-еформации поверхностей положительной внешней кривизны с краем в римановом пространстве при внешних связях

На правах рукописи

Коломыцева Елена Алексеевна

-деформации поверхностей

положительной внешней кривизны с краем

в римановом пространстве при внешних связях

01.01.04 - геометрия и топология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Казань 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО

«Таганрогский государственный педагогический институт имени А.П. Чехова»

на кафедре алгебры и геометрии

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор физико-математических наук,

профессор Фоменко Валентин Трофимович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Бикчантаев Ильдар Ахмедович;

доктор физико-математических наук,

профессор Кокарев Виктор Николаевич.

Ведущая организация: ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

Защита состоится 21 февраля 2013 года в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.081.10 при ФГАОУ ВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 35, Казанский (Приволжский) федеральный университет, ауд. 610.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского (Приволжского) федерального университета.

Автореферат разослан ____ января 2013 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из важных разделов дифференциальной геометрии «в целом» является теория деформаций поверхностей в трехмерном евклидовом и римановом пространствах.

Бесконечно малые деформации занимают значительное место в теории деформаций двумерных поверхностей. Из геометрических и механических соображений целесообразно изучать бесконечно малые деформации поверхностей, для которых некоторые геометрические характеристики поверхности имеют наперед заданные значения вариаций. К настоящему времени достаточно полно изучены бесконечно малые изгибания поверхностей, характеризующиеся условием , где - первая квадратичная форма поверхности; бесконечно малые деформации поверхности с сохранением поточечно сферического образа поверхности, характеризующиеся условием , где - единичный вектор нормали поверхности (эти деформации коротко называют бесконечно малыми -деформациями); бесконечно малые деформации поверхности с сохранением элемента площади поверхности, описываемые условием (так называемые бесконечно малые -деформации) и другие. Вопросы изгибаний поверхностей нашли отражение в работах А.Д. Александрова, А.В. Погорелова, Н.В. Ефимова, В.Т. Фоменко, С.Б. Климентова и других авторов. Вопросы -деформаций поверхностей в евклидовом пространстве изучались в работах В.Ф. Кагана, Ю.А. Аминова, В.Т. Фоменко и других. Бесконечно малые -деформации поверхностей в пространстве были изучены в работах В.Т. Фоменко и И.А. Бикчантаева. Задачи, связанные с бесконечно малыми -деформациями поверхностей, изучались в работах Л.Л. Бескоровайной.

В работах О.Н. Бабенко исследовались бесконечно малые деформации поверхностей в евклидовом пространстве , сохраняющие элемент площади поверхности и поточечно сферический образ поверхности (так называемые бесконечно малые -деформации), при различных внешних связях.

Бесконечно малые деформации поверхностей в римановом пространстве изучены не достаточно полно. Бесконечно малые деформации поверхностей, определяемые только нормальным смещением точек поверхности, в римановом пространстве изучены B.Y. Chen и K. Yano и названы бесконечно малыми нормальными деформациями.

В.Т. Фоменко была сформулирована задача о бесконечно малых деформациях поверхностей в римановом пространстве, при которых поле единичных нормальных к поверхности векторов переносится параллельно в смысле Леви-Чивита вдоль траектории точек поверхности при её деформации и остается при этом нормальным полем к деформированной поверхности. Такие деформации В.Т. Фоменко назвал бесконечно малыми -деформациями поверхностей в римановом пространстве.

В работах В.Т. Фоменко изучались бесконечно малые -деформации поверхностей с краем в римановом пространстве, подчиненных условию , где - элемент площади поверхности, - средняя кривизна поверхности, - нормальное смещение точек поверхности при её деформации, - произвольно заданный числовой параметр, называемый коэффициентом рекуррентности. Такие бесконечно малые деформации В.Т. Фоменко называет бесконечно малыми ареально-рекуррентными -деформациями поверхностей с коэффициентом рекуррентности (коротко бесконечно малыми -деформациями).

