質問<497>
「「体積一定での表面積」」
日付 2001/5/29
質問者 冷え性


どうにもこうにも解らないので、教えて下さい。

体積が一定の場合、表面積が最小となるのは「球」であることが証明で
きません。

高校数学の範囲を越えた解法でもよいので是非教えて下さい。
よろしくお願いします。

お返事(武田)
日付 2001/5/29
回答者 武田


インターネットの検索で、佐藤郁郎さんの「Ikuro's Home Page」を発見
しました。そのホームページの「多様体の微分幾何?」に関するところに
あった説明が解答として相応しいので、掲載しました。感謝!!

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【1】クマはなぜ丸くなって冬眠するか(等周不等式)
 
 平面凸集合に関して,周の長さLが一定で面積Aが最大の図形(面積
が一定で周の最小な図形)は円であるという事実は古代ギリシアの時代
からよく知られています.そのことはL2 ≧4πAという不等式で表現
されます.等号は円のときだけ成立します.
 
 同様に,3次元凸集合に対し,表面積をS,体積をVとすると
3 ≧36πV2 が成り立ちます.
等号成立は球のときだけで,すべての立体中で球が表面積に対して最大
の体積をもっています.
 
 ところで,シャボン玉はなぜ丸くなるのでしょうか? 等周不等式
  S3 ≧36πV2
に関係していることは直感的に発想できるでしょうが,後述するように,
等周不等式は平均曲率一定曲面と密接な関わりをもっています.
 
 また,クマやリスなど動物達は(この定理を知っているから)丸くなっ
て冬眠しますが,(この定理を知らない)酔っぱらいのオヤジは往来に
大の字になって寝ていて凍死するはめになるというわけです.
 
 さて,立体図形のS3 /V2 は平面図形のL2 /A
の相当していて,「等周比」あるいは「等周定数」と呼ばれます.
そこで,等周不等式
  L2 ≧4πA
  S3 ≧36πV2
をどんな次元にも適用できるように公式化してみましょう.
 
 半径rのn次元超球の体積はVnrn ,表面積はnVnrn-1 となりますから,
等周比を無次元化するために,
  n次元等周比=表面積n /体積n-1
と定義すると,
  n次元等周比≧nn Vn=nn π\(\frac{n}{2}\) /Γ(\(\frac{n}{2}\)+1)(=Cn)
を得ることができます.等号は超球のときに限ります.
 
 この証明はVn=π\(\frac{n}{2}\) /Γ(\(\frac{n}{2}\)+1)であることが理解できれば
簡単ですが,少々長くなるのでコラム「幾何の問題(PartⅡ)」に譲ること
にします.
 
 とくに,n=2のときとn=3のときについては,
  C2 =4π
  C3 =36π
になることがわかります.以下,
  C4 =27 π2
  C5 =\(\frac{8}{3}\)*54 π2
  C6 =65 π3
  ・・・・・・・
となりますが,等周比が有理数(整数)×πの形となるのは,
2次元・3次元だけのようです.

お便り
日付 2001/5/30
回答者 佐藤 郁郎


お役に立てて光栄です.転載は一向に構いません.

「球」であることの証明は,一般的には「シュタイナーの対称化」
でなされるようですが,凸体であって対称性のある図形といえば
「球」なのですから,直感的に正しいことは誰しもわかると思います.

むしろ,シュタイナーの証明を見てしまうと,
狐につままれたような感じになり,これで
本当に証明になっているか疑問が残りました.