Энергия Уиллмора


Эне́ргия Уи́ллмора (англ. Willmore energy) — конформно-инвариантный функционал на погружениях замкнутой ориентируемой поверхности в (или в ), измеряющий отклонение поверхности от круглой сферы. Назван по имени английского геометра Томаса Джеймса Уиллмора, который в 1965 году начал систематическое изучение функционала и сформулировал гипотезу Уиллмора о торе[1][2].

undefined
undefined

История

Интеграл квадрата средней кривизны как мера упругого изгиба тонкой пластины появляется уже у С. Жермен и С. Д. Пуассона в начале XIX века. В конформной геометрии 1920-х В. Бляшке и Г. Томсен изучали плотность как конформный инвариант поверхности в [3].

В 1965 году Уиллмор предложил рассматривать как «энергию изгиба» замкнутой поверхности, доказал минимум на сферах и высказал гипотезу для торов[1]. Конформную инвариантность в современном виде зафиксировал Дж. Уайт (1973). П. Ли и С.-Т. Яу (1982) получили оценку при самопересечении.

В 1984 году Р. Брайант дал полную классификацию сфер Уиллмора, показав, что они получаются из полных минимальных поверхностей в с конечной полной кривизной путём инверсии. Это установило глубокую связь между теорией Уиллмора и классической теорией минимальных поверхностей[4]. Существование минимизаторов положительного рода доказал Л. Саймон (1993); аналитическая теория потока развита Кувертом, Шеце и Ривьером. Гипотезу Уиллмора доказали Маркиш и Невиш (2012/2014)[2].

undefined

Определение

Пусть  — гладкая (класса ) замкнутая ориентируемая поверхность, погружённая в (вложение не предполагается),  — главные кривизны, средняя кривизна,  — гауссова кривизна,  — элемент площади. Энергией Уиллмора чаще всего называют

Тождественно поэтому с равенством в точности в омбилических точках. По формуле Гаусса — Бонне для замкнутой поверхности

где  — эйлерова характеристика,  — род. Отсюда

Величина неотрицательна и равна нулю только для круглой сферы; она отличается от на топологическую константу и потому имеет те же критические точки при фиксированном топологическом типе. В литературе оба выражения называют энергией Уиллмора; важно фиксировать, какая нормировка имеется в виду. Исходная формулировка «интеграл от минус гауссова кривизна» отвечает именно [1][5].

Альтернативная запись

эквивалентна определению через при соглашении (а не ).

Свойства

  • для любой замкнутой погружённой поверхности в , с равенством тогда и только тогда, когда  — круглая сфера. Эквивалентно, с тем же случаем равенства[1].
  • инвариантна относительно движений и гомотетий . Более того, для замкнутых поверхностей она конформно инвариантна: не меняется при преобразованиях Мёбиуса пространства (инверсии, стереографические проекции). Это наблюдение восходит к Бляшке и Томсену и передоказано Уайтом; именно поэтому для замкнутой поверхности совпадает по критическим точкам с конформно-инвариантной плотностью [6].
  • По неравенству Ли — Яу, если погружение не является вложением (есть точка самопересечения), то [7].
  • Функционал задан на пространстве погружений фиксированного топологического типа (не «топологического пространства») и является предметом вариационного исчисления.
undefined

Критические точки

Критические точки (они же — критические точки при фиксированном роде) называют поверхностями Уиллмора. Уравнение Эйлера — Лагранжа имеет вид

где  — оператор Лапласа — Бельтрами индуцированной метрики. В частности, всякая минимальная поверхность в (после стереографической проекции в ) является поверхностью Уиллмора, поскольку для неё совпадает с площадью в [2].

undefined

Р. Брайант (1984) классифицировал сферы Уиллмора — погружения , являющиеся критическими точками функционала. Они получаются из полных минимальных поверхностей в с конечной полной кривизной и плоскими концами путём инверсии (конформного преобразования). Их энергия принимает значения для целых , кроме ; единственные вложенные среди них — круглые сферы. Формулировка «критические значения — целые числа » неверна: не целое, а спектр энергий — кратные [4].

Для поверхностей рода Л. Саймон доказал существование гладкого вложенного минимизатора [8].

