A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
A DOLFO D EL C HIARO
Sul procedimento di arrotondamento di Schwarz
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 2
esérie, tome 2, n
o2 (1933), p. 211-226
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di ADOLFO DEL CHIARO
(Pisa).
Introduzione.
Data una
superficie S
chiusa ecostruita,
mediante ilprocedimento
diSCHWARZ,
la
superficie
S’ di rotazione attorno ad un asseparallelo
all’ asse delle z e racchiu- dente lo stesso volume diS,
è stato dimostrato che S’ ha un’ areapiù piccola (od
alpiù uguale)
diquella
di S. Sez=f(x, y)
èl’equazione
di unasuperficie aperta S,
soddisfacente adopportune condizioni,
e se al contorno del campo D di variabilità di(x, y),
laf(x, y)
ècostante, l’integrale doppio
esprimente
l’ area diS,
ha un valoremaggiore (od uguale)
diquello
relativo allacorrispondente superficie
arrotondata S’.Similmente,
sez=f(x, y)
è ancoral’ equazione
di unasuperficie aperta S
sod-disfacente ad
opportune condizioni,
e se al contorno del campo D di variabilità di(x, y),
laf(x, y)
ècostante,
consideratol’integrale
di DIRICHLETe lo stesso
integrale
relativo allacorrispondente superficie arrotondata,
abbiamodi nuovo che il
primo
èmaggiore
oduguale
al secondo.Inoltre,
se non èf(x, y) 0, l’uguaglianza
siha,
nei duecasi,
soloquando S’
può
ottenersi da S persemplice
traslazione.I casi ora detti furono
considerati,
sottoparticolari ipotesi,
da SCHWARZ(~),
KRAHN
(2)
e FABER(3),
e nella loro formapiù generale,
dal TONELLI.Questo
Autore studiò il
primo
nella Memoria : Sullaproprietà
di minimo della~
(*) Lavoro eseguito nel Seminario Matematico della R. Scuola Normale Superiore di Pisa.
(~) H. A. SCHWARZ : Beweis des Satzes die Kugel kleinen Oberflàche besitzt, als jeder
andere Körper gleichen Volumens [Gesammelte Abhandlungen (Berlin, Springer, 1890), Bd. II,
pp. 327-340].
(2)
E. KRAHN : Ober eine von Rayleigh formulierte Minimaleigenschaft des Kreises (Math.Ann., Bd. 94, 1925, p. 98),
(3)
G. FABER: Beweis, dass unter aller homogenen Membranen von gleicherund gleicher Spannung die Kreisfórmige den tiefsten Grundton gibt (Sitzungsberichte der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 1923, p. 169).
sfera
(4)
ed il secondo nell’ altra : Sur unproblème
de LordRayleigh (5) ;
in
queste
memorie iprocedimenti seguiti
sono diversi.Ci proponiamo
i proponiamo ora di ricercare ora i ricercare unun tipo
IpOgenerale
general e di di funzioni funzioni(()f
’P òX’Õf) ay dipen-
dipen- denti soltantoda af
ax edf/dy,
per lequali valga
la stessaproprietà
sopra indicataay
e cioè per le
quali
1’integrale doppio
sia
maggiore
oduguale
dello stessointegrale
relativo allacorrispondente
super- ficie arrotondata.Per
questa proprietà,
in alcuniimportanti problemi
diminimo,
la ricerca del minimo perl’ integrale doppio
dato si riduce alla ricerca del minimo per un inte-grale semplice.
Di
questo
si è valsoappunto
il ToNELLI nel suo lavoro :problème
de Lord
Rayleigh,
il cui enunciato è ilseguente :
Fra tutti i domini
piani D,
aventi la stessa area, e fra tutte le funzionif(x, y),
date ciascuna su uno dei domini
D,
soddisfacenti a certe condizioni di continuitàe di
derivabilità, uguali
a zero sulla frontiera del dominio D didefinizione,
e taliche
1’ integrale
abbia un valore
dato,
sempre lostesso,
cercare il dominioDo
e la funzionefo(x, y),
definita su
Do,
inguisa
da rendere minimol’integrale
Estendendo
opportunamente
il metodo usato dal TONELLI nel secondo dei lavoriricordati,
siamopervenuti
al teoremagenerale seguente :
Sia una funzione di z soddisfacente alle
seguenti
condizioni :1°)
laè,
perz ->-0,
nonnegativa ;
20)
è continua e non decrescente insieme con la sua derivataprima.
