กลับไปหน้าบทความ

อ่าน 11 นาที

ไม่มีชื่อบทความ

ใน ทางคณิตศาสตร์ อสมการ ไอโซเพอริเมตริก เป็น อสมการ ทางเรขาคณิต ที่เกี่ยวข้องกับกำลังสองของ เส้นรอบวง ของ เส้นโค้งปิด ในระนาบและ พื้นที่ ของ บริเวณระนาบที่เส้นโค้ง นั้นล้อมรอบ...

อสมการไอโซเพอริเมตริก

หากบริเวณนั้นไม่ใช่รูปทรงนูน สามารถ "พลิก" "รอยบุ๋ม" บนขอบเขตของบริเวณนั้นเพื่อเพิ่มพื้นที่ของบริเวณนั้นโดยที่เส้นรอบวงยังคงไม่เปลี่ยนแปลง

ในทางคณิตศาสตร์อสมการไอโซเพอริเมตริกเป็นอสมการทางเรขาคณิต ที่เกี่ยวข้องกับกำลังสองของเส้นรอบวงของเส้นโค้งปิดในระนาบและพื้นที่ของบริเวณระนาบที่เส้นโค้งนั้นล้อมรอบ รวมถึงการขยายความในรูปแบบต่างๆ คำว่า ไอโซเพอริเมตริกมีความหมายตรงตัวว่า "มีเส้นรอบวง เท่ากัน " โดยเฉพาะอย่างยิ่ง อสมการไอโซเพอริเมตริกกล่าวว่า สำหรับความยาวLของเส้นโค้ง ปิดในระนาบ และพื้นที่Aของบริเวณที่เส้นโค้งนั้นล้อมรอบ ว่า

4πเอแอล2,{\displaystyle 4\pi A\leq L^{2},}

และความเท่าเทียมกันนั้นจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อเส้นโค้งนั้นเป็นวงกลม เท่านั้น

ปัญหาไอโซเพอริเมตริกคือการหาภาพระนาบที่มีพื้นที่มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ซึ่ง มี ขอบเขตยาวตามที่กำหนด[ 1 ]ปัญหาของดีโดซึ่งมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดนั้นถามถึงบริเวณที่มีพื้นที่สูงสุดซึ่งล้อมรอบด้วยเส้นตรงและส่วนโค้งซึ่งจุดปลายอยู่บนเส้นตรงนั้น ปัญหานี้ตั้งชื่อตามดีโดผู้ก่อตั้งในตำนานและราชินีองค์แรกของคาร์เธจคำตอบของปัญหาไอโซเพอริเมตริกคือวงกลมและเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยกรีกโบราณแล้ว อย่างไรก็ตาม การพิสูจน์ทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดครั้งแรกของข้อเท็จจริงนี้เกิดขึ้นในศตวรรษที่ 19 เท่านั้น นับตั้งแต่นั้นมาก็มีการค้นพบการพิสูจน์อื่นๆ อีกมากมาย

ปัญหาไอโซเพอริเมตริกได้รับการขยายออกไปในหลายแง่มุม ตัวอย่างเช่น ไปสู่เส้นโค้งบนพื้นผิวและไปยังบริเวณในปริภูมิที่มีมิติสูงกว่า บางทีการแสดงออกทางกายภาพที่คุ้นเคยที่สุดของอสมการไอโซเพอริเมตริก 3 มิติก็คือรูปร่างของหยดน้ำ กล่าวคือ หยดน้ำมักจะมีรูปร่างกลมสมมาตร เนื่องจากปริมาณน้ำในหยดน้ำคงที่ แรงตึงผิวจึงบังคับให้หยดน้ำมีรูปร่างที่ลดพื้นที่ผิวของหยดน้ำให้น้อยที่สุด นั่นคือทรงกลม

ปัญหาไอโซเปริเมตริกในระนาบ

รูปทรงยาวสามารถทำให้กลมขึ้นได้โดยคงเส้นรอบวงไว้เท่าเดิมและเพิ่มพื้นที่ผิว

ปัญหาไอโซเพอริเมตริกแบบคลาสสิ ก มีมาตั้งแต่สมัยโบราณ[ 2 ]ปัญหานี้สามารถระบุได้ดังนี้: ในบรรดาเส้น โค้งปิดทั้งหมด ในระนาบที่มีเส้นรอบวงคงที่ เส้นโค้งใด (ถ้ามี) ที่ทำให้พื้นที่ของบริเวณที่ล้อมรอบมีค่าสูงสุด? คำถามนี้สามารถแสดงให้เห็นว่าเทียบเท่ากับปัญหาต่อไปนี้: ในบรรดาเส้นโค้งปิดทั้งหมดในระนาบที่ล้อมรอบพื้นที่คงที่ เส้นโค้งใด (ถ้ามี) ที่ทำให้เส้นรอบวงมีค่าต่ำสุด?

