Кіріспе
Жабық қисықтардың ≥4 қисықтық экстремумы болады. Геометрияның төрт төбе теоремасы бойынша, қарапайым, жабық, тегіс жазық қисық бойындағы қисықтық кем дегенде төрт жергілікті экстремумға ие (нақтырақ айтқанда, кем дегенде екі жергілікті максимум және кем дегенде екі жергілікті минимум). Теореманың атауы қисықтық функциясының экстремалды нүктесін төбе деп атау қағидасынан туындаған. Бұл теореманың көптеген жалпыламалары бар, оның ішінде кеңістіктегі қисықтарға арналған нұсқасы да бар, онда төбе бұрылыстың нөлге теңесетін нүктесі ретінде анықталады.
The four vertex theorem of geometry states that the curvature along a simple, closed, smooth plane curve has at least four local extrema (specifically, at least two local maxima and at least two local minima). The name of the theorem derives from the convention of calling an extreme point of the curvature function a vertex. This theorem has many generalizations, including a version for space curves where a vertex is defined as a point of vanishing torsion.
Анықтама және мысалдар
Жазықтықтағы тегіс қисықтың кез келген нүктесіндегі қисықтығы, сол нүктедегі тиісті шеңбердің радиусының кері шамасы ретінде немесе қисықтың параметрлік түріндегі екінші туындысының нормасы ретінде анықталуы мүмкін, бұл параметрлеу қисық бойымен өлшенген ұзындыққа сәйкес келуі керек. Қисықтың төбелері дұрыс анықталған болуы үшін, қисықтығының өзі үздіксіз өзгеруі тиіс, бұл тегіс қисықтар үшін тән. Егер қисықтық қисықтың доғасында тұрақты болса, онда осы доғаның барлық нүктелері төбелер болып есептеледі. Төрт төбе туралы теоремаға сәйкес, тегіс жабық қисықта әрқашан кем дегенде төрт төбе болады. Эллипстің дәл төрт төбесі бар: оның үлкен осімен қиылысатын жердегі екі жергілікті максималды қисықтық және кіші осімен қиылысатын жердегі екі жергілікті минималды қисықтық. Шеңберде әрбір нүкте бір мезгілде жергілікті максималды және минималды қисықтыққа ие, сондықтан төбелер саны шексіз. Тұрақты ені бар кез келген қисықта кем дегенде алты төбе болады. Реоль үшбұрышы сияқты тұрақты ені бар көптеген қисықтар тегіс болмаса немесе олардың шекараларында дөңгелек доғалары болса да, дәл алты төбесі бар тұрақты ені бар тегіс қисықтар бар.
Тарих
Төрт түбекті теореманы ең алғаш 1909 жылы Сиамадас Мухопадхая дөңес қисықтар (яғни, қатаң оң қисықтығы бар қисықтар) үшін дәлелдеді. Оның дәлелдемесі қисықтағы нүкте қисықтық функциясының экстремумы болып табылады, егер және тек егер сол нүктедегі тиісті шеңбер қисықпен төртінші реттік жанасуға ие болса; жалпы жағдайда тиісті шеңбер қисықпен үшінші реттік жанасуға ие. 1912 жылы Адольф Кнезер проективті аргумент қолданып, бұл теореманы көбірек жалпылама қисықтар үшін дәлелдеді.
Дәлел
Көп жылдар бойы төрт түбір теоремасының дәлелі қиын болды, бірақ қарапайым және түсіндірмелі дәлелді , ең кішкентай қоршау шеңберінің идеясына негізделген. Бұл – берілген қисықты қамтитын және ең кіші радиусы бар шеңбер. Егер қисық шеңбердің доғасын қамтыса, онда оның шексіз көп нүктесі болады. Әйтпесе, қисық пен шеңбер кем дегенде екі нүктеде жанасуы керек, себебі қисыққа аз нүктеде жанасқан шеңбер оны толығымен қамти отырып, өлшемін кішірейте алады. Әрбір жанасу нүктесінде қисықтың қисықтығы шеңбердің қисықтығынан жоғары болады, әйтпесе қисық жанасу нүктесінен шеңбердің ішіне емес, сыртына қарай жалғасатын болар еді. Дегенмен, әрбір жанасу жұбының арасында қисықтық шеңбердің қисықтығынан төмен болуы керек, мысалы, шеңберді жылжыту арқылы алынған нүктеде – екі жанасу нүктесінің арасындағы қисықтың ешқандай бөлігі қалмайынша және жылжытылған шеңбер мен қисық арасындағы соңғы жанасу нүктесін ескере отырып. Сондықтан, төрт түбірдің екеуін анықтайтын, әрбір жанасу жұбының арасында қисықтықтың жергілікті минимум нүктесі бар. Жергілікті минимумдардың әрбір жұбының арасында (қажетті түрде жанасу нүктелерінде емес) қисықтықтың жергілікті максимум нүктесі болуы керек, бұл қалған екі түбірді анықтайды.
until it no longer contains any part of the curve between the two points of tangency and considering the last point of contact between the translated circle and the curve. Therefore, there is a local minimum of curvature between each pair of tangencies, giving two of the four vertices. There must be a local maximum of curvature between each pair of local minima (not necessarily at the points of tangency), giving the other two vertices.
