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吹肥皂泡引发的数学的联想(二)

咱接着上回的等周不等式讲哈。

所以看着容易证明起来并不那么容易的例子还有很多,有的甚至是巨坑。比如费马猜想,还有四色问题。

费马猜想绝对是民科的挚爱——因为这是他们为数不多的能明白题目在干啥的猜想。然而直到上世纪90年代中才由Wiles用椭圆曲线理论搞定;至于四色定理把闵可夫斯基还给坑了。据说有一次他老人家上课的时候提到了这个问题,当众牛逼哄哄地说道:

这问题现在还没有被干掉,那是因为没有第一流的数学来干它。

于是开始了他的证明。

第一节课,没做出来。

第二节课,没做出来。

……

一周过去了,还没做出来,突然之间,一个炸雷响了起来,把闵教授的粉笔给震掉了,闵教授大骇,捡起粉笔来轻轻说了一句:

一震之威乃至于此。。。

哦哦,串戏了,闵可夫斯基说的是:这是上天在惩罚我的狂妄无知啊!于是放弃了。直到上世纪70年代吧,有俩人用计算机验证了超过1200亿个例子,都是对的,于是就证完了。

是不是看起来也挺随意的。。。

让我们把目光回到极小曲面的问题上来。从几何上来说,这个问题的描述是清晰而易懂的:面积最小。但是问题是这空间里的封闭曲线可不一定是平面曲线啊!

尴尬的事情来了,空间里的曲面面积怎么算对很多人来说都无法理解。。。

当然,从几何上来说,极小曲面就是指曲面的平均曲率为0的曲面,至于平均曲率么,emmm。。。就是主曲率的平均值,至于主曲率么,emmm。。。就是曲面上经过这一点的所有曲线中曲率的最大值和最小值。

你还要继续听么?现在是不是觉得面积最小还是挺好理解的?

现在的问题是,以这条闭曲线为边界的曲面有无数张,然后要证明这里有一张面积最小——毕竟我么肯定能用肥皂泡来证明这个存在性。

证明:因为我能用肥皂水搞出这么一张膜,所以命题是对的。。。。

你给我出去。

这个问题被称为普拉托问题,是数学中与极小曲面有关的一类问题,旨在研究在边界固定时极小表面的存在性。这个问题最早由法国著名数学家拉格朗日(对,就是那个拉格朗日中值定理的拉格朗日)在1760年提出。

而之后比利时人Plateau在十九世纪进行了大量关于肥皂泡的实验。。。想象一下这个画面,真的很搞笑啊。。。

你每天的研究工作是什么?

玩泡泡。。。

别说,他还真的搞出了与此问题有关的定律(Plateau定律)。因为涉及到极小值的问题,因此很容易联想到Plateau问题可以转化成变分法研究的一个分支。Plateau问题中的极小曲面的存在性以及其正则性(是否可微,是否光滑等等)是几何测度理论的研究对象。 完全开放的Plateau问题太难了,于是数学家们首先加了一堆的约束条件。1930年,杰西·道格拉斯和蒂波·拉多得到了曲面在浸入到欧氏空间中情况下的一般解。两人用的方法差别非常大。拉多的方法建立在加尼尔的工作上,只能证明边界为可求长的简单闭曲线的情况。道格拉斯则运用了全新的思路,对任意的简单闭曲线都适用。两人的方法都包括了求解最小值问题,不同之处为道格拉斯最小化的对象是现在称为“道格拉斯积分”的积分式,而拉多最小化的对象是类似于保守场的“能量”。道格拉斯因这方面的工作获得了1936年的菲尔兹奖.

所以我们最后的结论是:对三维空间中任意简单的闭曲线,总可以找到极小曲面,以该曲线为边界。至于三维空间中的其他情况,emmm...

就挺难的了。

前几年德国青年数学家Brendle搞了一个Hsiang-Lawson猜想,也是和极小曲面有关的,不过要复杂的多得多,用到的数学工具也要高级许多,鉴于简单闭曲线已经这样了。。。其他的有兴趣可以搜关键词 Brendle,Hsiang-Lawson conjecture就好啦~

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