等周问题的严格证明

下面来看看“等周问题”的严格证明,先给出该问题的严格形式:

已知周长为的分段光滑简单闭曲线,设其所围平面闭区域的面积为,则有 (1)给出分段光滑简单闭曲线的参数方程。要知道总是可以写出参数方程的,这是因为可以看作是动点的运动轨迹,如下图所示,其中还作出了所围的平面闭区域的正向边界。

的时刻开始运动,时刻的坐标分别为、纵坐标为,从而可推出对应的参数方程,即:

为了后面的计算还需要规定以某种特定的方式运动,之前解释过的速度向量,如下图所示。

在这里我们规定以大小为的恒速进行运动,也就是有:

结合参数方程的弧长计算法,可以计算出走过的曲线长度为,即:

同样的道理,可知对于而言有,这是因为的长度为,所以:

为了之后的计算还需要进一步换元,令,由于,因此有,所以:

因为是封闭曲线,也就是说其首尾相接,所以可推出一个之后要用到的结论:

根据链式法则,此时有:

因为上面推出过,也就是有,其中的自变量换为也是成立的,所以又可推出一个之后要用到的结论:

        (2)原点在质心。其实上面所用坐标系的原点都建立在分段光滑简单闭曲线的质心处,这么做是可以得到一个对之后计算有帮助的推论。

《马同学图解微积分(上)》中介绍过直线的质心,在本课程中介绍过平面和空间的质心,曲线质心的坐标计算公式大同小异,这里直接给出该公式:

其中为曲线的线密度,对于而言可规定其线密度为是弧微分,即;结合上坐标系的原点建立在的质心处,即对于而言有以及。再结合上(1)中得到的,所以对于有:

        (3)算出所围的平面闭区域的上限。之前介绍过借助格林公式求解面积的例题,这里也是类似的,令,则有:

根据格林公式以及对坐标的曲线积分的计算法,所以所围的平面闭区域的面积为:

因为对应的参数方程是抽象的,所以无法算出其所围面积的具体值,但可通过三个不等式进行三次缩放,最终确定的范围:

因为的长度为,所以其所围的平面闭区域为圆时面积取得上述不等式中的最大值,这说明圆是“等周问题”的答案之一。

        (4)那么圆是“等周问题”的唯一答案吗?这需要分析一下(3)中用到的三个不等式,

  • 第一个不等式,取到等号的条件是的符号相同。该不等式是借助定积分正负的推论得出的,即:

  • 第二个不等式,取到等号的条件是。该不等式是借助得出的,即:

  • 第三个不等式为:

    取到等号的条件是。该不等式是借助维廷格函数不等式得出的(该不等式附在本证明的后面),即(其中需要的条件是(1)中推出的,以及(2)中推出的):

综上,所以取得上述不等式中的最大值需要同时满足,“的符号相同”、“”以及“”。据此可得,还可以设(设可以得到一样的结论),所以:

结合上(1)中得到的,可推出:

从而可推出当取得上述不等式中的最大值,曲线坐标需要满足:

上式说明必然是某圆的边界,这说明圆是“等周问题”的唯一答案。顺便解释一下,因为的质心在原点,这实际上是一个初值条件,由此可推出

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