ปัญหานี้มีความเกี่ยวข้องในเชิงแนวคิดกับหลักการกระทำน้อยที่สุดในฟิสิกส์กล่าวคือ สามารถกล่าวใหม่ได้ว่า หลักการกระทำใดที่ครอบคลุมพื้นที่มากที่สุด โดยใช้ความพยายามน้อยที่สุด? นักปรัชญาและนักวิทยาศาสตร์ในศตวรรษที่ 15 พระคาร์ดินัลนิโคลัสแห่งคูซาพิจารณาว่า การ หมุนซึ่งเป็นกระบวนการที่ ทำให้เกิด วงกลมเป็นการสะท้อนโดยตรงที่สุดในขอบเขตของการรับรู้ทางประสาทสัมผัส ของกระบวนการที่จักรวาลถูกสร้างขึ้น นักดาราศาสตร์และนักโหราศาสตร์ชาวเยอรมันโยฮันเนส เคปเลอร์ได้อ้างถึงหลักการไอโซเพอริเมตริกในการอธิบายรูปร่างของระบบสุริยะในหนังสือ Mysterium Cosmographicum ( ความลึกลับศักดิ์สิทธิ์แห่งจักรวาล , 1596)

แม้ว่าวงกลมดูเหมือนจะเป็นคำตอบที่ชัดเจนสำหรับปัญหา แต่การพิสูจน์ข้อเท็จจริงนี้ค่อนข้างยาก ความก้าวหน้าครั้งแรกในการแก้ปัญหาเกิดขึ้นโดยนักเรขาคณิตชาวสวิสJakob Steinerในปี 1838 โดยใช้วิธีทางเรขาคณิตซึ่งต่อมาเรียกว่าSteiner symmetrisation [ 3 ] Steiner แสดงให้เห็นว่าหากมีคำตอบอยู่จริง คำตอบนั้นจะต้องเป็นวงกลม การพิสูจน์ของ Steiner ได้รับการทำให้เสร็จสมบูรณ์ในภายหลังโดยนักคณิตศาสตร์คนอื่นๆ อีกหลายคน

สไตเนอร์เริ่มต้นด้วยการสร้างทางเรขาคณิตบางอย่างที่เข้าใจได้ง่าย ตัวอย่างเช่น สามารถแสดงได้ว่าเส้นโค้งปิดใดๆ ที่ล้อมรอบบริเวณที่ไม่นูน อย่างสมบูรณ์ สามารถปรับเปลี่ยนให้ล้อมรอบพื้นที่ได้มากขึ้น โดยการ "พลิก" บริเวณที่เว้าเพื่อให้กลายเป็นนูน นอกจากนี้ยังสามารถแสดงได้ว่าเส้นโค้งปิดใดๆ ที่ไม่สมมาตรอย่างสมบูรณ์ สามารถ "เอียง" เพื่อให้ล้อมรอบพื้นที่ได้มากขึ้น รูปทรงเดียวที่นูนและสมมาตรอย่างสมบูรณ์คือวงกลม แม้ว่าสิ่งนี้เองจะไม่ใช่การพิสูจน์ที่เข้มงวดของทฤษฎีบทไอโซเพอริเมตริก (ดูลิงก์ภายนอก)

บนเครื่องบิน

โดยทั่วไปแล้ว คำตอบของปัญหาไอโซเพอริเมตริกจะแสดงออกมาในรูปของอสมการที่เชื่อมโยงความยาวLของเส้นโค้งปิดกับพื้นที่Aของบริเวณระนาบที่เส้นโค้งนั้นล้อมรอบอสมการไอโซเพอริเมตริกกล่าวว่า

4πเอแอล2,{\displaystyle 4\pi A\leq L^{2},}

และความเท่าเทียมกันจะ เป็นจริง ก็ต่อเมื่อเส้นโค้ง นั้นเป็นวงกลมพื้นที่ของวงกลมรัศมีRคือπR²และเส้นรอบวงของวงกลมคือ 2πR² ดังนั้นทั้งสองข้างของอสมการจึงเท่ากับ4πR² ในกรณีนี้

