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数学物理学报, 2021, 41(2): 296-302 doi:

论文

R3中四面体的Bonnesen型等周不等式

曾春娜,1, 彭璐,1, 马磊,2, 王星星,3

The Bonnesen-Style Isoperimetric Inequalities of the Tetrahedral in R3

Zeng Chunna,1, Peng Lu,1, Ma Lei,2, Wang Xinxin,3

通讯作者: 王星星, E-mail: m13098792429@163.com

收稿日期: 2020-01-7  

基金资助: 国家自然科学基金.  11801048
重庆市自然科学基金.  cstc2020jcyj-msxmX0609
重庆市教育委员会科学技术研究项目.  KJQN201900530
重庆市留学人员创新创业支持计划.  cx2018034
重庆市留学人员创新创业支持计划.  cx2019155
广东省普通高校特色创新项.  2020KTSCX358

Received: 2020-01-7  

Fund supported: the NSFC.  11801048
the NSF of Chongqing.  cstc2020jcyj-msxmX0609
the Technology Research Foundation of Chongqing Educational Committee.  KJQN201900530
the Venture & Innovation Support Program for Chongqing Overseas Returnees.  cx2018034
the Venture & Innovation Support Program for Chongqing Overseas Returnees.  cx2019155
the Characteristic Innovation Project of Guangdong Universities.  2020KTSCX358

作者简介 About authors

曾春娜,E-mail:zengchn@163.com , E-mail:zengchn@163.com

彭璐,E-mail:cqkx95@163.com , E-mail:cqkx95@163.com

马磊,E-mail:maleiyou@163.com , E-mail:maleiyou@163.com

Abstract

This paper mainly studies Bonnesen-type isoperimetric inequalities and reverse Bonnesen-type isoperimetric inequalities of tetrahedron in R3. For a given tetrahedron in R3, by appling the relations of the surface area, volume, radius of inscribed sphere and radius of circumscribed radius, two important geometric inequalities are constructed, some Bonnesen-type isoperimetric inequalities of tetrahedron are obatainand, and a new simple proof of isoperimetric inequality of tetrahedron is achieved. Furthermore, by using the upper bound estimates of the isoperimetric deficit of tetrahedral, we obtain two reverse Bonnesen-type isoperimetric inequalities of tetrahedron of the expressions radius of inscribed sphere and radius of circumscribed radius.

Keywords: Tetrahedron ; Bonnesen-type isoperimetric inequality ; Reverse Bonnesen-type isoperimetric inequality

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本文引用格式

曾春娜, 彭璐, 马磊, 王星星. R3中四面体的Bonnesen型等周不等式. 数学物理学报[J], 2021, 41(2): 296-302 doi:

Zeng Chunna, Peng Lu, Ma Lei, Wang Xinxin. The Bonnesen-Style Isoperimetric Inequalities of the Tetrahedral in R3. Acta Mathematica Scientia[J], 2021, 41(2): 296-302 doi:

1 引言

积分几何又称几何概率, 起源于1977年的Buffon投针问题. 其中的度量就是积分, 1869年Crofton找到这些积分之间的巧妙关系; 1896年, Poincaré 高瞻远瞩, 引入运动密度的观念, 把积分几何建立在李群的基础上; 1935–1939年间, Blaschke及其学派以Integral Geometry为总标题的一系列文章的主要根源在于几何概率, 目的是考虑能否将概率的思想有效地应用在几何方面, 特别是凸体理论和大范围微分几何上, 这标志着积分几何作为一门独立的数学分支产生; 1940年前后, 陈省身先生和Weil将局部紧群上不变测度引入积分几何, 从而形成齐性空间积分几何, 使积分几何的内容和结果更加丰富完美. 到目前为止积分几何已发展为现代数学的一个重要而活跃的学科.

积分几何研究的基本对象是几何元素的集合, 如点偶、直线、带域、线性子空间等. 一方面, 我们关注这些几何元素集在某种变换群上不变的几何测度; 另一方面我们关注这些几何元素的的几何不变量, 如体积、曲率、表面积等之间的关系. 通常这些几何不变量会满足一些等式或不等式关系, 称之为几何等式或不等式. 几何不等式自上世纪50年代以来已成为几何中非常重要的分支, 与其他数学分支密切相关, 应用非常广泛.

