Вкорочувальний потік

Вкорочувальний потік — процес, що змінює гладку криву на площині переміщенням її точок перпендикулярно до кривої зі швидкістю, що дорівнює її кривині.

Вкорочувальний потік вивчається переважно як найпростіший приклад геометричного потоку[en], зокрема дозволяє відпрацювати техніку для роботи з потоком Річчі і з потоком середньої кривини.

Рівняння

Однопараметричне сімейство кривих є розв'язком вкорочувального потоку, якщо для будь-якого значення параметра маємо

де  — кривина зі знаком кривої у точці і  — одиничний вектор нормалі до кривої у точці .

Властивості

  • Якщо початкова крива проста і замкнута, вона залишається такою під впливом вкорочувального потоку.
  • Для простої замкнутої кривої вкорочувальний потік визначено на максимальному інтервалі .
    • При крива стягується в точку.
  • Площа обмежена кривою зменшується зі сталою швидкістю.
    • Зокрема момент стягування в точку повністю визначений площею, обмеженою кривою: .
  • Якщо початкова крива не є опуклою, її максимальне абсолютне значення кривини зменшується монотонно, доки вона стане опуклою.
  • Для опуклої кривої ізопериметричне відношення зменшується, і перш ніж зникнути в точці сингулярності, крива прямує формою до кола[1].
  • Дві прості гладкі замкнуті криві, що не перетинаються, залишаються неперетинними, поки одна з них не стягнеться в точку.
  • Коло — єдина проста замкнута крива, яка зберігає свою форму в потоці.
    • Деякі криві зі самоперетинами, а також криві нескінченної довжини, зберігають форму.

Застосування

  • Вкорочувальний потік на сфері дає одне з доведень задачі Арнольда про існування хоча б чотирьох точок перегину в будь-якій гладкій кривій, яка розрізає сферу на рівновеликі диски[2].

Примітки

  1. Gage, M. E. (1984), «Curve shortening makes convex curves circular», Inventiones Mathematicae 76 (2): 357—364, doi:10.1007/BF01388602
  2. Angenent, Sigurd. «Inflection points, extatic points and curve shortening.» Hamiltonian systems with three or more degrees of freedom. Springer Netherlands, 1999. 3-10.