औसत वक्रता प्रवाह

गणित में विभेदक ज्यामिति के क्षेत्र में, औसत वक्रता प्रवाह रीमैनियन मैनिफोल्ड (उदाहरण के लिए, 3-डायमेंशनल यूक्लिडियन अंतरिक्ष में चिकनी सतहें) में डिफरेंशियल ज्योमेट्री और टोपोलॉजी H की शब्दावली के ज्यामितीय प्रवाह का उदाहरण है। सहजता से, सतहों का एक परिवार औसत वक्रता प्रवाह के अनुसार विकसित होता है यदि सतह के औसत वक्रता द्वारा सतह पर चलने वाले वेग के सामान्य घटक को दिया जाता है। उदाहरण के लिए, एक गोल क्षेत्र औसत वक्रता प्रवाह के अनुसार सामान्यतः अंदर की ओर सिकुड़ कर विकसित होता है (चूंकि गोले का औसत वक्रता सदिश अंदर की ओर होता है)। विशेष स्थितियों को छोड़कर, औसत वक्रता प्रवाह गणितीय विलक्षणता विकसित करता है।

सामान्यतः संलग्न मात्रा स्थिर है, इसे सतही तनाव प्रवाह कहा जाता है।

यह एक परवलयिक आंशिक अंतर समीकरण है, और इसकी स्मूथिंग के रूप में व्याख्या की जा सकती है।

अस्तित्व और विशिष्टता

परवलयिक ज्यामितीय प्रवाह के लिए हैमिल्टन के सामान्य अस्तित्व प्रमेय के अनुप्रयोग के रूप में माइकल गेज और रिचर्ड एस हैमिल्टन द्वारा निम्नलिखित दिखाया गया था।

$M$ कों एक कॉम्पैक्ट स्मूथ मैनिफोल्ड होने दे,$(M',g)$ कों एक पूर्ण चिकनी रिमैनियन मैनिफोल्ड होने दें और $f:M\to M'$ कों सहज इमर्शन (गणित) होने दे। फिर एक सकारात्मक संख्या है $T$, जो अनंत हो सकता है, और निम्नलिखित गुणों के साथ एक मानचित्र $F:[0,T)\times M\to M'$ है |

• $F(0,\cdot )=f$
• $F(t,\cdot ):M\to M'$ किसी $t\in [0,T)$ के लिए एक सहज इमर्शन है
• जैसा $t\searrow 0,$ किसी के पास $F(t,\cdot )\to f$ में $C^{\infty }$
• किसी के लिए $(t_{0},p)\in (0,T)\times M$, वक्र का व्युत्पन्न $t\mapsto F(t,p)$ पर $t_{0}$ के सदिश के बराबर है $p$ पर $F(t_{0},\cdot )$के औसत वक्रता सदिश है |
• यदि ${\widetilde {F}}:[0,{\widetilde {T}})\times M\to M'$ उपरोक्त चार गुणों वाला कोई अन्य मानचित्र है, तो किसी के लिए ${\widetilde {T}}\leq T$ और ${\widetilde {F}}(t,p)=F(t,p)$ $(t,p)\in [0,{\widetilde {T}})\times M.$है |

अनिवार्य रूप से $F$ से,$(0,T)\times M$ का प्रतिबंध $C^{\infty }$ है |

एक प्रारंभिक डेटा के साथ $F$ कों (अधिकतम विस्तारित) औसत वक्रता प्रवाह के रूप में संदर्भित करता है |

अभिसरण प्रमेय

रिक्की प्रवाह पर हैमिल्टन के 1982 के कार्य के बाद, 1984 में गेरहार्ड ह्यूस्केन ने निम्नलिखित अनुरूप परिणाम उत्पन्न करने के लिए औसत वक्रता प्रवाह के लिए समान विधियों को नियोजित किया:

• यदि $(M',g)$ यूक्लिडियन स्थान है $\mathbb {R} ^{n+1}$, जहां $n\geq 2$ $M$ के आयाम को दर्शाता है , तब $T$ अनिवार्य रूप से परिमित है। यदि 'प्रारंभिक इमर्शन' का दूसरा मौलिक रूप $f$ सख्ती से सकारात्मक है, फिर इमर्शन का दूसरा मौलिक रूप $F(t,\cdot )$है | हर $t\in (0,T)$ और इसके अतिरिक्त यदि कोई फलन$c:(0,T)\to (0,\infty )$ कों चुनता है किसी के लिए सख्ती से सकारात्मक भी है , ऐसा है कि रिमेंनियन की मात्रा $(M,(c(t)F(t,\cdot ))^{\ast }g_{\text{Euc}})$$t$ से स्वतंत्र है , फिर ऐसे $t\nearrow T$ इमर्शन $c(t)F(t,\cdot ):M\to \mathbb {R} ^{n+1}$ सुचारू रूप से इमर्शन में परिवर्तित हो जाते हैं जिसकी आकृति में $\mathbb {R} ^{n+1}$ गोल क्षेत्र है।

