Zusammenfassung:In diesem Beitrag zeigen wir, dass für variationelle Feldtheorien erster Ordnung die partiellen Differentialgleichungen und die Randbedingungen anhand der Lagrange'schen Dichte eindeutig bestimmt werden können. Für Feldtheorien zweiter Ordnung schlagen wir ein Verfahren vor, welches es auch hier erlaubt (neben den PDEs) die Randbedingungen systematisch zu ermitteln. Dies erfolgt im Rahmen der Variationsformulierung mithilfe von Kontaktformen, welche als koordinatenfreie Variante der partiellen Integration verwendet werden. Ist man an einer evolutionären Darstellung der partiellen Differentialgleichungen interessiert, bietet sich eine Hamilton'sche Sichtweise an. In dieser Formulierung treten die Randbedingungen unter Umständen als Randtore in Erscheinung, was es erlaubt Leistungsflüsse über die Systemgrenzen zu analysieren. Auch in diesem Szenario ist es entscheidend die physikalisch korrekten Beziehungen am Rand zu gewinnen, was durch mehrfache partielle Integration nicht in eindeutiger Weise bewerkstelligbar ist. Zahlreiche Beispiele veranschaulichen die vorgestellten Methoden.Schlüsselwörter: Partielle Differentialgleichungen, Lagrange'sche Systeme, Hamilton'sche Systeme, Differentialgeometrie.
Abstract:In this contribution we show that for variational systems of first-order the partial differential equations and the boundary conditions can be derived uniquely once a Lagrangian density has been specified. Furthermore, we suggest a procedure, such that also in the case of second-order field theories (besides the pdes) the boundary conditions can be derived in a straightforward manner. This will be performed by using so-called contact forms in a variational setting. An evolutionary description of the partial differential equations can be achieved in a Hamiltonian setting, and here the boundary conditions may act as boundary ports. This allows to introduce power flows over the boundary and it is of great interest to deal with the physically meaningful boundary conditions, which cannot be derived in a unique fashion by applying repeated integration by parts. Several examples highlight the suggested methods.