มีการค้นพบบทพิสูจน์อสมการไอโซเปริเมตริกหลายสิบบท ในปี ค.ศ. 1902 ฮูร์วิตซ์ได้ตีพิมพ์บทพิสูจน์สั้นๆ โดยใช้ชุดอนุกรมฟูริเยร์ซึ่งใช้ได้กับเส้นโค้ง ที่สามารถหาความยาวได้โดยพลวัต (ไม่จำเป็นต้องเป็นเส้นโค้งเรียบ) อี. ชมิดท์ ได้ให้บทพิสูจน์โดยตรงที่สง่างามโดยอาศัยการเปรียบเทียบเส้นโค้งปิดเรียบแบบง่ายกับวงกลมที่เหมาะสมในปี ค.ศ. 1938 โดยใช้เพียง สูตร ความยาวส่วนโค้งสูตรสำหรับพื้นที่ของบริเวณระนาบจากทฤษฎีบทของกรีนและอสมการโคชี-ชวาร์

สำหรับเส้นโค้งปิดที่กำหนดให้ ค่าอัตราส่วนไอโซเพอริเมตริกคือ อัตราส่วนระหว่างพื้นที่ของเส้นโค้งนั้นกับพื้นที่ของวงกลมที่มีเส้นรอบวงเท่ากัน ซึ่งเท่ากับ...

คิว=4πเอแอล2{\displaystyle Q={\frac {4\pi A}{L^{2}}}}

และอสมการไอโซเพอริเมตริกกล่าวว่าQ ≤ 1 หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งอัตราส่วนไอโซเพอริเมตริกL 2 / Aมีค่าอย่างน้อย 4 πสำหรับทุกเส้นโค้ง

ผลหารไอโซเพอริเมตริกของรูปหลายเหลี่ยมด้านเท่าnด้าน คือ

คิวn=πnแทน(π/n).{\displaystyle Q_{n}={\frac {\pi }{n\tan(\pi /n)}}.}

อนุญาตซี{\displaystyle C}เป็นเส้นโค้งปิดนูนเรียบปกติ จากนั้นอสมการไอโซเปริเมตริกที่ปรับปรุง แล้ว จะระบุดังต่อไปนี้

แอล24πเอ+8π|เอ~0.5|,{\displaystyle L^{2}\geqslant 4\pi A+8\pi \left|{\widetilde {A}}_{0.5}\right|,}

ที่ไหนแอล,เอ,เอ~0.5{\displaystyle L,A,{\widetilde {A}}_{0.5}}ระบุความยาวของซี{\displaystyle C}พื้นที่ของภูมิภาคที่ล้อมรอบด้วยซี{\displaystyle C}และพื้นที่ที่มีทิศทางของสารกัดกร่อนวิกเนอร์ของซี{\displaystyle C}ตามลำดับ และความเท่าเทียมกันจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อซี{\displaystyle C}เป็นเส้นโค้งที่มีความกว้างคงที่[ 4 ]

บนทรงกลม

ให้Cเป็นเส้นโค้งปิดแบบง่ายบนทรงกลมรัศมี 1 ให้Lเป็นความยาวของCและAเป็นพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยCอสมการไอโซเพอริเมตริกทรงกลมระบุว่า

แอล2เอ(4πเอ),{\displaystyle L^{2}\geq A(4\pi -A),}

และความเท่าเทียมกันนั้นจะเป็นจริงก็ต่อเมื่อเส้นโค้งนั้นเป็นวงกลมเท่านั้น ในความเป็นจริง มีสองวิธีในการวัดพื้นที่ทรงกลมที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งปิดแบบง่าย แต่ความไม่เท่าเทียมกันนั้นสมมาตรเมื่อเทียบกับการหาเส้นโค้งส่วนเติมเต็ม

ความไม่เท่าเทียมกันนี้ถูกค้นพบโดยPaul Lévy (1919) ซึ่งได้ขยายไปสู่มิติที่สูงขึ้นและพื้นผิวทั่วไปด้วย[ 5 ]

ในกรณีทั่วไปของรัศมีR ใดๆ เป็น ที่ทราบกันดีอยู่ แล้ว [ 6 ]ว่า

แอล24πเอเอ2อาร์2.{\displaystyle L^{2}\geq 4\pi A-{\frac {A^{2}}{R^{2}}}.}

ในปริภูมิยูคลิด

อสมการไอโซเปริเมตริกกล่าวว่าทรงกลมมีพื้นที่ผิวน้อยที่สุดต่อปริมาตรที่กำหนดให้ โดยกำหนดให้เป็นเซตเปิดที่มีขอบเขตเอสอาร์n{\displaystyle S\subset \mathbb {R} ^{n}}กับซี1{\displaystyle C^{1}}ขอบเขตที่มีพื้นที่ผิวต่อ(เอส){\displaystyle \operatorname {per} (S)}และปริมาตรเล่ม(เอส){\displaystyle \operatorname {vol} (S)}อสมการไอโซเปริเมตริกกล่าวว่า