Конверс
Төрт түбір теоремасының керісі былай гласиды: кем дегенде екі жергілікті максимум және екі жергілікті минимумға ие болған, шеңбердегі үздіксіз, нақты мәнді функция, қарапайым, жабық жазықтық қисықтың қисықтық функциясы болып табылады. Бұл кері теорема 1971 жылы Герман Глюкпен n сфералардың қисықтығын алдын ала белгілеу туралы жалпы теореманың ерекше жағдайы ретінде, қатаң оң функциялар үшін дәлелденген. Төрт түбір теоремасының толық керісі де 1998 жылдың қаңтарында қайтыс болғанға дейін дәлелденді және оның өлімінен кейін жарияланды. Дальбергтің дәлелі айналмалы сан аргументін пайдаланады, ол алгебраның негізгі теоремасының стандартты топологиялық дәлеліне кейбір жағынан ұқсас келеді.
Дискретті өзгерістер
Төрт төбелік теореманың бірнеше дискретті нұсқалары бар, олар дөңгелек және дөңгелек емес көпбұрыштар үшін қолданылады. Міне, олардың кейбіреулері: (Билинский) Кемінде төрт төбесі бар дөңгелек теңқабырғалы көпбұрыштың бұрыштар тізбегінде кемінде төрт экстремум болады. Кемінде төрт қабырғасы бар дөңгелек теңбұрышты көпбұрыштың қабырға ұзындықтары тізбегінде кемінде төрт экстремум болады. (Мюсин) Кемінде төрт төбесі бар көпбұрыштың үш тікелей түйіскен төбелерінен сырттай оратылған шеңбер, егер ол көпбұрыштың қалған барлық төбелерін қамтыса немесе олардың ешқайсысы оның ішінде болмаса, экстремал деп аталады. Мұндай дөңгелек көпбұрыш, егер оның бір шеңберде төрт төбесі болмаса, жалпы деп есептеледі. Осылайша, кемінде төрт төбесі бар әрбір жалпы дөңгелек көпбұрыштың кемінде төрт экстремал шеңбері болады. (Лежандр–Коши) Тең қабырғалары сәйкес келетін екі дөңгелек n-бұрыштың, сәйкес бұрыштарының айырмашылықтарының циклдық тізбегінде нөл немесе кемінде 4 таңба өзгерісі болады. (А. Д. Александров) Параллель сәйкес қабырғалары және тең ауданы бар екі дөңгелек n-бұрыштың, сәйкес қабырға ұзындықтарының айырмашылықтарының циклдық тізбегінде нөл немесе кемінде 4 таңба өзгерісі болады. Бұл түрленулердің кейбіреулері басқаларына қарағанда күштірек, ал олардың барлығы (қалыпты) төрт төбелік теореманы лимит аргументі арқылы білдіреді.
(Bilinski) The sequence of angles of a convex equilateral polygon with at least four vertices has at least four extrema. The sequence of side lengths of a convex equiangular polygon with at least four sides has at least four extrema. (Musin) A circle circumscribed around three consecutive vertices of a polygon with at least four vertices is called extremal if it contains all remaining vertices of the polygon, or has none of them in its interior. Such a convex polygon is generic if it has no four vertices on the same circle. Then every generic convex polygon with at least four vertices has at least four extremal circles. (Legendre–Cauchy) Two convex n gons with equal corresponding side length have either zero or at least 4 sign changes in the cyclic sequence of the corresponding angle differences. (A. D. Alexandrov) Two convex n gons with parallel corresponding sides and equal area have either zero or at least 4 sign changes in the cyclic sequence of the corresponding side lengths differences. Some of these variations are stronger than the other, and all of them imply the (usual) four vertex theorem by a limit argument.
Ғарыш қисығына жалпылау
Бір рет тесілген сферадан жазықтыққа стереографиялық проекция геодезиялық қисықтықтың маңызды нүктелерін сақтайды. Сондықтан, қарапайым жабық сфералық қисық сызықтардың төрт төбесі болады. Бұдан әрі, сферада қисықтың төбелері оның бұрылысы нөлге тең болатын нүктелерге сәйкес келеді. Осылайша, кеңістіктегі қисықтар үшін төбе – бұрылысы нөлге тең болатын нүкте ретінде анықталады. Дөңгелек дененің шекарасында жатқан әрбір қарапайым жабық кеңістіктік қисықтың төрт төбесі болады. Бұл теорема жергілікті дөңгелек дискіні шектеуші барлық қисықтарға жалпыланады.