Sia
poi f(x, y)
una funzione continua nel dominio chiusoD, corrispon-
dente al dominio
aperto
e limitato D(6),
assolutamente continua inD,
tale che sia
(4) L. TONELLI : Sulla proprietà di minimo della sfera (Rendiconti del Circolo Matema- tico di Palermo, T. XXXIX, 1915).
(~) L. TONELLI: Sur un problème de Lord Rayleigh (Monatshefte fúr Mathematik und
Physik, Bd. XXXVII, 1930, pp. 253-280).
(6) Il dominio chiuso D corrispondente al dominio aperto e limitato D, è costituito da tutti i punti di D e della sua frontiera.
e tale inoltre che risulti finito
con
A LLora é
essendo
y2)
la funzionecorr2spondente
per arrotondamento allaf(x, 1/),
C il cerchio su cui viene definita
la 99
eNel caso in cui sia sempre
crescente,
ed escluso che sia sempre, inD, f(x, y) 0, l’uguaglianza
nella(I)
haluogo
solamentequando
il do-minio D e la
superficie z=f(x, y)
possono ottenersi persemplice
traslazione del dominio C e dellasuperficie z=~(~’x2 ~- y").
La dimostrazione del teorema enunciato verrà data
dapprima
per le super- ficie Spoliedriche ; poi,
con unpassaggio
allimite,
essa verrà estesa alle super- ficiegenerali.
Inquesto passaggio
allimite,
occorre sfruttare la semicontinuità inferioredell’ integrale considerato,
per stabilire laquale,
ci serviremo dei risul- tati ottenuti dal TONELLI nel suo lavoro : Sur la semi-continuité des inte’-grales
doubles du Calcul des Variations(7).
~
1. - Procedimento di arrotondamento di Schwarz.1. - Sia
f(x, y)
una funzione continua nel dominio chiusoD, corrispondente
al dominio
aperto D,
esupponiamo
che si abbiaChiamato M il massimo di
f(x, y)
inD, consideriamo,
perogni z’
tale chel’insieme
Ez,
deipunti
di D ove si hae
costruiamo,
sulpiano z=z’,
il cerchio avente il centro sull’ asse z e 1’ areauguale
alla misura
m(Ez-)
dell’ insiemeEz,.
L’ insieme di tuttiquesti
cerchi viene cos(7) L. TONELLI : Sur la semi-continuité des intégrales doubles du Calcul des Variations (Acta Math., T. 53, 1929, pp. 325-346).
Annali della Scuola Norm. Pisa. ~ 15
a formare un solido di rivoluzione di asse z. Ora è funzione di z’ sempre decrescente in
(O, M)
e lasuperficie
del solido di rotazione ora formato è data dal cerchio C’ situato nelpiano (x, y),
avente il centronell’ origine
delle coordinateed area
uguale
a e da unasuperficie
di rotazioneInoltre,
indicato con R’ ilraggio
del cerchioC’, 9?(Q)
è una funzione con-tinua
di 9
definita sull’intervallo(0, d~’)
e sempre non crescente. Si hapoi
La funzione
T(Q)
sarà chiamata la funzionecorrispondente
per arrotondamentoa
f(x, y).
Se
f(x, y)
è una funzione assolutamente continua(8)
inD,
detto C il cerchiodel
piano (x, y)
avente per centrol’origine
delle coordinate ed areauguale
am(D)
ed R il suo
raggio,
si dimostra allora che la funzione~(~O)
è assolutamente con-tinua nell’ intervallo
(o, .R) (9)
e la funzioneg~(~(x? + y2)
è assolutamente continua in C’(10).
Abbiamo
poi, quasi-dappertutto
in CS
2. - Alcuni lennui.2. - Prima di passare alla dimostrazione del teorema
generale, già
enunciatonell’ introduzione,
stabiliamo alcunilemmi..
,LEMMA I. - Sia
y(z)
funzzone definita perogni z > o, continua,
deri-vabile e tale che la sua derivata sia funzione non decrescente di z. Presi
q1tattro
numeripositivi qital2tnqize b,’
c,d,
e, si haLa
(2) è, infatti,
laproprietà
caratteristica delle funzioni concave verso l’ alto 3. - LEMMA II. - Sia una funzione definita perogni z ->-0, continua,
derivabile e tale che la sua derivata sia funzione non decrescente di z.
Se a, XI i X2,...., i Xiii Yíy Y 2,...., yn sono dei numeri
positivi qualunque,
si ha(8) Per la definizione di funzioni di due variabili assolutamente continue, cfr. L. TONELLI,
loc. cit.
(5),
p. 255.(9)
Loc. cit.(5),
p. 257.(10) Loc. cit.
(5),
p. 258.(il) Loc. cit.