Гипотеза Уиллмора

Уиллмор показал, что среди торов вращения минимум равен и достигается при отношении радиусов  — это стереографическая проекция тора Клиффорда . Он предположил (1965), что

для любого тора в . Гипотезу доказали Ф. К. Маркиш и А. Невиш (анонс 2012, публикация 2014) методами минимакса Альмгрена — Питтса: для всякой вложенной замкнутой поверхности положительного рода , с равенством лишь у конформных образов тора Клиффорда. Вместе с неравенством Ли — Яу это даёт гипотезу и для погружений[2][7].

undefined

Поток Уиллмора

Поток Уиллмора — -градиентный геометрический поток функционала (в исходном тексте коэффициент в не согласован с определением ). Погружение удовлетворяет

где  — единичная нормаль (знак выбирают так, чтобы убывала). Это параболическое уравнение четвёртого порядка: в вариацию входят четвёртые производные положения, как у потока поверхностной диффузии[5].

Для сферических погружений с поток существует бесконечно долго и сходится к круглой сфере (Куверт — Шеце). При большей энергии возможны особенности, связанные со сферами Уиллмора энергии и выше[9].

undefined

Обобщения

Высшие размерности

Для подмногообразий энергия Уиллмора обобщается как

где  — вектор средней кривизны. Конформная инвариантность сохраняется только для . В размерности функционал изучался в связи с конформной геометрией и теорией Янга — Миллса[10].

Погружения в римановы многообразия

Для поверхностей в произвольном римановом многообразии энергия Уиллмора определяется как

где  — секционная кривизна вдоль . В пространствах постоянной кривизны конформная инвариантность может нарушаться, но функционал остаётся естественным объектом вариационного исчисления.

Связь с теорией узлов

Для узлов и зацеплений в определяется энергия Уиллмора узла как инфимум по всем трубчатым поверхностям малой толщины вокруг узла. Эта энергия даёт геометрические инварианты узла и связана с его конформной геометрией[11].

Численные методы

Минимизация энергии Уиллмора и моделирование потока Уиллмора требуют численных методов, так как аналитические решения известны лишь для ограниченного класса поверхностей.

Дискретизация

Для триангулированных поверхностей энергия Уиллмора аппроксимируется через дискретные аналоги средней и гауссовой кривизны. Типичный подход — использовать дискретный оператор Лапласа — Бельтрами и вычислять кривизны через углы дефекта и площади соседних треугольников[12].

Градиентные методы

Поток Уиллмора дискретизируется неявными схемами (например, метод конечных элементов с временной дискретизацией). Из-за четвёртого порядка уравнения требуются малые шаги по времени или неявные методы для устойчивости.

Приложения в компьютерной графике

В геометрическом моделировании минимизация используется для справедливого сглаживания (fairing) сеток: в отличие от потока средней кривизны, конформная инвариантность лучше сохраняет детали при изменении масштаба. Это применяется в CAD-системах и обработке 3D-сканов[13].

Примеры

  1. Круглая сфера радиуса : , , , .
  2. Вытянутый эллипсоид: омбилические точки только в полюсах, на экваторе, .
  3. Тор вращения : при имеем (образ тора Клиффорда). При отверстие схлопывается и .
  4. Поверхность Эннепера (после компактификации инверсией) даёт сферу Уиллмора с и самопересечением, в согласии с Ли — Яу.

Применение

  • Биофизика мембран. Энергия Канема — Гельфриха

описывает замкнутые липидные везикулы; при спонтанной кривизне она сводится к энергии Уиллмора с точностью до топологического члена. Равновесные формы (сфера, дискоцит, стоматоцит) — критические точки этого функционала[14][15].

  • Выворачивание сферы. Минимаксные выворачивания (optiverse и родственные конструкции) строят путь в пространстве погружений , минимизируя пик энергии Уиллмора вдоль пути; это даёт «оптимальные» регулярные эверсии[16].
  • Геометрическое моделирование. Поток и минимизация используются как «справедливое» сглаживание (fairing) сеток: в отличие от потока средней кривизны, конформная инвариантность лучше сохраняет детали при изменении масштаба.
  • Теория относительности. В общей теории относительности масса Хокинга замкнутой поверхности в начальном данных связана с интегралом . Неравенства типа Уиллмора дают геометрические ограничения на квазилокальную массу и энергию гравитационного поля. В частности, для чёрных дыр существуют оценки, связывающие площадь горизонта событий с энергией Уиллмора[17].
undefined

