Введение
Закрытые кривые имеют ≥4 экстремума кривизны. Теорема геометрии о четырех вершинах утверждает, что кривизна вдоль простой, замкнутой, гладкой плоской кривой имеет не менее четырех локальных экстремумов (в частности, не менее двух локальных максимумов и не менее двух локальных минимумов). Название теоремы происходит от условного обозначения крайней точки функции кривизны как вершины. Эта теорема имеет множество обобщений, включая версию для пространственных кривых, где вершина определяется как точка, в которой кручение равно нулю.
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.
Определение и примеры
Кривизна в любой точке гладкой кривой на плоскости может быть определена как величина, обратная радиусу оскулирующего круга в этой точке, или как норма второй производной параметрического представления кривой, параметризованного согласованно с длиной вдоль кривой. Для того чтобы вершины кривой были чётко определены, сама кривизна должна изменяться непрерывно, как это происходит для кривых класса гладкости A. Вершина является тогда локальным максимумом или локальным минимумом кривизны. Если кривизна постоянна на дуге кривой, все точки этой дуги считаются вершинами. Теорема о четырёх вершинах утверждает, что гладкая замкнутая кривая всегда имеет не менее четырёх вершин. Эллипс имеет ровно четыре вершины: две локальные максимумы кривизны, в точках пересечения с большой осью эллипса, и две локальные минимумы кривизны, в точках пересечения с малой осью. В окружности каждая точка является одновременно локальным максимумом и локальным минимумом кривизны, поэтому вершин бесконечно много. Каждая кривая постоянной ширины имеет не менее шести вершин. Хотя многие кривые постоянной ширины, такие как треугольник Рёло, не являются гладкими или имеют круговые дуги на своих границах, существуют гладкие кривые постоянной ширины, которые имеют ровно шесть вершин.
История
Теорема о четырех вершинах была впервые доказана для выпуклых кривых (то есть кривых со строго положительной кривизной) в 1909 году Сиамадасом Мухопадхьяяем. В его доказательстве используется тот факт, что точка на кривой является точкой экстремума функции кривизны тогда и только тогда, когда оскулирующая окружность в этой точке имеет касание четвертого порядка с кривой; в общем случае оскулирующая окружность имеет касание только третьего порядка с кривой. В 1912 году Адольф Кнезер доказал теорему о четырех вершинах для более общих кривых, используя проективный подход.
Доказательство
В течение многих лет доказательство теоремы о четырех вершинах оставалось сложным, но простое и концептуальное доказательство было предложено , основанное на идее минимального охватывающего круга. Это круг, содержащий данную кривую и имеющий наименьший возможный радиус. Если кривая включает в себя дугу круга, то у неё бесконечно много вершин. В противном случае кривая и круг должны касаться друг друга как минимум в двух точках, поскольку круг, касающийся кривой в меньшем количестве точек, можно уменьшить в размере, сохраняя при этом её охват. В каждой точке касания кривизна кривой больше, чем кривизна круга, иначе кривая от точки касания продолжалась бы за пределы круга, а не внутри него. Однако между каждой парой точек касания кривизна должна уменьшаться до значения, меньшего, чем кривизна круга, например, в точке, полученной путем перемещения круга до тех пор, пока он больше не содержит никакой части кривой между двумя точками касания, и рассмотрения последней точки контакта между перемещенным кругом и кривой. Следовательно, между каждой парой точек касания существует локальный минимум кривизны, определяющий две из четырех вершин. Между каждой парой локальных минимумов (не обязательно в точках касания) должен быть локальный максимум кривизны, определяющий две другие вершины.
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
Обратная теорема о четырех вершинах гласит, что любая непрерывная функция, принимающая действительные значения на окружности и имеющая не менее двух локальных максимумов и двух локальных минимумов, является функцией кривизны простой замкнутой плоской кривой. Обратное было доказано для строго положительных функций в 1971 году Германом Глюком как частный случай общей теоремы о задании кривизны n сфер. Полная обратная теорема о четырех вершинах была доказана де незадолго до его смерти в январе 1998 года и опубликована посмертно. Доказательство Дальберга использует аргумент, основанный на числе витков, который в некотором роде напоминает стандартное топологическое доказательство основной теоремы алгебры.
Дискретные вариации
Существует несколько дискретных версий теоремы о четырех вершинах, как для выпуклых, так и для невыпуклых многоугольников. Вот некоторые из них: (Билинский) Последовательность углов выпуклого равностороннего многоугольника с не менее чем четырьмя вершинами имеет не менее четырех экстремумов. Последовательность длин сторон выпуклого равноугольного многоугольника с не менее чем четырьмя сторонами имеет не менее четырех экстремумов. Окружность, описанная вокруг трех последовательных вершин многоугольника с не менее чем четырьмя вершинами, называется экстремальной, если она содержит все остальные вершины многоугольника или не содержит ни одной из них во внутренней области. Такой выпуклый многоугольник называется общим, если у него нет четырех вершин, лежащих на одной окружности. Тогда любой общий выпуклый многоугольник с не менее чем четырьмя вершинами имеет не менее четырех экстремальных окружностей. (Лежандр–Коши) Два выпуклых n-угольника с равными соответствующими длинами сторон имеют либо ноль, либо не менее четырех изменений знака в циклической последовательности соответствующих разностей углов. (А. Д. Александров) Два выпуклых n-угольника с параллельными соответствующими сторонами и равной площадью имеют либо ноль, либо не менее четырех изменений знака в циклической последовательности соответствующих разностей длин сторон. Некоторые из этих вариантов сильнее других, и все они выводят (классическую) теорему о четырех вершинах посредством предельного перехода.
(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.
Обобщения к пространственной кривой
Стереографическая проекция с единично проколотой сферы на плоскость сохраняет критические точки геодезической кривизны. Следовательно, простые замкнутые сферические кривые имеют четыре вершины. Более того, на сфере вершины кривой соответствуют точкам, где её торсия обращается в ноль. Таким образом, для пространственных кривых вершина определяется как точка нулевой торсии. Каждая простая замкнутая пространственная кривая, лежащая на границе выпуклого тела, имеет четыре вершины. Эта теорема может быть обобщена на все кривые, ограничивающие локально выпуклый диск.