(5),
p. 259.Per
n = 2,
si hae
questa disuguaglianza
discende subito dalla(2), quando
in essa si ponga Ammesso allora che la(3)
sia verificata per n, si dimostra che vale pern+1.
InfattiLa
(3)
èquindi completamente
dimostrata.4. - LEMMA 111. - Sia una funzione definita per z >
0,
nonnegativa
e, insieme con la sua derivata continua e non decrescente. Sia
poi f(x, y)
una funzione assolutamente continua nel dominioaperto
e limi-tato
D,
continua in tutto il dominio chiuso Dcorrispondente
e costantesulla frontiera di
D;
etale, inoltre,
che esista finitoL’integrale
con
Allora è
possibile
determinare una successione di funzioniF,(x, y), F2(x, y),...., Fn(x, y),...., continue,
insieme con le loro derivateparziali
delprimo ordine,
in tutto un dominioaperto
e limitato D’ contenente nelinterno
D,
e tali da soddisfare in tuttoD,
alladisuguaglianza
ed anche all’altra
La dimostrazione di
questo
lemma trovasi in una Memoria del Dott. S.CINQUINI,
dal titolo:
Su ll’approssim azione
delle funzioni di due variabili(11).
-
§
3. - Un teoreinagenerale.
5. - Si abbia una funzione
f(x, y)
assolutamente continua nel dominioaperto
limitato
D,
continua nelcorrispondente
dominio chiuso D e siano per essa soddi- (12) Annali di Matematica, Serie IV, Tomo XI, 1933, pp. 295-323 ; si veda il n.° 9 a pag. 319.sfatte le condizioni
poste
al n.°1;
siapoi
la funzionecorrispondente
per arrotondamento a
f(x, y).
Chiamato ancora C il cerchio delpiano (x, y)
aventeper centro
l’ origine
delle coordinate ed areauguale
alla misurarn(D)
diD,
eposto,
alsolito,
dimostriamo il teorema enunciato nell’ introduzione.
Come abbiamo
già
avvertito nell’ introduzionemedesima,
supporremo,dap- prima,
che lasuperficie y)
siapoliedrica;
indi passeremo al casogenerale.
Nell’ ipotesi
oradetta, poichè f(x, y)
è una funzionedeterminata,
le facce della nostrasuperficie poliedrica
non saranno maiperpendicolari
alpiano (x, y).
Detto M il massimo valore di
f(x, y)
in D e chiamataQ(z)
la misura del- l’ insiemeEz
deipunti
di D ove si haf(x, y) ~ z,
consideriamo un intervallo(z’, z")
interno all’ intervallo
(0,
e tale che fra e su ipiani z=z’,
z=z" non vi sianovertici della
superficie poliedri-
ca. Nell’intervallo
(z’, z")
la fun-zione
Q(z)
è di secondogrado
e sempre decrescente e la sua
derivata
Q’ (z)
è diprimo grado
e sempre minore di zero :
Dividiama ora 1’ intervallo
(z’, z")
in 7~parti uguali
permezzo dei
punti
....zn=z"
e consideriamo una faccia dellasuperficie poliedrica
che sia incontrata daipiani
z-=z,., con0 --,::~rn.
Siano AB e DC le intersezioni di essa coi
piani
detti ed (i) 1’ area dellaproie-
zione ABC’D’ di ABCD sul
piano
Z=Z1’.Sia inoltre
l’ equazione
delpiano
a cuiappartiene
la facciaconsiderata. Si ha allora
Ma indicando con a 1’
angolo (positivo
e minoredi 2
che ilpiano
indicato forma colpiano (x, y),
abbiamo - ie
quindi
Inoltre,
daltriangolo
AA’E(v. fig. 1)
si hadunque
e
Ne segue
dove il segno
~
è esteso a tutte le facce dellasuperficie poliedrica
incontratadai
piani
z=zr, z=zr+i.Essendo
y~’(z)
una funzione di z nondecrescente,
peripotesi, possiamo
oraapplicare
alla(4)
la(3)
ed abbiamo ’cioè,
osservando chee chiamando la
lunghezza
dell’ intersezione della nostrasuperficie poliedrica
col
piano
z=z(z’ z ~ z"),
Di
qui, poichè
èod
anche,
intendendo chesia,
per otteniamoovvero,
Si ha
perciò
da
cui,
detto D’ il dominioaperto
che si ottieneproiettando
sulpiano (x, y)
laparte
disuperficie poliedrica
compresa fra ipiani z=z’, z=z",
Passando al limite per n
abbiamo, infine,
Aumentiamo ora
progressivamente
la distanza fra ipiani z=z’,
z=z" fino afarli passare per i vertici
più prossimi
dellasuperficie poliedrica.