经典的等周不等式或许是最古老的几何不等式之一: 欧氏平面R2中周长固定的域中圆围成的面积最大. 其数学表达如下(参见文献[1-4]).

命题1.1   设D为欧氏平面R2中周长为L面积为A的域, 则

L24πA0,

其中等号成立的充分必要条件是D为圆.

D的等周亏格定义为

Δ(D)=L24πA.

等周亏格刻画了面积为A的平面域D与半径为2πL的圆的偏离程度.

1921年左右, Bonnesen找到了如下一系列不等式(称之为Bonnesen型不等式)

Δ(D)BD,
(1.1)

这里BD是具有下列性质的几何不变量

(1) BD为非负的;

(2) BD=0当且仅当K为圆盘.

最经典的Bonnesen型不等式是下列不等式(参见文献[2, 4]).

命题1.2   欧氏平面R2中面积为A周长为L的域D满足不等式

L24πAπ2(reri)2,
(1.2)

其中rire分别为D的最大内切圆半径及最小外接圆半径, 等号成立当且仅当D为圆盘.

近期, 周家足、张新民、朱保成、徐文学等对等周亏格的下界估计得到不少新的研究成果, 参见文献[5, 7-8, 12-13].

命题1.3   设D是面积为A的平面区域, 边界K是长度为L的简单闭曲线满足不等式

L24πAπ2(Rr)2;L24πA(L2πr)2;L24πA(L2At)2;L24πA(Atπt)2;L24πAA2(1r1R)2;L24πAL2(RrR+r)2;

其中rire分别为D的最大内切球半径和最小外接球半径, ritre, 每个等号成立当且仅当D为圆盘.

关于R3中凸体K的Bonnesen型不等式, 根据张高勇在文献[11] 中关于凸体的混合体积的不等式可得到体积为V,表面积为A的凸体K的Bonnesen型等周不等式为

A336πV236π(3V34π3r)6,
(1.3)

其中rK中最大内切球半径, 等号成立当且仅当K为球.

从经典的等周问题出发, 衍生出更多与多边形或多面体有关的等周问题, 我们将其称之为等周问题的离散情形. 如考虑欧氏空间R3中, 当多面体为四面体时, Sturm于1884年给出四面体的等周不等式的证明[15]. 但由于四面体本身的复杂性和局限性, 目前关于四面体的一系列几何不等式如Bonnesen型不等式、逆Bonnesen型不等式少之甚少. 受张高勇获得的(1.4)式启发, 我们猜测四面体或许存在如下形式的Bonnesen型等周不等式

A327kV227k(3V3kr)6.
(1.4)

并且我们考虑能否简化R3中四面体的等周不等式的证明. 在本文中, 第2部分我们将给出R3中较R.Sturm更为简洁的四面体的等周不等式的证明方法, 进一步地, 获得四面体的几个新的Bonnesen型不等式, 包括(1.2)式; 第3部分, 将研究R3中四面体的逆Bonnesen型不等式.

2 四面体的Bonnesen型不等式

R3中表面积为A的四面体D, 设其内切球半径为R, 外接球半径为r. 基于表面积、体积、内切球半径之间的等式关系r=3AV, 我们可以得到如下引理(参见文献[15-17]).

引理2.1   设DR3中体积为V,表面积为A, 内切球半径和外接球半径分别为r,R的四面体, 则

3kr2A;  kr3VkR327,

其中k=83, 等号成立当且仅当D为正四面体.

定理2.1   设DR3中体积为V, 表面积为A, 内切球半径为r的四面体, 则有如下不等式成立

A327kV2A2(A3kr)2,

其中k=83, 等号成立当且仅当D为正四面体.

   由于r=3VA, 则

A327kV2=A2(A3k(3VA)2)=A2(A3kr2).

根据引理2.1以及a2b2(ab)2 (其中ab>0), 可得

A3kr2=(A)2(3kr)2(A3kr)2.

因为a2b2(ab)2 (其中ab>0)中等号成立当且仅当a=b (参见文献[17]), 因此

A327kV2A2(A3kr)2,

等号成立当且仅当D为正四面体.

推论2.1   设DR3中体积为V表面积为A的四面体, 则

A327kV20,

其中k=83, 等号成立当且仅当D为正四面体.

定理2.2   设DR3中体积为V, 表面积为A, 内切球半径为r的四面体, 则有如下不等式成立

A327kV227k(Vkr3)2,

其中k=83, 等号成立当且仅当D为正四面体.