В работах В.Т. Фоменко изучались бесконечно малые -деформации гиперповерхностей, подчиненных вдоль края внешней связи , где - единичный вектор нормали поверхности вдоль края, - поле деформации. Эту внешнюю связь В.Т. Фоменко назвал условием защемления края гиперповерхности при её бесконечно малой -деформации в римановом пространстве.

Условие защемления поверхности вдоль края является частным случаем условия обобщенной втулочной связи, записываемой в виде

, (1)

где - заданное вдоль края поверхности векторное поле, не обращающееся в ноль, - заданная функция. В связи с этим В.Т. Фоменко поставил задачу изучения бесконечно малых -деформаций поверхностей с коэффициентом рекуррентности при условии обобщенной втулочной связи в римановом пространстве. Эту задачу в частном случае рассматривала В.В. Сидорякина. Именно, В.В. Сидорякиной изучались бесконечно малые -деформации поверхностей с коэффициентом рекуррентности при следующих предположениях:

1) риманово пространство является пространством типа Лобачевского; это означает, что метрика пространства в координатах задается формулой , , ;

2) поверхность с гладким краем в задается уравнением , , имеет положительную внешнюю кривизну и является -связной;

3) поверхность подвергается бесконечно малой -деформации с коэффициентом рекуррентности , где , где - некоторый числовой интервал, определяемый поверхностью и пространством;

4) внешняя связь вдоль края поверхности является условием обобщенной втулочной связи (1), где векторное поле вдоль края однозначно определяется некоторой функцией , - заданная функция.

Бесконечно малые -деформации поверхностей при более слабых предположениях, чем в работах В.В. Сидорякиной, ранее не изучались.

В настоящей работе изучаются бесконечно малые -деформации поверхностей с коэффициентом рекуррентности в римановом пространстве при следующих предположениях:

1) пространство является произвольным римановым пространством с метрикой , , ;

2) поверхность с гладким краем задается в уравнениями , , имеет положительную внешнюю кривизну и является -связной;

3) поверхность подвергается бесконечно малой -деформации с коэффициентом рекуррентности , где;

4) внешняя связь вдоль края поверхности является обобщенной втулочной связью вида , где - заданная функция, - не обращающееся в ноль векторное поле, заданное вдоль края поверхности.

Важное место в теории деформаций занимают непрерывные деформации поверхностей. Непрерывные -деформации односвязных поверхностей в евклидовом пространстве при различных внешних связях изучались в работах О.Н. Бабенко.

В настоящей работе изучаются непрерывные -деформации -связных поверхностей в евклидовом пространстве при условии обобщенной втулочной связи.

Цель работы. Целью данной работы является исследование и описание поведения -связных поверхностей положительной внешней кривизны при бесконечно малых (в римановом пространстве) и непрерывных (в евклидовом пространстве) -деформациях, подчиненных вдоль края условию обобщенной втулочной связи.

Научная новизна диссертации. Научная новизна работы определяется следующими результатами, полученными автором:

1. Изучено поведение поверхностей положительной внешней кривизны с гладким краем в отношении бесконечно малых -деформаций со всевозможными коэффициентами рекуррентности при заданной обобщенной втулочной связи в римановом пространстве;
2. Найдены условия, при которых поверхности положительной внешней кривизны с гладким краем в римановом пространстве допускают или не допускают бесконечно малые -деформации со всевозможными коэффициентами рекуррентности при заданной обобщенной втулочной связи;
3. Изучено поведение поверхностей положительной внешней кривизны с гладким краем в отношении бесконечно малых -деформаций с фиксированным коэффициентом рекуррентности при различных обобщенных втулочных связях в римановом пространстве;
4. Найдены условия, при которых различные обобщенные втулочные связи являются корректными относительно бесконечно малых -деформаций поверхностей положительной внешней кривизны с заданным коэффициентом рекуррентности в римановом пространстве;
5. Выделены однопараметрические с параметром , , семейства обобщенных втулочных связей, порождаемые векторными полями , такие, что для каждого семейства существует счетное множество значений таких, что при обобщенная втулочная связь, порождаемая полем , является некорректной; при поверхность допускает единственную бесконечно малую -деформацию при заданном коэффициенте рекуррентности и заданной обобщенной втулочной связи;
6. Изучены непрерывные -деформации поверхностей положительной гауссовой кривизны с гладким краем при условии обобщенной втулочной связи в евклидовом пространстве;
7. Найдены условия, при которых поверхности положительной гауссовой кривизны в евклидовом пространстве допускают непрерывные -деформации при заданной обобщенной втулочной связи.

