Минимальная поверхность
Минима́льная пове́рхность, поверхность, у которой средняя кривизна во всех точках равна нулю. Понятие минимальной поверхности возникло при решении следующей вариационной задачи: в пространстве дана некоторая замкнутая кривая; среди всех возможных поверхностей, проходящих через эту кривую, найти такую, для которой часть её, заключённая внутри кривой, имеет наименьшую площадь (минимальную площадь – отсюда название минимальная поверхность). Если заданная кривая плоская, то решением является ограниченная этой кривой часть плоскости. В случае неплоской кривой необходимое условие, которому должна удовлетворять поверхность с минимальной площадью, установлено Ж.-Л. Лагранжем (1760). Несколько позднее Ж.-Б. М. Мёнье предложил геометрическое описание этого условия в форме, эквивалентной требованию обращения в нуль средней кривизны. Хотя это условие не является достаточным, т. е. не гарантирует минимум площади, название «минимальная поверхность» сохраняется для всякой поверхности с нулевой средней кривизной. Если поверхность задана уравнением , то, приравнивая к нулю выражение для средней кривизны, приходят к дифференциальному уравнению с частными производными 2-го порядка
,
где .
Исследованием этого уравнения в различных формах занимались многие математики, начиная с Лагранжа и Г. Монжа. Примерами минимальных поверхностей служат: винтовая поверхность; катеноид – единственная (вещественная) минимальная поверхность среди поверхностей вращения; поверхность Шерка.
Минимальная поверхность имеет во всех точках неположительную полную кривизну. Бельгийский физик Ж. Плато предложил способ моделирования минимальных поверхностей при помощи мыльных плёнок, натянутых на проволочный каркас.