ต่อ(เอส)nเล่ม(เอส)(n1)/nเล่ม(บี1)1/n,{\displaystyle \operatorname {per} (S)\geq n\operatorname {vol} (S)^{(n-1)/n}\,\operatorname {vol} (B_{1})^{1/n},}

ที่ไหนบี1อาร์n{\displaystyle B_{1}\subset \mathbb {R} ^{n}}เป็นลูกบอลหน่วยความเท่าเทียมกันจะเป็นจริงเมื่อเอส{\displaystyle S}เป็นลูกบอลในอาร์n{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}ภายใต้ข้อจำกัดเพิ่มเติมของเซต (เช่นความนูนความสม่ำเสมอขอบเขตเรียบ ) ความเท่าเทียมกันนี้จะเป็นจริงเฉพาะกับทรงกลมเท่านั้น แต่ในกรณีทั่วไป สถานการณ์จะซับซ้อนกว่านั้น ผลลัพธ์ที่เกี่ยวข้องของSchmidt (1949 , ส่วนที่ 20.7) (สำหรับการพิสูจน์ที่ง่ายกว่า โปรดดูBaebler (1957) ) ได้รับการอธิบายให้ชัดเจนในHadwiger (1957 , ส่วนที่ 5.2.5)ดังนี้ เซตสุดขั้วประกอบด้วยทรงกลมและ "โคโรนา" ที่ไม่ก่อให้เกิดปริมาตรหรือพื้นที่ผิว นั่นคือ ความเท่าเทียมกันนี้เป็นจริงสำหรับเซตกระชับเอส{\displaystyle S}ก็ต่อเมื่อเอส{\displaystyle S}ประกอบด้วยลูกบอลปิดบี{\displaystyle B}โดยที่เล่ม(บี)=เล่ม(เอส){\displaystyle \operatorname {vol} (B)=\operatorname {vol} (S)}และต่อ(บี)=ต่อ(เอส).{\displaystyle \operatorname {per} (B)=\operatorname {per} (S).}ตัวอย่างเช่น "โคโรนา" อาจมีลักษณะเป็นเส้นโค้ง

การพิสูจน์อสมการเป็นผลโดยตรงจากอสมการ Brunn–Minkowskiระหว่างเซตเอส{\displaystyle S}และลูกบอลที่มีรัศมีϵ{\displaystyle \epsilon }, เช่นบีϵ=ϵบี1{\displaystyle B_{\epsilon }=\epsilon B_{1}}. อย่างแท้จริง,เล่ม(เอ+บีϵ)(เล่ม(เอ)1/n+เล่ม(บีϵ)1/n)nเล่ม(เอ)+nเล่ม(เอ)(n1)/nϵเล่ม(บี1)1/n.{\displaystyle \operatorname {vol} (A+B_{\epsilon })\geq (\operatorname {vol} (A)^{1/n}+\operatorname {vol} (B_{\epsilon })^{1/n})^{n}\geq \operatorname {vol} (A)+n\operatorname {vol} (A)^{(n-1)/n}\epsilon \operatorname {vol} (B_{1})^{1/n}.}อสมการไอโซเปริเมตริกได้มาจากการลบเล่ม(เอ){\textstyle \operatorname {vol} (A)}หารด้วยϵ{\displaystyle \epsilon }และการหาลิมิตเป็นϵ0.{\displaystyle \epsilon \to 0.}( Osserman (1978) ; Federer (1969 , §3.2.43) )

โดยทั่วไป( Federer 1969 , §3.2.43)อสมการไอโซเปริเมตริกกล่าวว่าสำหรับเซตใดๆเอสอาร์n{\displaystyle S\subset \mathbb {R} ^{n}}ซึ่งการปิด นั้น มีมาตรวัดเลเบส จำกัด

nωn1/nแอลn(เอส¯)(n1)/nเอ็ม*n1(เอส){\displaystyle n\,\omega _{n}^{1/n}L^{n}({\bar {S}})^{(n-1)/n}\leq M_{*}^{n-1}(\partial S)}

ที่ไหนเอ็ม*n1{\displaystyle M_{*}^{n-1}}คือเนื้อหา Minkowski มิติ ( n -1) , L nคือ การวัด Lebesgue มิติ nและω คือปริมาตรของลูกบอลหน่วยในอาร์n{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}ถ้าขอบเขตของSสามารถแก้ไขได้เนื้อหาของ Minkowski ก็คือการวัด Hausdorff มิติ ( n - 1 )

