Geometrische Maßtheorie

Die Geometrische Maßtheorie ist das Studium geometrischer Eigenschaften durch die Maßtheorie. Sie liegt zwischen der Differentialgeometrie und der Topologie und liefert allgemeinere Ansätze als die Differentialgeometrie, da auch Flächen und Abbildungen mit Singularitäten betrachtet werden. Sie ist ein wichtiges Hilfsmittel in der Theorie der partiellen Differentialgleichungen und der Variationsrechnung.

Klassische Anwendungsprobleme sind Minimalflächen mit Singularitäten und nichtlineare partielle Differentialgleichungen mit Singularitäten.

Geschichte Bearbeiten

Eines der ältesten Probleme der geometrischen Maßtheorie ist der Beweis der Existenz einer Minimalfläche, wobei eine Randbedingungen vorgegeben ist. Dieses Problem nennt man Plateau-Problem.

Zu den ersten Arbeiten auf dem Gebiet der geometrischen Maßtheorie gehören die Resultate von Abram Besikowitsch.

In den 1950–1960er Jahren erschienen fundamentale Resultate von Mathematikern wie Ennio De Giorgi, Ernst Robert Reifenberg, Herbert Federer und Wendell Fleming. Der Begriff des Stroms stammt von Georges de Rham.

Als einer der Meilensteine gilt die Arbeit Normal and Integral Currents^[1] von Federer und Fleming.

Maße Bearbeiten

Grundlegende Begriffe sind das $m$ -dimensionale Hausdorff-Maß ${\mathcal {H}}^{m}$ und das $m$ -dimensionale sphärische Maß ${\mathcal {S}}^{m}$ .

Hausdorff-Maß und sphärisches Maß Bearbeiten

Radon-Maß Bearbeiten

Dichte eines Maßes Bearbeiten

Sei $\Omega _{m}$ das $m$ -dimensionale Volumen der Einheitskugel im euklidischen Raum

\Omega _{m}={\frac {2\pi ^{m/2}}{m\Gamma (m/2)}}={\frac {[\Gamma (1/2)]^{m}}{\Gamma (m/2+1)}}

.

Sei $\mu$ ein Maß auf $\mathbb {R} ^{n}$ , $p\in \mathbb {R} ^{n}$ ein fixer Punkt und $0\leq m<\infty$ .

Die obere $m$ -dimensionale Dichte von $\mu$ in $p$ ist definiert als

\Theta ^{*m}(\mu ,p)=\limsup \limits _{r\downarrow 0}{\frac {\mu \left[{\bar {B_{r}}}(p)\right]}{\Omega _{m}r^{m}}}

Die untere $m$ -dimensionale Dichte von $\mu$ in $p$ ist definiert als

\Theta _{*}^{m}(\mu ,p)=\liminf \limits _{r\downarrow 0}{\frac {\mu \left[{\bar {B_{r}}}(p)\right]}{\Omega _{m}r^{m}}}

Wenn $\Theta ^{*m}(\mu ,p)=\Theta _{*}^{m}(\mu ,p)$ , dann spricht man von der $m$ -dimensionalen Dichte von $\mu$ in $p$ .

${\bar {B_{r}}}(p)$ bezeichnet die abgeschlossene Kugel um $p$ mit Radius $r$ .

Caccioppoli-Mengen Bearbeiten

Definition (Caccioppoli) Bearbeiten

Sei $E$ Lebesgue-messbare Menge in $\mathbb {R} ^{n}$ . $E$ ist eine Caccioppoli-Menge oder eine Menge mit (lokalem) endlichem Perimeter in $\mathbb {R} ^{n}$ falls für jede kompakte Menge $K\subset \mathbb {R} ^{n}$ gilt^[2]

\operatorname {P} (E,K):=\sup \left\{\int _{E}\mathrm {div} \ T(x)\mathrm {d} x:T\in C_{c}^{1}(\mathbb {R} ^{n},\mathbb {R} ^{n}),\operatorname {supp} T\subset K,\sup \limits _{\mathbb {R} ^{n}}|T|\leq 1\right\}<\infty

Die Menge ist nach Renato Caccioppoli benannt.