ध्यान दें कि यदि $n\geq 2$ और $f:M\to \mathbb {R} ^{n+1}$ एक चिकनी हाइपरसफेस इमर्शन है जिसका दूसरा मौलिक रूप सकारात्मक है, फिर गॉस का मानचित्र $\nu :M\to S^{n}$ एक भिन्नता है, और इसलिए कोई शुरू से ही जानता है कि $M$,$S^{n}$ के लिए अलग-अलग है और, प्राथमिक अंतर टोपोलॉजी से, कि ऊपर विचार किए गए सभी निमज्जन अंत:स्थापन हैं।

गेज़ और हैमिल्टन ने ह्युस्केन के परिणाम को $n=1$ तक आगे बढ़ाया गया . मैथ्यू ग्रेसन (1987) ने दिखाया कि यदि $f:S^{1}\to \mathbb {R} ^{2}$ कोई सहज अंत:स्थापन है, तो प्रारंभिक डेटा के साथ औसत वक्रता प्रवाह $f$ के साथ सकारात्मक वक्रता में अंतत: विशेष रूप से अंतःस्थापन होते हैं, जिस बिंदु पर गेज और हैमिल्टन का परिणाम लागू होता है। सारांश:

• यदि $f:S^{1}\to \mathbb {R} ^{2}$ सहज अंत:स्थापन है, तो औसत वक्रता प्रवाह पर विचार करें $F:[0,T)\times S^{1}\to \mathbb {R} ^{2}$ प्रारंभिक डेटा $f$ के साथ . तब $F(t,\cdot ):S^{1}\to \mathbb {R} ^{2}$$t\in (0,T)$ प्रत्येक के लिए एक सहज अंत:स्थापन है और वहाँ उपस्थित है $t_{0}\in (0,T)$ ऐसा है कि $F(t,\cdot ):S^{1}\to \mathbb {R} ^{2}$ प्रत्येक के लिए सकारात्मक (बाह्य) वक्रता है $t\in (t_{0},T)$. यदि कोई फलन का चयन करता है | सी ह्यूस्केन के परिणाम के रूप में, तब के रूप में $t\nearrow T$ अंत:स्थापन $c(t)F(t,\cdot ):S^{1}\to \mathbb {R} ^{2}$ आसानी से एक अंत:स्थापन में अभिसरण करें जिसकी आकृति एक गोल वृत्त है।

गुण

औसत वक्रता प्रवाह चरमीकरण सतह क्षेत्र, और न्यूनतम सतह औसत वक्रता प्रवाह के लिए महत्वपूर्ण बिंदु हैं; मिनीमा आइसोपेरिमेट्रिक समस्या को हल करता है।

काहलर-आइंस्टीन मेट्रिक काहलर-आइंस्टीन मैनिफोल्ड में सन्निहित मैनिफोल्ड के लिए, यदि सतह लैग्रैन्जियन सबमेनिफोल्ड है, तो औसत वक्रता प्रवाह लैग्रैंगियन प्रकार का है, इसलिए सतह लाग्रंगियन सबमनीफोल्ड के वर्ग के अन्दर विकसित होती है।

ह्यूस्केन का मोनोटोनिकिटी सूत्र औसत वक्रता प्रवाह से गुजरने वाली सतह के साथ टाइम-रिवर्टेड गर्म गिरी के कनवल्शन का मोनोटोनिसिटी गुण देता है।

संबंधित प्रवाह हैं:

• वक्र-छोटा प्रवाह, औसत वक्रता प्रवाह का आयामी मामला
• सतह तनाव प्रवाह
• लाग्रंगियन औसत वक्रता प्रवाह
• प्रतिलोम औसत वक्रता प्रवाह

त्रि-आयामी सतह का औसत वक्रता प्रवाह

$z=S(x,y)$ द्वारा दिए गए सतह के औसत-वक्रता प्रवाह के लिए अंतर समीकरण द्वारा दिया गया है

${\frac {\partial S}{\partial t}}=2D\ H(x,y){\sqrt {1+\left({\frac {\partial S}{\partial x}}\right)^{2}+\left({\frac {\partial S}{\partial y}}\right)^{2}}}$