อสมการ ไอโซเพอริเมตริก nมิติ เทียบเท่ากับอสมการโซโบเลฟ (สำหรับโดเมนที่เรียบเพียงพอ) บนอาร์n{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}ด้วยค่าคงที่ที่เหมาะสมที่สุด:

(อาร์n|คุณ|n/(n1))(n1)/nn1ωn1/nอาร์n|คุณ|{\displaystyle \left(\int _{\mathbb {R} ^{n}}|u|^{n/(n-1)}\right)^{(n-1)/n}\leq n^{-1}\omega _{n}^{-1/n}\int _{\mathbb {R} ^{n}}|\nabla u|}

สำหรับทุกคนคุณ1,1(อาร์n){\displaystyle u\in W^{1,1}(\mathbb {R} ^{n})}.

ในแมนิโฟลด์ฮาดามาร์ด

แมนิโฟลด์ฮาดามาร์ดเป็นแมนิโฟลด์สมบูรณ์ที่เชื่อมต่อกันอย่างง่าย และมีความโค้งไม่เป็นบวก ดังนั้นจึงเป็นการขยายแนวคิดของปริภูมิยุคลิดอาร์n{\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}ซึ่งเป็นแมนิโฟลด์ฮาดามาร์ดที่มีความโค้งเป็นศูนย์ ในช่วงทศวรรษ 1970 และต้นทศวรรษ 1980 เธียร์รี อูบิน , มิชา โกรโมฟ , ยูริ บูราโกและวิกเตอร์ ซัลกัลเลอร์ได้ตั้งข้อสันนิษฐานว่าอสมการไอโซเปริเมตริกแบบยุคลิดนั้น

ต่อ(เอส)nเล่ม(เอส)(n1)/nเล่ม(บี1)1/n{\displaystyle \operatorname {per} (S)\geq n\operatorname {vol} (S)^{(n-1)/n}\operatorname {vol} (B_{1})^{1/n}}

ใช้ได้กับเซตที่มีขอบเขตเอส{\displaystyle S}ในแมนิโฟลด์ของฮาดามาร์ด ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อสมมติฐานคาร์ตัน-ฮาดามาร์ดในมิติ 2 สมมติฐานนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วในปี 1926 โดยอังเดร เวลซึ่งเป็นลูกศิษย์ของฮาดามาร์ดในขณะนั้น ในมิติ 3 และ 4 สมมติฐานนี้ได้รับการพิสูจน์โดยบรูซ ไคลเนอร์ในปี 1992 และคริส โครกในปี 1984 ตามลำดับ

ในพื้นที่การวัดแบบเมตริก

งานวิจัยส่วนใหญ่เกี่ยวกับปัญหาไอโซเปริเมตริกนั้นทำในบริบทของบริเวณเรียบในปริภูมิยุคลิดหรือโดยทั่วไปแล้วในแมนิโฟลด์แบบรีมันน์อย่างไรก็ตาม ปัญหาไอโซเปริเมตริกสามารถกำหนดได้ในรูปแบบทั่วไปที่กว้างกว่ามาก โดยใช้แนวคิดของเนื้อหามินคอฟสกีให้(X,μ,){\displaystyle (X,\mu ,d)}ให้Xเป็นปริภูมิเมตริกที่มีเมตริกdและμเป็นการวัดแบบบอเรลบน X การวัดขอบเขตหรือเนื้อหาแบบมินคอฟสกีของเซตย่อยที่วัดได้AบนXถูกกำหนดให้เป็นlim inf

μ+(เอ)=ลิม อินฟ์ε0+μ(เอε)μ(เอ)ε,{\displaystyle \mu ^{+}(A)=\liminf _{\varepsilon \to 0+}{\frac {\mu (A_{\varepsilon })-\mu (A)}{\varepsilon }},}

ที่ไหน

เอε={xX|(x,เอ)ε}{\displaystyle A_{\varepsilon }=\{x\in X|d(x,A)\leq \varepsilon \}}

คือส่วนขยาย ε ของA

ปัญหาไอโซเพอริเมตริกในXถามว่าเล็กแค่ไหนถึงจะพอดีμ+(เอ){\displaystyle \mu ^{+}(A)}สำหรับμ ( A ) ที่กำหนด หากXคือระนาบยุคลิดที่มีระยะทางปกติและการวัดแบบเลเบสคำถามนี้จะขยายปัญหาไอโซเพอริเมตริกแบบคลาสสิกไปยังบริเวณระนาบที่มีขอบเขตไม่จำเป็นต้องเรียบ แม้ว่าคำตอบจะออกมาเหมือนกันก็ตาม

