Formule de Steiner-Minkowski - Définition

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Remarques

Mesure de la surface

Pour un ensemble "suffisamment irrégulier" A, la quantité \lambda (\partial A) ne correspond pas nécessairement à la mesure (n − 1)-dimensionnelle du bord \partial A de A. Voir Federer (1969) pour un traitement complet de ce problème.

Ensembles convexes

Quand l'ensemble A est convexe, la limite inférieure ci-dessus est une vraie limite et on peut montrer

\mu \left( A + \overline{B_{\delta}} \right) = \mu (A) + \lambda (\partial A) \delta + \sum_{i = 2}^{n - 1} \lambda_{i} (A) \delta^{i} + \omega_{n} \delta^{n},

λi est une fonction continue sur A et ωn désigne la mesure (ou volume) de la boulé unité de \mathbb{R}^{n} :

\omega_{n} = \frac{2 \pi^{n / 2}}{n \Gamma (n / 2)},

avec Γ désignant la fonction gamma.

Enoncé de la formule

Soit n \geq 2 , et A \subsetneq \mathbb{R}^{n} un ensemble compact. Soit μ(A) la mesure de Lebesgue (volume) de A. On définit la quantité \lambda (\partial A) par la formule suivante (formule de Minkowski-Steiner):

\lambda (\partial A) := \liminf_{\delta \to 0} \frac{\mu \left( A + \overline{B_{\delta}} \right) - \mu (A)}{\delta},

avec

\overline{B_{\delta}} := \left\{ x = (x_{1}, \dots, x_{n}) \in \mathbb{R}^{n} \left| | x | := \sqrt{x_{1}^{2} + \dots + x_{n}^{2}} \leq \delta \right. \right\}

désignant la boule fermée de rayon δ > 0, et

A + \overline{B_{\delta}} := \left\{ a + b \in \mathbb{R}^{n} \left| a \in A, b \in \overline{B_{\delta}} \right. \right\}

est la somme de Minkowski de A et \overline{B_{\delta}} , d'où

A + \overline{B_{\delta}} = \left\{ x \in \mathbb{R}^{n} \left| | x - a | \leq \delta \mbox{ pour } a \in A \right. \right\}.

Exemple : volume et surface d'une boule

Prenons A = \overline{B_{R}} qui donne la formule de l'aire de la sphère de rayon R, S_{R} := \partial B_{R} :

\lambda (S_{R}) = \lim_{\delta \to 0} \frac{\mu \left( \overline{B_{R}} + \overline{B_{\delta}} \right) - \mu \left( \overline{B_{R}} \right)}{\delta}
= \lim_{\delta \to 0} \frac{[ (R + \delta)^{n} - R^{n} ] \omega_{n}}{\delta}
= nRn − 1ωn,

avec ωn défini ci-dessus.

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