साथ $D$ वक्रता और सतह की सामान्य गति से संबंधित एक स्थिर है, और

औसत वक्रता है |

${\begin{aligned}H(x,y)&={\frac {1}{2}}{\frac {\left(1+\left({\frac {\partial S}{\partial x}}\right)^{2}\right){\frac {\partial ^{2}S}{\partial y^{2}}}-2{\frac {\partial S}{\partial x}}{\frac {\partial S}{\partial y}}{\frac {\partial ^{2}S}{\partial x\partial y}}+\left(1+\left({\frac {\partial S}{\partial y}}\right)^{2}\right){\frac {\partial ^{2}S}{\partial x^{2}}}}{\left(1+\left({\frac {\partial S}{\partial x}}\right)^{2}+\left({\frac {\partial S}{\partial y}}\right)^{2}\right)^{3/2}}}.\end{aligned}}$

सीमा में $\left|{\frac {\partial S}{\partial x}}\right|\ll 1$ और $\left|{\frac {\partial S}{\partial y}}\right|\ll 1$, जिससे सतह लगभग सामान्य के साथ समतल हो

z अक्ष के समानांतर, यह एक प्रसार समीकरण को कम करता है

${\frac {\partial S}{\partial t}}=D\ \nabla ^{2}S$

जबकि पारंपरिक प्रसार समीकरण रैखिक परवलयिक आंशिक अंतर समीकरण है और विकसित नहीं होता है

विलक्षणताएं (जब समय में आगे चलती हैं), औसत वक्रता प्रवाह विलक्षणताएं विकसित कर सकता है क्योंकि यह एक अरैखिक परवलयिक समीकरण है। सामान्यतः अतिरिक्त बाधाओं को एक सतह पर रखने की आवश्यकता होती है जिससे विलक्षणताओं को रोका जा सकता है |

औसत वक्रता बहती है।

प्रत्येक चिकनी उत्तल सतह औसत-वक्रता प्रवाह के अनुसार एक बिंदु तक गिर जाती है, अन्य विलक्षणताओं के बिना, और ऐसा करने पर गोले के आकार में परिवर्तित हो जाती है। दो या दो से अधिक आयामों की सतहों के लिए यह गेरहार्ड ह्यूस्केन का एक प्रमेय है; एक आयामी वक्र-छोटा प्रवाह के लिए यह गेज-हैमिल्टन-ग्रेसन प्रमेय है। चूकिं, गोले के अतिरिक्त दो या दो से अधिक आयामों की एम्बेडेड सतहें उपस्थित हैं जो स्व-समान रहती हैं क्योंकि वे औसत-वक्रता प्रवाह के अनुसार एक बिंदु पर अनुबंधित होती हैं, जिसमें वे एक टोरस बनाते हैं भी सम्मिलित है।

विलक्षणताएं (जब समय में आगे चलती हैं), औसत वक्रता प्रवाह विलक्षणताएं विकसित कर सकता है क्योंकि यह एक अरैखिक परवलयिक समीकरण है। सामान्यतः

उदाहरण: एम-आयामी क्षेत्रों का औसत वक्रता प्रवाह

औसत वक्रता प्रवाह का सरल उदाहरण $\mathbb {R} ^{m+1}$ में संकेंद्रित गोल अति क्षेत्र के परिवार द्वारा दिया गया है . $R$ का औसत वक्रता $m$त्रिज्या का आयामी क्षेत्र है $H=m/R$.

गोले की घूर्णी समरूपता के कारण (या सामान्यतः, आइसोमेट्री के अनुसार औसत वक्रता के आक्रमण के कारण) औसत वक्रता प्रवाह समीकरण $\partial _{t}F=-H\nu$ सामान्य अंतर समीकरण को कम कर देता है त्रिज्या $R_{0}$ के प्रारंभिक क्षेत्र के लिए, ,

${\begin{aligned}{\frac {\text{d}}{{\text{d}}t}}R(t)&=-{\frac {m}{R(t)}},\\R(0)&=R_{0}.\end{aligned}}$

इस ओडीई का समाधान (प्राप्त, उदाहरण के लिए, चरों को अलग करके) है

$R(t)={\sqrt {R_{0}^{2}-2mt}}$,

जिसके $t\in (-\infty ,R_{0}^{2}/2m)$ के लिए उपस्थित है |

संदर्भ

• Ecker, Klaus (2004), Regularity Theory for Mean Curvature Flow, Progress in Nonlinear Differential Equations and their Applications, vol. 57, Boston, MA: Birkhäuser, doi:10.1007/978-0-8176-8210-1, ISBN 0-8176-3243-3, MR 2024995.
• Mantegazza, Carlo (2011), Lecture Notes on Mean Curvature Flow, Progress in Mathematics, vol. 290, Basel: Birkhäuser/Springer, doi:10.1007/978-3-0348-0145-4, ISBN 978-3-0348-0144-7, MR 2815949.
• Lu, Conglin; Cao, Yan; Mumford, David (2002), "Surface evolution under curvature flows", Journal of Visual Communication and Image Representation, 13 (1–2): 65–81, doi:10.1006/jvci.2001.0476, S2CID 7341932. See in particular Equations 3a and 3b.