*(x) x -g(y^*(x))</math>就能得到：

<math>
g(y)=x(y) f'(x(y))-f(x(y))
</math>

我们把x(y)又可以看作是满足方程<math>y=f'(x)</math>的解，这样，上面的等式又可以看作是如下极小值的表达式：

<math>
g(y)=\inf_{x}(x y-f(x))
</math>

由此得证。

==全微分与Legendre变换==

设f(x,y)，则它的全微分：

<math>
df=\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy=pdx+zdy
</math>

如果我们将自变量x替换成独立的自变量p，则根据：

<math>
dxp=pdx+xdp
</math>

有：

<math>
d(f-xp)=xdp+zdy
</math>

令<math>g(p,y)=f(x,y)-xp</math>，则f和g构成了Legendre变换对。这是因为：对于任意的p，必须满足

<math>
\frac{\partial f}{\partial x}=p
</math>

所以：

<math>
0=p-\frac{\partial f}{\partial x}=\partial{(xp-f(x,y))}/\partial{x}
</math>

我们又知道g(p,y)=xp-f(x,y)
故而，xp-f(x,y)对x取极值，而这个极值就是g(p,y)，即：

<math>
g(p,y)=\inf_x (xp-f(x,y))
</math>

这是热力学中通常使用的形式。其实如果f(x)是一元函数，也可以找到Legendre变换对，例如f(x)=cx，则它的Legendre变换对为：g(y)=cy/4

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Legendre变换 - 版本历史

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