ฟังก์ชัน

ฉัน(เอ)=ข้อมูล{μ+(เอ)|μ(เอ)=เอ}{\displaystyle I(a)=\inf\{\mu ^{+}(A)|\mu (A)=a\}}

เรียกว่าโปรไฟล์ไอโซเพอริเมตริกของปริภูมิการวัดเมตริก(X,μ,){\displaystyle (X,\mu ,d)}โปรไฟล์ไอโซเพอริเมตริกได้รับการศึกษาสำหรับกราฟเคย์ลีย์ของกลุ่มแบบไม่ต่อเนื่องและสำหรับกลุ่มพิเศษของแมนิโฟลด์รีมันน์ (โดยปกติจะพิจารณาเฉพาะบริเวณAที่มีขอบเขตปกติเท่านั้น)

สำหรับกราฟ

ในทฤษฎีกราฟอสมการไอโซเพอริเมตริกเป็นหัวใจสำคัญของการศึกษากราฟเอ็กซ์แพนเดอร์ซึ่งเป็นกราฟเบาบางที่มีคุณสมบัติการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง การสร้างเอ็กซ์แพนเดอร์ได้ก่อให้เกิดการวิจัยในคณิตศาสตร์บริสุทธิ์และคณิตศาสตร์ประยุกต์ โดยมีการประยุกต์ใช้หลายอย่างในทฤษฎีความซับซ้อนการออกแบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ ที่แข็งแกร่ง และทฤษฎี รหัสแก้ไขข้อ ผิดพลาด[ 7 ]

อสมการไอโซเพอริเมตริกสำหรับกราฟนั้นเชื่อมโยงขนาดของเซตย่อยของจุดยอดกับขนาดของขอบเขต ซึ่งโดยปกติจะวัดจากจำนวนขอบที่ออกจากเซตย่อย (การขยายขอบ) หรือจากจำนวนจุดยอดที่อยู่ติดกัน (การขยายจุดยอด) สำหรับกราฟจี{\displaystyle G}และจำนวนหนึ่งเค{\displaystyle k}ต่อไปนี้เป็นพารามิเตอร์ไอโซเพอริเมตริกมาตรฐานสองตัวสำหรับกราฟ[ 8 ]

  • พารามิเตอร์ไอโซเพอริเมตริกของขอบ:Φอี(จี,เค)=นาทีเอสวี{|อี(เอส,เอส¯)|:|เอส|=เค}{\displaystyle \Phi _{E}(G,k)=\min _{S\subseteq V}\left\{|E(S,{\overline {S}})|:|S|=k\right\}}
  • พารามิเตอร์ไอโซเปริเมตริกของจุดยอด:Φวี(จี,เค)=นาทีเอสวี{|Γ(เอส)เอส|:|เอส|=เค}{\displaystyle \Phi _{V}(G,k)=\min _{S\subseteq V}\left\{|\Gamma (S)\setminus S|:|S|=k\right\}}

ที่นี่อี(เอส,เอส¯){\displaystyle E(S,{\overline {S}})}หมายถึงเซตของขอบที่ออกจากเอส{\displaystyle S}และΓ(เอส){\displaystyle \Gamma (S)}หมายถึงเซตของจุดยอดที่มีจุดยอดข้างเคียงอยู่ในเซตนั้นเอส{\displaystyle S}ปัญหาไอโซเปริเมตริกประกอบด้วยการทำความเข้าใจว่าพารามิเตอร์ต่างๆ เป็นอย่างไรΦอี{\displaystyle \Phi _{E}}และΦวี{\displaystyle \Phi _{V}}มีพฤติกรรมที่เหมาะสมกับตระกูลกราฟตามธรรมชาติ

ตัวอย่าง: อสมการไอโซเพอริเมตริกสำหรับไฮเปอร์คิวบ์

เดอะ{\displaystyle d}ไฮเปอร์คิวบ์ มิติคิว{\displaystyle Q_{d}}คือกราฟที่มีจุดยอดทั้งหมดเป็นเวกเตอร์บูลีนที่มีความยาว{\displaystyle d}นั่นคือเซต{0,1}{\displaystyle \{0,1\}^{d}}เวกเตอร์สองตัวดังกล่าวเชื่อมต่อกันด้วยขอบในคิว{\displaystyle Q_{d}}หากเท่ากันจนถึงการพลิกบิตเดียว นั่นคือระยะทางแฮมมิง ของพวกมัน เท่ากับหนึ่งพอดี ต่อไปนี้คือความไม่เท่าเทียมกันของไอโซเพอริเมตริกสำหรับไฮเปอร์คิวบ์บูลีน[ 9 ]

