WikiEdge:ArXiv-2004.10865

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• 標題：Body of constant width with minimal area in a given annulus
• 中文標題：在給定環形中具有最小面積的常寬體
• 發佈日期：2020-04-22 21:11:34+00:00
• 作者：Antoine Henrot, Ilaria Lucardesi
• 分類：math.MG, math.OC, 52A10, 49Q10, 49Q12, 52A38
• 原文連結：http://arxiv.org/abs/2004.10865v2

摘要：在本文中，我們解決了以下形狀優化問題：在預設定的常寬度和內半徑的集合中，尋找面積最小的平面域。在文獻中，這個問題被歸因於Bonnesen，他在文獻{BF}中提出了這個問題。在當前的工作中，我們為每一個寬度和內半徑的選擇提供了問題的完整答案，給出了最優集合的明確特徵。這些最優集合是特定的Reuleaux多邊形。

問題與動機

作者的研究問題包括：

• 如何在給定的圓環中找到具有最小面積的等寬體？
• 對於不同的寬度和內半徑選擇，最優集合的顯式特徵是什麼？
• 如何證明Bonnesen關於在給定圓環中最小化面積的猜想？
• Reuleaux多邊形在等寬體中最小化面積問題中的作用是什麼？
• 如何描述具有給定內半徑的等寬體的最優形狀？
• 如何證明關於等寬體最小面積問題的猜想，並提供更精確的結果？

背景介紹

這篇文獻的背景主要集中在以下幾個方面：

1. 常寬體的幾何特性：
   • 常寬體（也稱作歐拉體或Reuleaux體)是一類在每個方向上具有相同寬度的幾何形狀，這類形狀在數學和工程學中具有重要的應用。
   • 這類形狀因其獨特的幾何性質，如在給定寬度下最小化面積的問題，而受到廣泛關注。
2. 面積最小化問題的歷史：
   • 歷史上，Blaschke-Lebesgue定理是關於常寬體中面積最小化問題的一個著名結果，它表明Reuleaux三角形在所有常寬體中具有最小的面積。
   • 該問題由Bonnesen提出，並在文獻[3]中進行了討論，但之前沒有給出完整的解答。
3. 給定內半徑和寬度的優化問題：
   • 本文研究了在給定內半徑和寬度的條件下，尋找具有最小面積的平面域的問題。
   • 這個問題在數學優化和幾何分析中具有挑戰性，因為它涉及到在特定約束條件下尋找最優幾何形狀。
4. Reuleaux多邊形的特性：
   • Reuleaux多邊形是一類特殊的常寬體，其邊界由圓形弧段組成，這些弧段的中心位於邊界點。
   • 這類多邊形在解決最小化問題時具有特殊的重要性，因為它們在滿足給定寬度和內半徑的條件下，可能形成最優解。

綜上所述，這篇文獻的背景強調了在給定幾何約束下，尋找具有最小面積的常寬體的數學問題，以及這類問題在理論和應用中的重要性。

章節摘要

這篇論文是關於在給定的圓環內尋找具有最小面積的等寬體的研究，主要內容包括：

1. 引言：
   • 等寬體（也稱為歐拉體)是一類有趣的幾何對象，有許多文獻專門研究它們。
   • 著名的Blaschke-Lebesgue定理表明，在所有等寬體中，Reuleaux三角形的面積最小。
   • 作者提出了一個與等寬體相關的優化問題：在給定的圓環內，尋找具有規定等寬和內半徑的平面域，使其面積最小。

1. 預備知識與Blaschke變形：
   • 定義了凸體、等寬和內半徑的概念，並證明了最小化問題的存在性。
   • 回顧了Reuleaux多邊形的定義，並介紹了Blaschke變形的概念。

1. 剛性形狀：
   • 引入了剛性形狀的概念，即不能通過Blaschke變形減小面積的形狀。
   • 定義了極值弧和簇的概念，並給出了剛性形狀的特徵。

1. 證明定理1.2和命題1.4：
   • 證明了在Reuleaux多邊形類中面積最小化問題有解，並描述了最優形狀。
   • 證明了當內半徑r在特定區間內變化時，最小面積A(r)是連續的，並且最優形狀也隨之連續變化。

