等周不等式

文摘   2024-12-22 00:00   四川  

我们凭直觉可以知道,在平面上,一定长度的封闭曲线能围成的几何图形中,圆的面积最大。或者说,平面上面积相等的所有几何图形中,圆的周长最小。以上的关系可以用公式表示为:

其中,L和S为封闭图形的周长和面积。当且仅当封闭图形为圆时等号成立。


以上不等式就称为等周不等式,最早由Edler于1882年证明。等周不等式还可以推广到高维情形。即,n(n≥2)维空间中某一区域D的体积V与构成该区域边界的n-1维超曲面的面积S之间满足关系

式中,vn表示n维空间中单位球的体积,当且仅当区域D为n维球体时等号成立。显然当n等于2时,上式就变为前面介绍的平面区域的等周不等式。


当n等于3时,其几何意义就是,三维空间中用特定面积的封闭曲面包围一定区域时,当区域为球体时体积最大。或者说球体的比表面积最大。


这也是水滴在失重时趋向于缩成球形的原因,因为球形表面积最小,从而表面能最小。很多单细胞微生物呈球形也是因为球形比表面积最大,有利于生物与外界高效交换物质,从而有利于代谢(比表面积对生物的影响)。等周不等式有很多推广,例如一种常见的推广方式就是将其推广到弯曲空间(如曲面)中的情形。


等周不等式揭示了几何图形的区域与边界测度之间的关系。据说古时候有的农民对数学理解很浅,以为周长越大的田地其面积也就越大。毕竟周长比面积更好理解也更容易测量。于是就有人据此行骗,用周长大而面积小的土地交换别人的周长小而面积大的土地。当然,大家现在想起来可能觉得不可思议。事实上,以前我周围都有不识数,买东西不会算账的老人。需要自己去买东西时,家里人知道价格,就提前算好需要多少钱,把钱给它让它用带的所有的钱去指定的地方买需要的东西就行。


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