Parametrización de Weierstrass-Enneper

En matemáticas, la parametrización de Weierstrass-Enneper de superficies mínimas es una pieza clásica de la geometría diferencial.

Alfred Enneper y Karl Weierstraß estudiaron superficies mínimas ya en 1863.

Propiedades

Sean $f$ y $g$ dos funciones en todo el plano complejo o en el disco unitario, donde $g$ es meromorfa y $f$ es analítica, de modo que dondequiera que $g$ tenga un polo de orden $m$ , $f$ tenga un cero de orden $2m$ (o equivalentemente, tal que el producto $fg^{2}$ es holomorfo), y sean $c_{1},c_{2},c_{3}$ constantes. Entonces, la superficie con coordenadas $(x_{1},x_{2},x_{3})$ es mínima, donde las $x_{k}$ se definen usando la parte real de una integral compleja, de la siguiente manera:

{\begin{aligned}x_{k}(\zeta )&{}=\Re \left\{\int _{0}^{\zeta }\varphi _{k}(z)\,dz\right\}+c_{k},\qquad k=1,2,3\\\varphi _{1}&{}=f(1-g^{2})/2\\\varphi _{2}&{}=\mathbf {i} f(1+g^{2})/2\\\varphi _{3}&{}=fg\end{aligned}}

Lo contrario también es cierto: a cada superficie mínima no plana definida sobre un dominio simplemente conexo se le puede dar una parametrización de este tipo.^[1]

Por ejemplo, la superficie de Enneper tiene $f (z)= 1$ , $g (z)= z m$ .

Superficie paramétrica de variables complejas

Las líneas de curvatura forman una cuadrangulación del dominio

El modelo de Weierstrass-Enneper define una superficie mínima $X$ ( $\mathbb {R} ^{3}$ ) en un plano complejo ( $\mathbb {C}$ ). Sea $\omega =u+vi$ (el plano complejo como el espacio $uv$ ), la matriz jacobiana de la superficie se puede escribir como una columna de entradas complejas:

\mathbf {J} ={\begin{bmatrix}\left(1-g^{2}(\omega )\right)f(\omega )\\i\left(1+g^{2}(\omega )\right)f(\omega )\\2g(\omega )f(\omega )\end{bmatrix}}

donde $f(\omega )$ y $g(\omega )$ son funciones holomorfas de $\omega$ .

El jacobiano $\mathbf {J}$ representa los dos vectores tangentes ortogonales de la superficie:^[2]

\mathbf {X_{u}} ={\begin{bmatrix}\operatorname {Re} \mathbf {J} _{1}\\\operatorname {Re} \mathbf {J} _{2}\\\operatorname {Re} \mathbf {J} _{3}\end{bmatrix}}\;\;\;\;\mathbf {X_{v}} ={\begin{bmatrix}-\operatorname {Im} \mathbf {J} _{1}\\-\operatorname {Im} \mathbf {J} _{2}\\-\operatorname {Im} \mathbf {J} _{3}\end{bmatrix}}

La superficie normal está dada por

\mathbf {\hat {n}} ={\frac {\mathbf {X_{u}} \times \mathbf {X_{v}} }{|\mathbf {X_{u}} \times \mathbf {X_{v}} |}}={\frac {1}{|g|^{2}+1}}{\begin{bmatrix}2\operatorname {Re} g\\2\operatorname {Im} g\\|g|^{2}-1\end{bmatrix}}

El jacobiano $\mathbf {J}$ conduce a una serie de propiedades importantes: $\mathbf {X_{u}} \cdot \mathbf {X_{v}} =0$ , $\mathbf {X_{u}} ^{2}=\operatorname {Re} (\mathbf {J} ^{2})$ , $\mathbf {X_{v}} ^{2}=\operatorname {Im} (\mathbf {J} ^{2})$ , $\mathbf {X_{uu}} +\mathbf {X_{vv}} =0$ . Las demostraciones se pueden encontrar en el ensayo de Sharma: la representación de Weierstrass siempre da una superficie mínima.^[3] Las derivadas se pueden utilizar para construir la matriz de la primera forma fundamental:

