在
数学中,极小曲面是指
平均曲率为零的
曲面。举例来说,满足某些约束条件的面积最小的曲面。
物理学中,由最小化面积而得到的极小曲面的实例可以是沾了肥皂液后吹出的
肥皂泡。肥皂泡的极薄的表面薄膜称为皂液膜,这是满足周边空气条件和肥皂泡吹制器形状的表面积最小的表面。
平均曲率为零的曲面。平均曲率定义为:,其中 表示两个主曲率。给定一条闭曲线,可以设想蒙在这条闭曲线上的所有曲面中,有一个面积最小者,这个具有最小面积的曲面正是极小曲面。平面是仅有的极小可展曲面。除平面外,旋转极小曲面都是悬链面,直纹极小曲面都是正螺面。
2)悬链曲面:由悬链线围绕其水平准线
旋转而得到的曲面。这是最早发现的“不寻常”的极小曲面。悬链曲面状的皂液膜可以由将两个等大的圆环紧贴放入肥皂水中,拿出后再缓慢分开得到;
3)
螺旋曲面:一个线段沿着垂直于其中点的直线匀速螺旋上升时扫过的曲面。这是继悬链曲面后发现的第二种不寻常的极小曲面;
给定一个嵌入曲面,或更一般的,一个浸入曲面(其边界一般固定,但不一定有界),定义其
平均曲率如下:
令 是曲面 上一点,考虑 上过 的所有曲线 。每条这样的 在 点有一个伴随的曲率 。在这些曲率 中,至少有一个
极大值 与极小值 ,这两个曲率 称为 的
主曲率。
而极小曲面是指每一点上的平均曲率都是0的曲面。这种曲面的研究始于有关满足一定的约束条件(比如边界固定或容纳体积满足一定条件)下表面积最小的曲面,因此被称为“极小曲面”。实际上极小曲面所囊括的内涵比此类最小面积曲面更广泛。极小曲面的定义还可以扩展到恒定平均曲率曲面,即曲面上由平均曲率等于某个常数的点组成的子曲面。当这个常数等于零的时候, 恒定平均曲率曲面就是极小曲面。极小曲面是
平均曲率流的
临界点。
著名的普拉托实验是把围成封闭曲线的金属丝放入肥皂溶液中,然后取出来,由于表面张力的作用,在它上面就蒙有表面积最小的薄膜。这种表面积最小的曲面就是所谓极小曲面,从数学上求这膜曲面的问题称为普拉托问题。这个问题可以用变分法来解。
从变分学观点看,可以考虑以已知闭曲线Γ为固定边界的曲面的法向变分。由欧拉-
拉格朗日方程(见
变分法),对于任何这样的变分,曲面面积达到临界值的充要条件是曲面的平均曲率为0。因此,通常就用这个几何条件来定义极小曲面。
在三维欧氏空间中,若一张曲面可用方程来表示,则称它为图,或非参数化曲面。由极小条件,中极小图的满足下述二阶非线性椭圆型
微分方程: