等周定理

等周定理

等周定理,又稱等周不等式,是一個幾何中的不等式定理,說明了歐幾里得平面上的封閉圖形的周長以及其面積之間的關係。其中的“等周”指的是周界的長度相等。等周定理說明在周界長度相等的封閉幾何形狀之中,以圓形的面積最大;另一個說法是面積相等的幾何形狀之中,以圓形的周界長度最小。這兩種說法是等價的。

簡介

等周定理,又稱 等周不等式,是一個幾何中的不等式定理,說明了歐幾里得平面上的封閉圖形的周長以及其面積之間的關係。其中的“等周”指的是周界的長度相等。等周定理說明在周界長度相等的封閉幾何形狀之中,以圓形的面積最大;另一個說法是面積相等的幾何形狀之中,以圓形的周界長度最小。這兩種說法是等價的。

雖然等周定理的結論早已為人所知,但要嚴格的證明這一點並不容易。首個嚴謹的數學證明直到19世紀才出現。之後,數學家們陸續給出了不同的證明,其中有不少是非常簡單的。等周問題有許多不同的推廣,例如在各種曲面而不是平面上的等周問題,以及在高維的空間中給定的“表面”或區域的最大“邊界長度”問題等。

在物理中,等周問題和跟所謂的最小作用量原理有關。一個直觀的表現就是水珠的形狀。在沒有外力的情況下(例如失重的太空艙里),水珠的形狀是完全對稱的球體。這是因為當水珠體積一定時,表面張力會迫使水珠的表面積達到最小值。根據等周定理,最小值是在水珠形狀為球狀時達到。

歷史

平面上的等周問題是等周問題最經典的形式,它的出現可以追溯到很早以前。這個問題可以被表述為:在平面上所有周長一定的封閉曲線中,是否有一個圍成的面積最大?如果有的話,是什麼形狀?另一種等價的表述是:當平面上的封閉曲線圍成的面積一定時,怎樣的曲線周長最小?

雖然圓看似是問題的表面答案,但證明此事實其實不易。首個接近答案的步驟出現在1838年——雅各·史坦納以幾何方法證明若答案存在,答案必然是圓形。不久之後他的證明被其他數學家完善。

其方法包括證明了不完全凸的封閉曲線的話,能以“翻折”凹的部分以成為凸的圖形,以增加面積;不完全對稱的封閉曲線能以傾斜來取得更多的面積。圓,是完全凸和對稱的形狀。可是這些並不足以作為等周定理的 嚴格證明。

1901年,赫爾維茨憑傅立葉級數和格林定理給出一個純解析的證明。

最小作用量原理

物理學中 最小作用量原理(英語: least action principle),或更精確地, 平穩作用量原理(英語: stationary action principle),是一種變分原理,當套用於一個機械系統的作用量時,可以得到此機械系統的運動方程。這原理的研究引導出經典力學的拉格朗日表述和哈密頓表述的發展。卡爾·雅可比特稱最小作用量原理為分析力學之母。

在現代物理學裡,這原理非常重要,在相對論、量子力學、量子場論里,都有廣泛的用途。在現代數學裡,這原理是莫爾斯理論的研究焦點。本篇文章主要是在闡述最小作用量原理的歷史發展。關於數學描述、推導和實用方法,請參閱條目作用量。最小作用量原理有很多種例子,主要的例子是莫佩爾蒂原理(Maupertuis' principle)和哈密頓原理。

在最小作用量原理之前,有很多類似的點子出現於測量學和光學。古埃及的拉繩測量者(rope stretcher)在測量兩點之間的距離時,會將固定於這兩點的繩索拉緊,這樣,可以使間隔距離減少至最低值。托勒密在他的著作《地理學指南》( Geographia)第一冊第二章里強調,測量者必須對於直線路線的誤差做出適當的修正。古希臘數學家歐幾里得在《反射光學》( Catoptrica)里表明,將光線照射於鏡子,則光線的反射路徑的入射角等於反射角。稍後,亞歷山大的希羅證明這路徑的長度是最短的。

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