อสมการไอโซเพอริเมตริกขอบ

อสมการไอโซเพอริเมตริกขอบของไฮเปอร์คิวบ์คือΦอี(คิว,เค)เค(บันทึก2เค){\displaystyle \Phi _{E}(Q_{d},k)\geq k(d-\log _{2}k)}ขอบเขตนี้แน่นหนา ดังที่เห็นได้จากแต่ละชุดเอส{\displaystyle S}นั่นคือเซตของจุดยอดของลูกบาศก์ย่อยใดๆ ของคิว{\displaystyle Q_{d}}.

อสมการไอโซเปริเมตริกจุดยอด

ทฤษฎีบทของ Harper [ 10 ]กล่าวว่าลูกบอล Hammingมีขอบเขตจุดยอดที่เล็กที่สุดในบรรดาเซตทั้งหมดที่มีขนาดที่กำหนด ลูกบอล Hamming คือเซตที่ประกอบด้วยจุดทั้งหมดที่มีน้ำหนัก Hammingไม่เกิน{\displaystyle r}และไม่มีจุดน้ำหนักแฮมมิงใดที่ใหญ่กว่า+1{\displaystyle r+1}สำหรับจำนวนเต็มบางจำนวน{\displaystyle r}ทฤษฎีบทนี้บ่งชี้ว่าเซตใดๆเอสวี{\displaystyle S\subseteq V}กับ

|เอส|ฉัน=0(ฉัน){\displaystyle |S|\geq \sum _{i=0}^{r}{d \choose i}}

พอใจ

|เอสΓ(เอส)|ฉัน=0+1(ฉัน).{\displaystyle |S\cup \Gamma (S)|\geq \sum _{i=0}^{r+1}{d \choose i}.}[ 11 ]

ในกรณีพิเศษ ให้พิจารณาขนาดของชุดข้อมูลเค=|เอส|{\displaystyle k=|S|}ของแบบฟอร์ม

เค=(0)+(1)++(){\displaystyle k={d \choose 0}+{d \choose 1}+\dots +{d \choose r}}

สำหรับจำนวนเต็มบางจำนวน{\displaystyle r}ดังนั้นข้างต้นจึงหมายความว่าพารามิเตอร์ไอโซเพอริเมตริกจุดยอดที่แน่นอนคือ

Φวี(คิว,เค)=(+1).{\displaystyle \Phi _{V}(Q_{d},k)={d \choose r+1}.}[ 12 ]

อสมการไอโซเพอริเมตริกสำหรับรูปสามเหลี่ยม

อสมการไอโซเพอริเมตริกสำหรับสามเหลี่ยมในแง่ของเส้นรอบรูปpและพื้นที่Tระบุว่า[ 13 ]

พี2123ที,{\displaystyle p^{2}\geq 12{\sqrt {3}}\cdot T,}

โดยมีความเท่าเทียมกันสำหรับสามเหลี่ยมด้านเท่าสิ่งนี้บ่งบอกโดยผ่านความไม่เท่าเทียมกันของ AM–GMโดยความไม่เท่าเทียมกันที่แข็งแกร่งกว่าซึ่งเรียกอีกอย่างว่าความไม่เท่าเทียมกันของไอโซเพอริเมตริกสำหรับสามเหลี่ยม: [ 14 ]