Dettez’, z"
ledistanze di
questi
vertici dalpiano (x, y),
eD1’
il dominioaperto proiezione
sulpiano (x, y)
dellaparte
disuperficie poliedrica
compresa fra ipiani z=z’, z=z",
abbiamo
E
finalmente,
sommando un numero finito diqueste disuguaglianze,
avremoOra,
per ladisuguaglianza l2(z)
>4nQ(z), poichè la %J è,
peripotesi,
non decre-scente,
per’z > o,
si haMa
posto
da cui si hae
quindi
Sostituendo nella
(6)
si ottienecioè,
per la(1),
Di
qui,
tenendopresente
la(5),
segueLa
(I)
del teorema enunciato nell’introduzione èquindi
dimostrata nel casoin cui
z=f(x, y)
sia unasuperficie poliedrica.
6. - Per passare al caso
generale,
osserviamo anzituttoche,
sotto leipotesi
ammesse,
1’ integrale
èquasi-regolare positivo.
Infatti
(supponendo dapprima
che esista anche la derivata seconda~")
abbiamoe
quindi
Essendo,
per leipotesi fatte,
segue
e
l’integrale
èquasi-regolare positivo.
Se
poi
lay"
nonesiste,
per dimostrare cheID[f]
èquasi-regolare positivo
basterà verificare la
disuguaglianza (13)
Il
primo
membro diquesta disuguaglianza può
scriversi nella formaed essendo sempre
e
il
primo
membro della(7)
risulta~empre
Loc. cit.
(7),
p. 331.con compresa fra
2+q2
e1/p2+q2.
Per essere1~J’
nondecrescente,
l’espressione
ora scritta èsempre > 0
epertanto
la(7)
è verificata.Stabilito cos che
l’integrale IP[f] è quasi-regolare positivo,
osserviamoche,
per il lemma III del n.°
4, possiamo
determinare unpolinomio Pn
tale che siae
Consideriamo allora una successione di
polinomi
in
guisa
che siaper tutti i
punti
di I) ed inoltreIntroduciamo
quindi
una nuova funzioney)
definita in tutto ilpiano
nella maniera
seguente:
Sia
y)
=0 in tutti ipunti (x, y)
non di D e neipunti
di D neiquali
si abbia
e sia nei rimanenti
punti.
Poichè sulla frontiera di D sin
ha
f(x, y) = 0,
segue, dalla(8),
che in talipunti
si ha pureIIn(x, y) =0; pari- menti,
per la continuità dif(x, y),
si haIh2(x, y)
=0 anche neipunti
sufficien-temente vicini alla frontiera. In tutti i
punti
di D abbiamo inoltree
cioè
Infine,
dalla definizione stessa della funzione segueCiò
posto,
costruiamo ancora unasuperficie poliedrica z =-- f,,,(x, y),
inguisa
che siano soddisfatte le
seguenti condizioni,
evidentementecompatibili :
Ora,
dalla(10)
si hae per
1°)
per n - 00 si ha
quindi fn(x, y) - f(x, y),
uniformemente in D. Cos pure, per3°),
dalla
(11)
seguee per la
(9)
Chiamata ora
qn(/z2+y2)
la funzionecorrispondente
per arrotondamentoa
fn(x, y),
per i risultati del n.° 5 abbiamoPassando al limite per n - 00, si ha
poi
uniformemente in C. Ma
poichè
è assolutamente continua e sonoverificate tutte le condizioni
imposte
da un teorema del TONELLI(i4),
si ha lasemicontinuità inferiore di e
quindi
Allora,
per ledisuguaglianze (12)
e(13),
segue finalmenteLa
disuguaglianza (I)
del teorema enunciato èquindi
dimostrata in tutti i casi.7. - Resta ora da dimostrare
che,
se la è funzionecrescente,
ed esclusoche sia sempre, in
D, f(x, y)=O,
nella(15)
il segno diuguaglianza può
aversisolo nel caso in cui il dominio D e la
superficie z=f(x, y)
possono ottenersi per traslazione da C e dallasuperficie
Supponiamo, infatti,
che D e lasuperficie
non possano ottenersi da C e dallasuperficie Z==99(CX2+y2)
persemplice
traslazione. Possiamo allora determinare un intervallo(Zi, Z2)
interno a(O, .2J/)
edun ó > 0
tali che per n abbastanzagrande
e perogni z
di(Zl, Z2)
si abbiadove
1,,(z)
eQn(z)
sono le funzioni eQ(z) corrispondenti
alla super-(14) Loc. cit. (7), p. 344.