Теоретическая и практическая ценность. Работа носит теоретический характер. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях по геометрии «в целом», а также при построении раздела спецкурса по теории деформаций поверхностей.

Апробация работы. Основные результаты данного исследования докладывались и обсуждались на научных семинарах Таганрогского государственного педагогического института имени А.П. Чехова, Казанского (Приволжского) федерального университета, Южного федерального университета и были представлены на X Всероссийском Симпозиуме по прикладной и промышленной математике (Сочи – Дагомыс, 1-8 октября 2009г.), на XVII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (Москва, 12-15 апреля 2010г.), на международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований’2011» (Одесса, 15-28 марта 2011г.), на международной конференции «Современные проблемы математики и её приложения в естественных науках и информационных технологиях», посвященной 50-летию образования механико-математического факультета ХНУ им. В.Н. Каразина (Харьков, 17-22 апреля 2011г.), на международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований’2012» (Одесса 20-31 марта 2012 г.).

Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в десяти работах, список которых приводится в конце автореферата. Работы [1]–[3] опубликованы в журналах, входивших в список ВАК России на момент публикации, работы [4]-[9] опубликованы в материалах международных конференций.

Связь работы с научными проектами и заданиями. Работа выполнена при частичной финансовой поддержке государственного задания Министерства образования и науки РФ ФГБОУ ВПО «ТГПИ имени А.П. Чехова» по проекту № 1.423.2011, тема «Реализация метрик положительной кривизны в виде поверхностей с заданной опорой», научный руководитель – Фоменко В.Т.

Структура диссертации. Работа состоит из содержания, введения, четырех глав и списка литературы из 36 названий. Объем диссертации составляет 86 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава является вспомогательной. В ней изложены основные сведения для уравнений с частными производными и основные понятия римановой геометрии.

Во второй главе изучаются бесконечно малые -деформации поверхностей со всевозможными коэффициентами рекуррентности , подчиненных фиксированной обобщенной втулочной связи.

Рассмотрим трёхмерное риманово пространство с координатами и метрикой , где , .

Пусть - поверхность, заданная уравнениями , , где - функции класса , , - некоторая замкнутая область евклидовой плоскости . Пусть, далее, граница области принадлежит классу , . Эти условия будем называть условиями регулярности поверхности в римановом пространстве .

Пусть поверхность подвергнута бесконечно малой деформации : , , где - малый параметр, , , - поле бесконечно малой деформации.

Бесконечно малую деформацию поверхности называют бесконечно малой ареально-рекуррентной -деформацией с коэффициентом рекуррентности (коротко бесконечно малой -деформацией), если выполняются условия: 1) вариация элемента площади поверхности удовлетворяет соотношению , где - средняя кривизна поверхности , - заданное число, называемое коэффициентом рекуррентности, - поле единичных векторов нормалей к поверхности ;

2) деформация поверхности является бесконечно малой -деформацией, то есть для любой точки поверхности её единичный вектор нормали , параллельно перенесенный в в смысле Леви-Чивита в направлении вектора в соответствующую точку поверхности , совпадает с вектором нормали к в этой точке.

Бесконечно малую деформацию поверхности с полем называют тождественной.