{\begin{bmatrix}\mathbf {X_{u}} \cdot \mathbf {X_{u}} &\;\;\mathbf {X_{u}} \cdot \mathbf {X_{v}} \\\mathbf {X_{v}} \cdot \mathbf {X_{u}} &\;\;\mathbf {X_{v}} \cdot \mathbf {X_{v}} \end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}1&0\\0&1\end{bmatrix}}

y la matriz de la segunda forma fundamental

{\begin{bmatrix}\mathbf {X_{uu}} \cdot \mathbf {\hat {n}} &\;\;\mathbf {X_{uv}} \cdot \mathbf {\hat {n}} \\\mathbf {X_{vu}} \cdot \mathbf {\hat {n}} &\;\;\mathbf {X_{vv}} \cdot \mathbf {\hat {n}} \end{bmatrix}}

Finalmente, un punto $\omega _{t}$ en el plano complejo se asigna a un punto $\mathbf {X}$ en la superficie mínima en $\mathbb {R} ^{3}$ mediante

\mathbf {X} ={\begin{bmatrix}\operatorname {Re} \int _{\omega _{0}}^{\omega _{t}}\mathbf {J} _{1}d\omega \\\operatorname {Re} \int _{\omega _{0}}^{\omega _{t}}\mathbf {J} _{2}d\omega \\\operatorname {Re} \int _{\omega _{0}}^{\omega _{t}}\mathbf {J} _{3}d\omega \end{bmatrix}}

donde $\omega _{0}=0$ para todas las superficies mínimas del documento, excepto en la superficie mínima de Costa, en la que $\omega _{0}=(1+i)/2$ .

Superficies mínimas embebidas y ejemplos

El dominio fundamental (C) y las superficies 3D. Las superficies continuas están hechas de copias de la celda fundamental (R3)

Una catenaria que abarca puntos periódicos de una hélice, que se gira a lo largo de la hélice para producir una superficie mínima

Los ejemplos clásicos de superficies mínimas completas embebidas en $\mathbb {R} ^{3}$ con topología finita incluyen el plano, la catenoide, el helicoide y la superficie mínima de Costa. La superficie de Costa involucra a las funciones elípticas de Weierstraß $\wp$ :^[4]

g(\omega )={\frac {A}{\wp '(\omega )}}

f(\omega )=\wp (\omega )

donde $A$ es una constante.^[5]

Helicatenoide

Eligiendo las funciones $f(\omega )=e^{-i\alpha }e^{\omega /A}$ y $g(\omega )=e^{-\omega /A}$ se obtiene una familia de superficies mínimas de un parámetro

\varphi _{1}=e^{-i\alpha }\sinh \left({\frac {\omega }{A}}\right)

\varphi _{2}=ie^{-i\alpha }\cosh \left({\frac {\omega }{A}}\right)

\varphi _{3}=e^{-i\alpha }

\mathbf {X} (\omega )=\operatorname {Re} {\begin{bmatrix}e^{-i\alpha }A\cosh \left({\frac {\omega }{A}}\right)\\ie^{-i\alpha }A\sinh \left({\frac {\omega }{A}}\right)\\e^{-i\alpha }\omega \\\end{bmatrix}}=\cos(\alpha ){\begin{bmatrix}A\cosh \left({\frac {\operatorname {Re} (\omega )}{A}}\right)\cos \left({\frac {\operatorname {Im} (\omega )}{A}}\right)\\-A\cosh \left({\frac {\operatorname {Re} (\omega )}{A}}\right)\sin \left({\frac {\operatorname {Im} (\omega )}{A}}\right)\\\operatorname {Re} (\omega )\\\end{bmatrix}}+\sin(\alpha ){\begin{bmatrix}A\sinh \left({\frac {\operatorname {Re} (\omega )}{A}}\right)\sin \left({\frac {\operatorname {Im} (\omega )}{A}}\right)\\A\sinh \left({\frac {\operatorname {Re} (\omega )}{A}}\right)\cos \left({\frac {\operatorname {Im} (\omega )}{A}}\right)\\\operatorname {Im} (\omega )\\\end{bmatrix}}

Eligiendo los parámetros de la superficie como $\omega =s+i(A\phi )$ :

\mathbf {X} (s,\phi )=\cos(\alpha ){\begin{bmatrix}A\cosh \left({\frac {s}{A}}\right)\cos \left(\phi \right)\\-A\cosh \left({\frac {s}{A}}\right)\sin \left(\phi \right)\\s\\\end{bmatrix}}+\sin(\alpha ){\begin{bmatrix}A\sinh \left({\frac {s}{A}}\right)\sin \left(\phi \right)\\A\sinh \left({\frac {s}{A}}\right)\cos \left(\phi \right)\\A\phi \\\end{bmatrix}}

En los extremos, la superficie es una catenoide $(\alpha =0)$ o un helicoide $(\alpha =\pi /2)$ . De lo contrario, $\alpha$ representa un ángulo de la mezcla. La superficie resultante, con un dominio elegido para evitar la autointersección, es una catenaria que gira alrededor del eje $\mathbf {X} _{3}$ de forma helicoidal.