ficie
y)
introdotta nel numeroprecedente. Supposto,
come èlecito, ó
1e considerato un altro numero tale che sia
avremo, a
più
forteragione,
perogni z
di(Zí, Z2),
ed essendo
0~~1~
Ma
Qn(z)
è funzione di z noncrescente,
percui,
in tutto(z~, Z2)
èe
quindi
cioè
Detto I 1’ insieme dei due intervalli
(di
cui unopuò
anche esserenullo)
chesi
ottengono
da(0, 1Jf) togliendovi (z,, Z2),
per la(16)
si haMa preso per z un valore
qualunque a > 0
e dato ad a un incrementoh > 0
si hae cos pure
Essendo inoltre
y’(z)
funzione di zpositiva
e nondecrescente,
il valore assuntoin un
punto qualunque z
di(O, h)
è minore o alpiù uguale
diquello
assuntonel a dell’ intervallo
(a,
equindi
ossia
Si avrà
perciò
per cui
e
quindi
Essendo
~y( -z~ =y~(z), possiamo poi
scrivereed
applicando
ladisuguaglianza
di JENSEN(15),
da cui
ossia
Da
quest’ultima disuguaglianza
segue che(15)
J. L. W. V. JENSEN: Sur les fonctions (Acta Math., T. 30, 1906, pp. 175-193).e
poichè Qn(zi) - Qn(Z2) tende,
per n- + unaquantità
finitamaggiore.
dizero,
potremo
determinare un numeroó " > 0,
taleche,
perogni n
abbastanzagrande,
si abbiaLa
(17)
si scriveperciò
In
luogo
delladisuguaglianza
si hadunque
e
quindi
ancheda cui
come,
appunto,
avevamo affermato.Con
questo,
il teorema enunciato nell’ introduzione ècompletamente dimostrato.
Trattiamo,
ora,qualche
casoparticolare.
8. - Un caso
particolare
di funzioney(z)
considerata nel teorema del para-grafo precedente,
si ha perInfatti,
inquesta ipotesi,
èed essendo
m ->- 2,ip(z) i V’(z)
sono entrambe non decrescenti edanzi,
laprima
di esse è funzione di z sempre crescente.
Pertanto, supposte
verificate le condi- zioniposte
nell’enunciato del teoremadimostrato,
relativamente allaf(x, y)
eall’esistenza
dell’integrale
abbiamoD
Si
noti, infine,
che essendo oray(z)
funzione crescentedi z, 1’ uguaglianza,
nella
(18),
avrà sololuogo (escluso
che sia semprequando
il do-minio D e la
superficie
possono ottenersi persemplice
traslazione dal dominio C e dallasuperficie Z==99(~~2+y2).
9. -
Parimenti,
se la funzioney(z)
è unpolinomio
a coefficientipositivi, integrando
termine a termine edapplicando
a ciascun termine il risultato prece-dente,
si ha10. - Più in
generale,
se ècon m, n,...., p reali termine a
termine,
positivi,
abbiamo ancora,integrando
11. - Consideriamo adesso un altro caso
particolare
interessante:dove c è una costante
qualunque
ed m è un numero realequalunque, purchè > 1/2,
e dimostriamo
che,
sef(x, y)
soddisfa a tutte le condizioniimposte
dal teoremagenerale dimostrato,
e se 1’integrale
’
è
finito,
si haInfatti, poichè
èla funzione
y(z), di z,
è sempre crescente.Inoltre,
essendoe
poichè
si ha sempreSono
perciò
verificate tutte le condizioni richieste dal teoremagenerale,
equindi
ècome avevamo asserito.
Anche in
questo
caso è da notare che essendoy(z)
funzionecrescente,
nella(19)
si avrà il segno di
uguaglianza
soloquando (escluso
che sia sempref(x, y)"0)
il dominio D e la
superficie z=f(x, y)
possono ottenersi persemplice
traslazione del cerchio C e dellasuperficie z=~(~‘.~? ~ y2).
12. - Come al n.°
9,
anche ora abbiamoche,
se la funzione1p(z)
è unpoli-
nomio a coefficienti
positivi
inz2,
risulta13. - E
più
ingenerale,
se ècon m, n,...., p reali e
~ 1 ed a, b,....,
cpositivi qualunque,
abbiamo ancoraGiungiamo poi agli
stessirisultati,
facendo delle combinazioni lineari a coef- ficientipositivi
di termini di uno deitipi
visti inquesto paragrafo,
con terminidi uno dei