Примечания

  1. 1 2 3 4 Willmore T. J. Note on embedded surfaces // An. Ştiinţ. Univ. Al. I. Cuza Iaşi. — 1965. — Т. 11B. — С. 493–496.
  2. 1 2 3 4 Marques F. C., Neves A. Min-max theory and the Willmore conjecture // Annals of Mathematics. — 2014. — Т. 179, № 2. — С. 683–782. — doi:10.4007/annals.2014.179.2.6.
  3. Блашке В. Введение в дифференциальную геометрию. — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2000. — 232 с. — ISBN 5-7029-0342-0.
  4. 1 2 Bryant R. L. A duality theorem for Willmore surfaces // J. Differential Geometry. — 1984. — Т. 20, № 1. — С. 23–53. — doi:10.4310/jdg/1214438991.
  5. 1 2 Kuwert E., Schätzle R. The Willmore flow with small initial energy // J. Differential Geometry. — 2001. — Т. 57. — С. 409–441.
  6. White J. H. A global invariant of conformal mappings in space // Proc. Amer. Math. Soc.. — 1973. — Т. 38. — С. 162–164.
  7. 1 2 Li P., Yau S.-T. A new conformal invariant and its applications to the Willmore conjecture and the first eigenvalue of compact surfaces // Invent. Math.. — 1982. — Т. 69. — С. 269–291.
  8. Simon L. Existence of surfaces minimizing the Willmore functional // Comm. Anal. Geom.. — 1993. — Т. 1. — С. 281–326.
  9. Kuwert E., Schätzle R. Gradient flow for the Willmore functional // Communications in Analysis and Geometry. — 2002. — Т. 10(2). — С. 307–339. — doi:10.4310/CAG.2002.v10.n2.a4.
  10. Montiel S. Willmore two-spheres in the four-sphere // Transactions of the American Mathematical Society. — 2000. — Т. 352, № 10. — С. 4469–4486.
  11. Мантуров В. О. Теория узлов. — Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. — 512 с. — ISBN 5-93972-404-3.
  12. Meyer M., Desbrun M., Schröder P., Barr A. H. Discrete differential-geometry operators for triangulated 2-manifolds // Visualization and Mathematics III. — 2003. — С. 35–57.
  13. Clarenz U., Diewald U., Rumpf M. Anisotropic geometric diffusion in surface processing // IEEE Visualization. — 2000. — С. 397–405. — doi:10.1109/VISUAL.2000.885721.
  14. Helfrich W. Elastic properties of lipid bilayers: theory and possible experiments // Z. Naturforsch. C. — 1973. — Т. 28. — С. 693–703.
  15. Canham P. B. The minimum energy of bending as a possible explanation of the biconcave shape of the human red blood cell // J. Theor. Biol.. — 1970. — Т. 26. — С. 61–81.
  16. Francis G., Sullivan J. M. Visualizing a sphere eversion. — IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics. — 2004. — Т. 10. — С. 509–515.
  17. Huisken G., Ilmanen T. The inverse mean curvature flow and the Riemannian Penrose inequality // J. Differential Geometry. — 2001. — Т. 59, № 3. — С. 353–437. — doi:10.4310/jdg/1090349447.

Литература

  • Блашке В. Введение в дифференциальную геометрию. — Ижевск: Издательский дом «Удмуртский университет», 2000. — 232 с. — ISBN 5-7029-0342-0.
  • Мантуров В. О. Теория узлов. — Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2005. — 512 с. — ISBN 5-93972-404-3.
  • Bryant R. L. A duality theorem for Willmore surfaces // J. Differential Geometry. — 1984. — Т. 20. — С. 23–53. — doi:10.4310/jdg/1214438991.
  • Li P., Yau S.-T. A new conformal invariant and its applications to the Willmore conjecture and the first eigenvalue of compact surfaces // Invent. Math.. — 1982. — Т. 69. — С. 269–291. — doi:10.1007/BF01399507.
  • Willmore T. J. Note on embedded surfaces // An. Ştiinţ. Univ. Al. I. Cuza Iaşi. — 1965. — Т. 11B. — С. 493–496.
  • Willmore T. J. Riemannian Geometry. — Oxford University Press, 1993. — 318 с. — ISBN 0-19-853253-9.

Дополнительно по теме