Líneas de curvatura

Se puede reescribir cada elemento de la segunda matriz fundamental en función de $f$ y $g$ , por ejemplo

\mathbf {X_{uu}} \cdot \mathbf {\hat {n}} ={\frac {1}{|g|^{2}+1}}{\begin{bmatrix}\operatorname {Re} \left((1-g^{2})f'-2gfg'\right)\\\operatorname {Re} \left((1+g^{2})f'i+2gfg'i\right)\\\operatorname {Re} \left(2gf'+2fg'\right)\\\end{bmatrix}}\cdot {\begin{bmatrix}\operatorname {Re} \left(2g\right)\\\operatorname {Re} \left(-2gi\right)\\\operatorname {Re} \left(|g|^{2}-1\right)\\\end{bmatrix}}=-2\operatorname {Re} (fg')

Y en consecuencia, la segunda matriz de forma fundamental se puede simplificar como

{\begin{bmatrix}-\operatorname {Re} fg'&\;\;\operatorname {Im} fg'\\\operatorname {Im} fg'&\;\;\operatorname {Re} fg'\end{bmatrix}}

Uno de sus vectores propios es ${\overline {\sqrt {fg'}}}$ , que representa la dirección principal en el dominio complejo.^[6] Por lo tanto, las dos direcciones principales en el espacio $uv$ resultan ser

\phi =-{\frac {1}{2}}\operatorname {Arg} (fg')\pm k\pi /2

Véase también

Familia asociada
Superficie de Bryant, genetada mediante una parametrización análoga en un espacio hiperbólico

Referencias

↑ Dierkes, U.; Hildebrandt, S.; Küster, A.; Wohlrab, O. (1992). Minimal surfaces I. Springer. p. 108. ISBN 3-540-53169-6.
↑ Andersson, S.; Hyde, S. T.; Larsson, K.; Lidin, S. (1988). «Minimal Surfaces and Structures: From Inorganic and Metal Crystals to Cell Membranes and Biopolymers». Chem. Rev. 88 (1): 221-242. doi:10.1021/cr00083a011.
↑ Sharma, R. (2012). «The Weierstrass Representation always gives a minimal surface». arXiv:1208.5689 [math.DG].
↑ Lawden, D. F. (2011). Elliptic Functions and Applications. Applied Mathematical Sciences 80. Berlin: Springer. ISBN 978-1-4419-3090-3.
↑ Abbena, E.; Salamon, S.; Gray, A. (2006). «Minimal Surfaces via Complex Variables». Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica. Boca Raton: CRC Press. pp. 719-766. ISBN 1-58488-448-7.
↑ Hua, H.; Jia, T. (2018). «Wire cut of double-sided minimal surfaces». The Visual Computer 34 (6–8): 985-995. S2CID 13681681. doi:10.1007/s00371-018-1548-0.

Datos: Q7979830

[DHWK-1] Dierkes, U.; Hildebrandt, S.; Küster, A.; Wohlrab, O. (1992). Minimal surfaces I. Springer. p. 108. ISBN 3-540-53169-6.

[2] Andersson, S.; Hyde, S. T.; Larsson, K.; Lidin, S. (1988). «Minimal Surfaces and Structures: From Inorganic and Metal Crystals to Cell Membranes and Biopolymers». Chem. Rev. 88 (1): 221-242. doi:10.1021/cr00083a011.

[3] Sharma, R. (2012). «The Weierstrass Representation always gives a minimal surface». arXiv:1208.5689 [math.DG].

[4] Lawden, D. F. (2011). Elliptic Functions and Applications. Applied Mathematical Sciences 80. Berlin: Springer. ISBN 978-1-4419-3090-3.

[5] Abbena, E.; Salamon, S.; Gray, A. (2006). «Minimal Surfaces via Complex Variables». Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica. Boca Raton: CRC Press. pp. 719-766. ISBN 1-58488-448-7.

[6] Hua, H.; Jia, T. (2018). «Wire cut of double-sided minimal surfaces». The Visual Computer 34 (6–8): 985-995. S2CID 13681681. doi:10.1007/s00371-018-1548-0.

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