Willmore energía


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Escultura "Willmore Surface" en la Universidad de Durham en memoria de Thomas Willmore

En geometría diferencial , la energía Willmore es una medida cuantitativa de cuánto se desvía una superficie dada de una esfera redonda . Matemáticamente, la energía Willmore de una superficie cerrada lisa incrustada en el espacio euclidiano tridimensional se define como la integral del cuadrado de la curvatura media menos la curvatura gaussiana . Lleva el nombre del geómetra inglés Thomas Willmore .

Definición

Expresada simbólicamente, la energía Willmore de S es:

donde es la curvatura media , es la curvatura gaussiana , y dA es la forma área de S . Para una superficie cerrada, según el teorema de Gauss-Bonnet , la integral de la curvatura gaussiana se puede calcular en términos de la característica de Euler de la superficie, por lo que

que es un invariante topológico y, por tanto, independiente de la incrustación particular en la que se eligió. Por tanto, la energía de Willmore se puede expresar como

Una fórmula alternativa, pero equivalente, es

donde y son las principales curvaturas de la superficie.

Propiedades

La energía Willmore es siempre mayor o igual a cero. Una esfera redonda tiene cero energía Willmore.

La energía Willmore se puede considerar funcional en el espacio de empotramientos de una superficie dada, en el sentido del cálculo de variaciones , y se puede variar el empotramiento de una superficie, dejándola topológicamente inalterada.

Puntos críticos

Un problema básico en el cálculo de variaciones es encontrar los puntos críticos y mínimos de un funcional.

Para un espacio topológico dado, esto equivale a encontrar los puntos críticos de la función

ya que la característica de Euler es constante.

Se pueden encontrar mínimos (locales) para la energía Willmore por descenso de gradiente , que en este contexto se denomina flujo Willmore.

Para las incrustaciones de la esfera en el espacio tridimensional, los puntos críticos se han clasificado: [1] todos son transformaciones conformes de superficies mínimas , la esfera redonda es el mínimo y todos los demás valores críticos son números enteros mayores o iguales a 4 . Se llaman superficies Willmore.

Willmore fluye

El flujo de Willmore es el flujo geométrico correspondiente a la energía de Willmore; es un - flujo de gradiente .

donde H representa la curvatura media de la variedad .

Las líneas de flujo satisfacen la ecuación diferencial:

donde es un punto que pertenece a la superficie.

Este flujo conduce a un problema de evolución en la geometría diferencial : la superficie está evolucionando en el tiempo para seguir las variaciones del descenso más pronunciado de la energía. Al igual que la difusión superficial , es un flujo de cuarto orden, ya que la variación de la energía contiene cuartas derivadas.

Aplicaciones

  • Las membranas celulares tienden a posicionarse de manera que minimizan la energía Willmore. [2]
  • La energía de Willmore se utiliza para construir una clase de eversiones de esfera óptimas , las eversiones minimax .

Ver también

  • Willmore conjetura

Notas

  1. ^ Bryant, Robert L. (1984), "Un teorema de dualidad para superficies Willmore" , Journal of Differential Geometry , 20 (1): 23-53, MR  0772125.
  2. ^ Müller, Stefan; Röger, Matthias (mayo de 2014). "Estructuras confinadas de menor energía de flexión" . Revista de geometría diferencial . 97 (1): 109-139. doi : 10.4310 / jdg / 1404912105 .

Referencias

  • Willmore, TJ (1992), "A survey on Willmore immersions", Geometry and Topology of Submanifolds, IV (Lovaina, 1991) , River Edge, NJ: World Scientific, págs. 11-16, MR  1185712.
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