ที34(เอ)2/3.{\displaystyle T\leq {\frac {\sqrt {3}}{4}}(abc)^{2/3}.}

ดูเพิ่มเติม

หมายเหตุ

  1. Blåsjö, Viktor (2005). "วิวัฒนาการของปัญหาไอโซเพอริเมตริก" . Amer. Math. Monthly . 112 : 526– 566. doi : 10.1080/00029890.2005.11920227 .
  2. โอลโม, คาร์ลอส เบลตรัน, ไอรีน (4 มกราคม 2021). "เพื่อนที่แสนดีและไมโตส" . เอลปาอิส (ภาษาสเปน) สืบค้นเมื่อ14 มกราคม 2564 .{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list ( link )
  3. เจ. สไตเนอร์,ไอน์ฟาเชอร์ เบไวส์ เดอร์ ไอโซเพอริเมทริสเชน เฮาพท์เซตเซ , เจ. ไรน์ แองเจว แมท. 18 , (1838), หน้า 281 296; และ Gesammelte Werke ฉบับที่ 2, หน้า 77 91, ไรเมอร์, เบอร์ลิน, (1882)
  4. Zwierzyński, Michał (2016). "ความไม่เท่าเทียมกันของไอโซเพอริเมตริกที่ปรับปรุงแล้วและคอสติกวิกเนอร์ของวงรีระนาบ" J. Math. Anal. Appl . 442 (2): 726– 739. arXiv : 1512.06684 . doi : 10.1016/j.jmaa.2016.05.016 . S2CID 119708226 . 
  5. Gromov, Mikhail; Pansu, Pierre (2006). "ภาคผนวก C. อสมการไอโซเพอริเมตริกของ Paul Levy"โครงสร้างเมตริกสำหรับปริภูมิรีมันน์และปริภูมิที่ไม่ใช่รีมันน์ คลาสสิกสมัยใหม่ของ Birkhäuser ดอร์เดรชท์: Springer หน้า519 ISBN  9780817645830.
  6. Osserman, Robert . "The Isoperimetric Inequality." Bulletin of the American Mathematical Society. 84.6 (1978) http://www.ams.org/journals/bull/1978-84-06/S0002-9904-1978-14553-4/S0002-9904-1978-14553-4.pdf
  7. Hoory, Linial & Widgerson (2006)
  8. คำจำกัดความ 4.2 และ 4.3 ของ Hoory, Linial & Widgerson (2006)
  9. ดู Bollobás (1986)และส่วนที่ 4 ใน Hoory, Linial & Widgerson (2006)
  10. อ้างอิงจากคาลาโบร (2004)หรือบอลโลบาส (1986)
  11. เปรียบเทียบกับลีดเดอร์ (1991)
  12. ระบุไว้ใน Hoory, Linial & Widgerson (2006) ด้วยเช่นกัน
  13. Chakerian, GD "มุมมองที่บิดเบือนของเรขาคณิต" บทที่ 7 ใน Mathematical Plums (R. Honsberger, บรรณาธิการ) วอชิงตัน ดี.ซี.: สมาคมคณิตศาสตร์แห่งอเมริกา, 1979: 147
  14. Dragutin Svrtan และ Darko Veljan, "Non-Euclidean Versions of Some Classical Triangle Inequalities", Forum Geometricorum 12, 2012, 197–209. http://forumgeom.fau.edu/FG2012volume12/FG201217.pdf
  • ประวัติความเป็นมาของปัญหาไอโซเพอริเมตริกณจุดบรรจบ
  • ไตรเบิร์ก: บทพิสูจน์หลายประการของอสมการไอโซเปริเมตริก
  • ทฤษฎีบทไอโซเพอริเมตริกที่cut-the-knot

สรุปเนื้อหา

ข้อมูลสำคัญจากบทความ

ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ ไม่มีชื่อบทความ

ใน ทางคณิตศาสตร์ อสมการ ไอโซเพอริเมตริก เป็น อสมการ ทางเรขาคณิต ที่เกี่ยวข้องกับกำลังสองของ เส้นรอบวง ของ เส้นโค้งปิด ในระนาบและ พื้นที่ ของ บริเวณระนาบที่เส้นโค้ง นั้นล้อมรอบ...

ปัญหาไอโซเปริเมตริกในระนาบ

ปัญหาไอโซเพอริเมตริก แบบคลาสสิ ก มีมาตั้งแต่สมัยโบราณ [ 2 ] ปัญหานี้สามารถระบุได้ดังนี้: ในบรรดา เส้น โค้งปิดทั้งหมด ในระนาบที่มีเส้นรอบวงคงที่ เส้นโค้งใด (ถ้ามี) ที่ทำให้พื้นที่ของบริเวณที่ล้อมรอบมีค่าสูงสุด?

บนเครื่องบิน

โดยทั่วไปแล้ว คำตอบของปัญหาไอโซเพอริเมตริกจะแสดงออกมาในรูปของ อสมการ ที่เชื่อมโยงความยาว L ของเส้นโค้งปิดกับพื้นที่ A ของบริเวณระนาบที่เส้นโค้งนั้นล้อมรอบ อสมการไอโซเพอริเมตริก กล่าวว่า

บนทรงกลม

ให้ C เป็นเส้นโค้งปิดแบบง่ายบน ทรง กลมรัศมี 1 ให้ L เป็นความยาวของ C และ A เป็นพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วย C อสมการ ไอโซเพอริเมตริกทรงกลม ระบุว่า