в математический теория конформный и квазиконформные отображения, то экстремальная длина коллекции кривые это мера размера что инвариантно относительно конформных отображений. Более конкретно, предположим, что это открытый набор в комплексная плоскость и это набор путей в и является конформным отображением. Тогда экстремальная длина равна экстремальной длине образа под . Один также работает с конформный модуль из , величина, обратная экстремальной длине. Тот факт, что экстремальная длина и конформный модуль равны конформные инварианты из делает их полезными инструментами при изучении конформных и квазиконформных отображений. Один также работает с экстремальной длиной в размерах больше двух, а некоторые другие метрические пространства, но нижеследующее относится в основном к двухмерной настройке.
Определение экстремальной длины
Чтобы определить экстремальную длину, нам нужно сначала ввести несколько связанных величин. - открытое множество в комплексной плоскости. Предположим, что это собрание выпрямляемые кривые в . Если является Измеримый по Борелю, то для любой спрямляемой кривой мы позволяем
обозначить -длина , куда обозначаетЕвклидово элемент длины. (Возможно, что .)Что это на самом деле значит? Если параметризуется в некотором интервале ,тогда является интегралом от измеримой по Борелю функции относительно меры Бореля на для которого мера каждого подынтервала длина ограничения к . Другими словами, этоИнтеграл Лебега-Стилтьеса , куда - длина ограничения к .Также установите
В площадь из определяется как
и экстремальная длина из является
где супремум берется по всем измеримым по Борелю с . Если содержит некоторые неспрямляемые кривые и обозначает множество спрямляемых кривых в , тогда определяется как .
Период, термин (конформный) модуль из относится к .
В экстремальное расстояние в между двумя сетами в - экстремальная длина набора кривых в с одной конечной точкой в одном наборе и другой конечной точкой в другом наборе.
Примеры
В этом разделе на нескольких примерах рассчитывается экстремальная длина. Первые три из этих примеров действительно полезны в приложениях экстремальной длины.
Экстремальное расстояние в прямоугольнике
Исправьте некоторые положительные числа , и разреши быть прямоугольником . Позволять - множество всех кривых конечной длины которые пересекают прямоугольник слева направо, в том смысле, что находится на левом краю прямоугольника и находится на правом краю . (Ограничения обязательно существуют, потому что мы предполагаем, что имеет конечную длину.) Докажем, что в этом случае
Во-первых, мы можем взять на . Этот дает и . Определение как супремум тогда дает .
Обратное неравенство не так-то просто. Рассмотрим произвольную измеримую по Борелю такой, что.За , позволять (где мы определяем с комплексной плоскостью). , и поэтому Последнее неравенство можно записать в виде
Интегрируя это неравенство по подразумевает
- .
Теперь замена переменной и применение Неравенство Коши – Шварца дайте
- . Это дает .
Следовательно, , как требуется.
Как показывает доказательство, экстремальная длина совпадает с экстремальной длиной гораздо меньшего набора кривых .
Следует отметить, что экстремальная длина семейства кривых которые соединяют нижний край к верхнему краю удовлетворяет по тому же аргументу. Следовательно, Это естественно назвать свойством двойственности экстремальной длины, и подобное свойство двойственности встречается в контексте следующего пункта. Отметим, что получение нижней оценки на обычно проще, чем получение верхней оценки, так как нижняя оценка предполагает выбор достаточно хорошего и оценка , а оценка сверху предполагает доказательство утверждения обо всех возможных . По этой причине двойственность часто бывает полезной, когда ее можно установить: когда мы знаем, что , нижняя граница переводится в верхнюю границу .
Экстремальное расстояние в кольцевом пространстве
Позволять и быть двумя радиусами, удовлетворяющими . Позволять быть кольцом и разреши и - две граничные компоненты : и . Рассмотрим экстремальное расстояние в между и ; что является экстремальной длиной набора кривых соединение и .
Чтобы получить оценку снизу на , мы принимаем . Тогда для ориентированный из к
С другой стороны,
Мы делаем вывод, что
Теперь мы видим, что это неравенство действительно является равенством, используя аргумент, аналогичный приведенному выше для прямоугольника. Рассмотрим произвольную измеримую по Борелю такой, что . За позволять обозначим кривую . потом
Мы интегрируем и применим неравенство Коши-Шварца, чтобы получить:
Квадрат дает
Отсюда следует оценка сверху В сочетании с нижней границей это дает точное значение экстремальной длины:
Экстремальная длина вокруг кольца
Позволять и быть, как указано выше, но теперь позвольте быть совокупностью всех кривых, которые один раз наматываются вокруг кольца, разделяя из . Используя описанные выше методы, нетрудно показать, что
Это иллюстрирует еще один пример экстремальной двойственности длины.
Экстремальная длина топологически существенных путей в проективной плоскости
В приведенных выше примерах экстремальная что максимизировало соотношение и дал экстремальную длину, соответствующую плоской метрике. Другими словами, когда Евклидово Риманова метрика соответствующей плоской области масштабируется на , результирующая метрика плоская. В случае прямоугольника это была просто исходная метрика, но для кольца идентифицированная экстремальная метрика является метрикой цилиндр. Теперь обсудим пример, когда экстремальная метрика не является плоской. Проективная плоскость со сферической метрикой получается отождествлением противоположные точки на единичной сфере в с его римановой сферической метрикой. Другими словами, это частное сферы по карте . Позволять обозначим множество замкнутых кривых в этой проективной плоскости, не являющихся нуль-гомотопный. (Каждая кривая в получается путем проецирования кривой на сферу из точки на ее антипод.) Тогда сферическая метрика является экстремальной для этого семейства кривых.[1] (Определение экстремальной длины легко распространяется на римановы поверхности.) Таким образом, экстремальная длина равна .
Экстремальная длина путей, содержащих точку
Если - это любой набор путей, каждый из которых имеет положительный диаметр и содержит точку , тогда . Это следует, например, если взять