Минимальная поверхность вращения

В математике минимальная поверхность вращения или минимальная поверхность вращения — это поверхность вращения, из двух точек полуплоскости определенная , граница которой является осью вращения поверхности. Он создается кривой , лежащей в полуплоскости и соединяющей две точки; среди всех поверхностей, которые можно создать таким способом, именно та, минимизируется площадь которой . [1] Основная проблема вариационного исчисления — найти кривую между двумя точками, которая образует минимальную поверхность вращения. [1]
Отношение к минимальным поверхностям
[ редактировать ]Минимальная поверхность вращения — это подтип минимальной поверхности . [1] Минимальная поверхность определяется не как поверхность минимальной площади, а как поверхность со средней кривизной 0. [2] Поскольку средняя кривизна 0 является необходимым условием поверхности минимальной площади, все минимальные поверхности вращения являются минимальными поверхностями, но не все минимальные поверхности являются минимальными поверхностями вращения. Поскольку точка образует круг при вращении вокруг оси , нахождение минимальной поверхности вращения эквивалентно нахождению минимальной поверхности, проходящей через два круговых каркаса . [1] Физической реализацией минимальной поверхности вращения является мыльная пленка, натянутая между двумя параллельными круглыми проволоками : мыльная пленка естественным образом принимает форму с наименьшей площадью поверхности. [3] [4]
Катеноидный раствор
[ редактировать ]
Если полуплоскости, содержащей две точки и ось вращения, заданы декартовы координаты , что превращает ось вращения в ось x системы координат, то кривую, соединяющую точки, можно интерпретировать как график функции . Если декартовы координаты двух данных точек равны , , то площадь поверхности, порожденная неотрицательной дифференцируемой функцией может быть выражено математически как
и проблема нахождения минимальной поверхности вращения становится проблемой нахождения функции, минимизирующей этот интеграл, с учетом граничных условий , которые и . [5] В этом случае оптимальной кривой обязательно будет цепная линия . [1] [5] Ось вращения является директрисой контактной сети, и поэтому минимальная поверхность вращения будет катеноидом . [1] [6] [7]
Решение Гольдшмидта
[ редактировать ]Также могут быть определены решения, основанные на разрывных функциях. В частности, для некоторых положений двух точек оптимальное решение генерируется разрывной функцией, которая отлична от нуля в двух точках и равна нулю везде. Эта функция приводит к поверхности вращения, состоящей из двух круглых дисков, по одному на каждую точку, соединенных вырожденным отрезком вдоль оси вращения. Это известно как решение Гольдшмидта. [5] [8] в честь немецкого математика Карла Вольфганга Бенджамина Гольдшмидта . [4] который объявил о своем открытии в своей статье 1831 года «Determinatio superficiei minimae Rotae Curvae Data Duo Puncta jungentis Circa Datum Axem Ortae» («Определение кривой вращения с минимальной поверхностью по двум соединенным точкам вокруг заданной исходной оси»). [9]
Продолжая приведенную выше физическую аналогию с мыльной пленкой, эти решения Гольдшмидта можно представить как случаи, когда мыльная пленка разрывается при растяжении круглых проволок. [4] Однако в физической мыльной пленке соединительный сегмент отсутствовал. Кроме того, если мыльная пленка растягивается таким образом, существует диапазон расстояний, в пределах которого решение катеноида все еще возможно, но имеет большую площадь, чем решение Гольдшмидта, поэтому мыльная пленка может растягиваться до конфигурации, в которой площадь равна локальный минимум , но не глобальный минимум. На расстояниях, превышающих этот диапазон, цепная связь, определяющая катеноид, пересекает ось x и ведет к самопересекающейся поверхности, поэтому возможно только решение Гольдшмидта. [10]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Вайсштейн, Эрик В. «Минимальная поверхность революции» . Математический мир . Вольфрам Исследования . Проверено 29 августа 2012 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Минимальная поверхность» . Математический мир . Вольфрам Исследования . Проверено 29 августа 2012 г.
- ^ Олвер, Питер Дж . (2012). «Глава 21: Вариационное исчисление». Конспекты лекций по прикладной математике (PDF) . Проверено 29 августа 2012 г.
- ^ Jump up to: а б с Нахин, Пол Дж. (2011). Когда меньшее лучше: как математики открыли множество умных способов сделать вещи как можно меньшими (или большими) . Издательство Принстонского университета . стр. 265–6.
Так что же происходит с мыльной пленкой после того, как она порвется [...]? Это разрывное поведение называется решением Гольдшмидта , в честь немецкого математика К.В.Б. Гольдшмидта (1807-51), который открыл его (на бумаге) в 1831 году.
- ^ Jump up to: а б с Саган, Ханс (1992), «2.6 Проблема минимальных поверхностей вращения», Введение в вариационное исчисление , Courier Dover Publications, стр. 62–66, ISBN 9780486673660
- ^ Колдинг, Тобиас Холк ; Миникоцци II, Уильям П. (2011). «Глава 1: Начало теории». Курс минимальных поверхностей (PDF) . Аспирантура по математике. Американское математическое общество . Проверено 29 августа 2012 г.
- ^ Микс III, Уильям Х.; Перес, Хоакин (2012). «Глава 2.5: Некоторые интересные примеры полных минимальных поверхностей». Обзор классической теории минимальной поверхности (PDF) . Серия университетских лекций. Том. 60. Американское математическое общество . Проверено 29 августа 2012 г.
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Решение Гольдшмидта» . Математический мир . Вольфрам Исследования . Проверено 29 августа 2012 г.
- ^ Гольдшмидт, Бенджамин (1831). «Библиографическая информация: Определение поверхности минимального вращения заданной кривой, соединяющей две точки вокруг заданной оси» . Проверено 27 августа 2012 г.
- ^ Айзенберг, Сирил (1992), Наука о мыльных пленках и мыльных пузырях , Courier Dover Publications, стр. 165, ИСБН 9780486269603 .