研究方法

這篇論文通過數學建模和優化方法，解決了在給定圓環中尋找具有最小面積的常寬體的問題。以下是該研究方法論的主要組成部分：

1. 數學建模：
   • 定義了凸體、寬度、內半徑等幾何概念，並引入了Reuleaux多邊形的數學描述。
   • 引入了Blaschke變形的概念，這是一種在保持凸體常寬性質不變的條件下，連續改變凸體形狀的方法。
   • 定義了「剛性形狀」，即不能通過Blaschke變形減小面積的Reuleaux多邊形。
2. 優化方法：
   • 利用Blaschke變形的性質，提出了尋找最小面積凸體的優化策略。
   • 通過分析Reuleaux多邊形的變形，建立了面積的一階形狀導數，用於指導優化過程。
   • 證明了在給定的圓環中，最小面積的常寬體可以通過一系列特定的Reuleaux多邊形來逼近。
   • 利用了變分法中的直接方法，證明了最小化問題的解的存在性。
3. 幾何分析：
   • 詳細分析了Reuleaux多邊形的幾何特性，包括邊界弧長、角度等。
   • 利用三角函數和幾何關係，推導出了描述Reuleaux多邊形邊界弧長的公式。
   • 通過幾何構造和角度分析，確定了剛性形狀的參數化表示。
4. 連續性和最優性證明：
   • 證明了當內半徑r在特定區間變化時，最小面積函數A(r)是連續的。
   • 利用剛性形狀的性質，證明了在給定圓環中最小化面積問題的解是唯一的。
   • 通過分析Reuleaux多邊形的連續變形，證明了最優形狀隨內半徑r連續變化。

這篇論文的方法論分析結果表明，對於給定的圓環，存在一個唯一的最小面積常寬體，該常寬體可以由一系列特定的Reuleaux多邊形精確描述，並且隨着內半徑的變化，最優形狀連續變化。

研究結論

根據提供的文獻內容，這篇論文的主要結論可以概括如下：

1. 問題的完整解答：對於在給定圓環中尋找具有規定常寬和內半徑的平面域的最小面積問題，作者給出了一個完整的答案，明確描述了對於所有寬度和內半徑選擇的最優集合。
2. 最優集合的確定：這些最優集合是特定的Reuleaux多邊形。
3. 常寬體的性質：論文中提到，常寬體（也稱為歐拉體)是迷人的幾何對象，儘管它們的定義簡單，但許多相關問題仍未解決。
4. Blaschke-Lebesgue定理：著名的Blaschke-Lebesgue定理斷言，Reuleaux三角形在所有常寬平面體中面積最小。
5. 最小化問題的解決：作者解決了T. Bonnesen提出的最小化問題，並證實了他的猜想，使得結果更加精確。
6. Reuleaux多邊形的構造：作者構造了Reuleaux多邊形，作為解決最小化問題的關鍵，證明了這些多邊形在給定的最小圓環中面積最小。
7. 問題的雙重性：論文還指出了問題的雙重性：一方面，它回答了Bonnesen的問題；另一方面，它提供了一個根據幾何量來界定面積下界的方法，這可能在其他形狀優化問題中有用。
8. 連續性的證明：論文證明了當內半徑r變化時，最小面積A(r)和最優Reuleaux多邊形Ω(r)關於r是連續的。

術語表

這篇文章的術語表如下：

• 常寬體（Body of constant width）：在平面幾何中，常寬體是指在所有方向上具有相同寬度的幾何形狀。
• 勒洛多邊形（Reuleaux polygon）：勒洛多邊形是一種特殊的常寬體，其邊界由有限數量的圓形弧段組成，這些弧段的中心位於邊界點上。
• 內半徑（Inradius）：一個幾何形狀內半徑是指能夠完全包含在該形狀內的最大圓的半徑。
• 外半徑（Circumradius）：與內半徑相對，外半徑是指能夠剛好包圍該形狀的最小圓的半徑。
• 等寬約束（Constant width constraint）：指在優化問題中，要求解的形狀必須具有恆定的寬度。
• 面積最小化（Area minimization）：在給定約束條件下，尋找具有最小面積的幾何形狀的過程。
• 勒洛三角形（Reuleaux triangle）：一種特殊的勒洛多邊形，由三個弧段組成，是具有最小內半徑的常寬體。
• 極值問題（Extremal problem）：在數學優化中，尋找函數的最大值或最小值的問題。
• 剛性形狀（Rigid shape）：在文中定義為不能通過任何保持內半徑約束的布拉斯奇變形來減小面積的勒洛多邊形。
• 布拉斯奇變形（Blaschke deformation）：一種對勒洛多邊形進行變形的方法，通過移動弧段的端點來改變形狀。
• 外圓（Outercircle）：包圍一個幾何形狀的最小圓。
• 內圓（Incircle）：完全包含在幾何形狀內的最大圓。
• 寬度（Width）：在特定方向上，一個幾何形狀所能佔據的最小距離。
• 等寬體（Orbiforms）：以常寬體命名的幾何對象，由歐拉（L. Euler）提出。
• 勒洛五邊形（Reuleaux pentagon）：一種勒洛多邊形，由五個弧段組成。
• 剛性配置（Rigid configuration）：指在文中定義的，不能通過任何布拉斯奇變形減小面積的勒洛多邊形配置。
• 弧段（Arc）：勒洛多邊形邊界的一部分，由圓的一段組成。
• 極值弧（Extremal arc）：在勒洛多邊形中，與內圓相切且其端點都在外圓上的弧段。
• 簇（Cluster）：由三個連續的弧段組成的