   由推论2.1可知

027kV2A31;  0A327kV2A31,

所以

27kV2(A327kV2)A61.

因此

A327kV227kV2(A327kV2)A6(A327kV2)=3k(3VA)2[A3k(3VA)2]2.

又因r=3VA, 则

3k(3VA)2[A3k(3VA)2]2=3k[3V3k(3VA)3]2=27k(Vkr3)2,

所以

A327kV227k(Vkr3)2,

等号成立当且仅当D为正四面体.

定理2.3   设DR3中体积为V, 表面积为A, 内切球半径为r的四面体, 则有如下不等式成立

A327kV227k(3V3kr)6,

其中k=83, 等号成立当且仅当D为正四面体.

   由定理2.2

A327kV227k(Vkr3)2,

又根据引理2.1以及a3b3(ab)3 (其中ab>0), 可得

Vkr3=(3V)3(3kr)3(3V3kr)3.

因为a3b3(ab)3 (其中ab>0) 中等号成立当且仅当a=b (参考文献[17]), 由引理2.1可知

A327kV227k(3V3kr)6,

等号成立当且仅当D为正四面体.

3 四面体的逆Bonnesen型不等式

当数学家们在努力寻求那些等周亏格的下界BD时, 另一个自然的问题是: 是否存在几何意义深刻的不变量UD使得

Δ(D)=L24πAUD,

其中UD是具有下列性质的几何不变量: (1) UD是非负的; (2)只有当D是圆盘时U=0.

关于等周亏格的研究有很长历史, 但它依然是几何和分析中一个重要问题. 遗憾的是我们还没有发现一般的上界估计, 目前仅有的结果是欧氏平面中极为特殊的卵形域情形. 一般区域及高维等周亏格的上界估计进展缓慢.

1933年, 对于边界至少C2光滑的严格凸域D, Bottema提出了以下著名的等周亏格上界估计(参见文献[4, 14]).

命题3.1   设DR2中的光滑的严格凸域, 且边界D的曲率ρ>0, 其面积为A, 周长为L.ρmρM分别为D的边界D的曲率半径的最小值和最大值, 则

L24πAπ2(ρMρm)2,

等号成立当且仅当ρM=ρm, 即D为圆盘.

1955年Pleijel[6]得到L24πAπ(4π)(ρMρm)2,这改进了Bottema的结果.

最近周家足、马磊、岳双珊和曾春娜等获得了一般凸域的逆Bonnesen型不等式一些新进展, 参见文献[5, 9-10].

命题3.2   设D是欧氏平面R2中长度为L, 面积为A的凸域, 记rire分别为D的最大内切圆半径和最小外接圆半径, 则有

L24πA2πL(reri);L24πA4π2(r2er2i);L24πAπL2A(r2er2i);

其中等号成立当且仅当D为圆.

类似于一般凸体等周亏格的定义, 在这里我们定义Δ(K)=A327kV2(k=83)为四面体的等周亏格, 用以比较一般四面体与正四面体的差别程度, 其中A, V分别为四面体的表面积和体积.

由引理2.1与推论2.1及其四面体的性质r=3VA, 我们可得到如下引理.

引理3.1   设DR3中体积为V, 表面积为A的四面体, 设rR分别为D的内切球半径与外接球半径, 则有如下不等式成立

r=3VA3VK3A3kR3,

其中k=83, 等号成立同时成立当且仅当D为正四面体.

定理3.1   设DR3中体积为V, 表面积为A, 内切球半径为r, 外接球半径为R的四面体, 则有如下不等式成立

A327kV23kA2[(R3)2r2],

   由

r=3VAA3kR3,

r2=(3VA)2A3k(R3)2,

因此

A3k(3VA)2(R3)2r2,

A327kV23kA2[(R3)2r2].

其中k=83, 等号成立同时成立当且仅当D为正四面体.

定理3.2   设DR3中体积为V, 表面积为A, 内切球半径和外接球半径分别为r,R的四面体, 则有如下不等式成立

A327kV2kA2V[(R3)3r3],

其中k=83, 等号成立同时成立当且仅当D为正四面体.

   由

r=3VA3VkR3,

r3=(3VA)2Vk(R3)3,

因此

Vk(3VA)2(R3)2r2,

A327kV2kA2V[(R3)3r3].

其中k=83, 等号成立同时成立当且仅当D为正四面体.

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