Jump to content

Минимальная поверхность вращения

Растягивание мыльной пленки между двумя параллельными круглыми проволочными петлями создает катеноидальную минимальную 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 ]
катеноид

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]

  1. ^ Jump up to: а б с д и ж Вайсштейн, Эрик В. «Минимальная поверхность революции» . Математический мир . Вольфрам Исследования . Проверено 29 августа 2012 г.
  2. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Минимальная поверхность» . Математический мир . Вольфрам Исследования . Проверено 29 августа 2012 г.
  3. ^ Олвер, Питер Дж . (2012). «Глава 21: Вариационное исчисление». Конспекты лекций по прикладной математике (PDF) . Проверено 29 августа 2012 г.
  4. ^ 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.
  5. ^ 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
  6. ^ 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.
  7. ^ 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.
  8. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Решение Гольдшмидта» . Математический мир . Вольфрам Исследования . Проверено 29 августа 2012 г.
  9. ^ Гольдшмидт, Бенджамин (1831). «Библиографическая информация: Определение поверхности минимального вращения заданной кривой, соединяющей две точки вокруг заданной оси» . Проверено 27 августа 2012 г.
  10. ^ Айзенберг, Сирил (1992), Наука о мыльных пленках и мыльных пузырях , Courier Dover Publications, стр. 165, ИСБН  9780486269603 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 9afc248e90b409befa2909600ca3927f__1666480500
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/9a/7f/9afc248e90b409befa2909600ca3927f.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Minimal surface of revolution - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)