Rektifizierbarkeit Bearbeiten

Zentrale Objekte sind die rektifizierbaren Mengen, mit denen sich der approximative Tangentialraum definieren lässt.

Rektifizierbare Menge Bearbeiten

Approximativer Tangentialraum Bearbeiten

Ströme und Varifaltigkeiten Bearbeiten

Strom Bearbeiten

Sei $U\subseteq \mathbb {R} ^{n}$ und mit ${\mathcal {D}}_{m}(U)$ bezeichne den topologischen Dualraum von ${\mathcal {D}}^{m}(U):=C_{c}^{\infty }\left(U,\wedge ^{m}\mathbb {R} ^{n}\right)$ . Dann ist $T\in {\mathcal {D}}_{m}(U)$ ein $m$ -dimensionaler Strom auf $U$ .

Erläuterungen Bearbeiten

Ein Strom ist somit ein stetiges, lineares Funktional auf dem Raum der $m$ -Formen auf $U$ mit kompaktem Träger. ${\mathcal {D}}_{m}(U)$ ist der Vektorraum aller $m$ -Ströme auf $U$ .

Wichtige Klassen von Strömen sind normale Ströme (Ströme mit endlicher Masse) und Integral-Ströme.

Varifaltigkeit Bearbeiten

Eine Varifaltigkeit ist eine unorientierte Verallgemeinerung der differenzierbaren Mannigfaltigkeit, die auch Singularitäten besitzen kann. Sei $\Omega$ eine offene Teilmenge von $\mathbb {R} ^{n}$ und $G(r,n)$ die Graßmann-Mannigfaltigkeit, wobei $n,r\in \mathbb {Z}$ und $0\leq r\leq n$ . Im allgemeinsten Fall wird die Varifaltigkeit als Radonmaß auf dem kartesischen Produkt

G_{r}(\Omega ):=\Omega \times G(r,n)

definiert.

Hilfsmittel Bearbeiten

Überdeckungssätze Bearbeiten

Zentrale Sätze sind der Überdeckungssatz von Vitali und der Überdeckungssatz von Besikowitsch.

Überdeckungssatz von Besikowitsch Bearbeiten

Seien $n\geq 1$ und ${\mathcal {B}}$ eine Familie von abgeschlossenen, nicht-degenerierten Kugeln in $\mathbb {R} ^{n}$ und entweder sei die Menge $C$ der Mittelpunkte der Kugeln in ${\mathcal {B}}$ beschränkt oder $\sup \left\{\operatorname {diam} (B):B\in {\mathcal {B}}\right\}<\infty$ . Dann existieren eine positive Konstante $K(n)$ und Teilfamilien ${\mathcal {B}}_{1},\ldots ,{\mathcal {B}}_{K(n)}$ , so dass

jedes ${\mathcal {B}}_{i}$ disjunkt und höchstens abzählbar ist und
$C\subset \bigcup _{i=1}^{K(n)}\bigcup \limits _{B\in {\mathcal {B}}_{i}}B$ .

Flächen- und Koflächenformel Bearbeiten

Sei $f:\mathbb {R} ^{m}\to \mathbb {R} ^{n}$ eine Lipschitz-Funktion, und mit ${\mathcal {L}}^{m}$ bezeichnen wir das Lebesgue-Maß und mit $J_{m}f$ bezeichnen wir die $m$ -dimensionale Jacobi-Determinante von $f$ , die nachfolgend definiert wird.

Verallgemeinerte Jacobi-Determinante Bearbeiten

Falls $m\geq n$ , dann

J_{n}f(a)={\sqrt {\operatorname {det} \left[Df(a)Df(a)^{\mathsf {T}}\right]}}.

Falls $m\leq n$ , dann

J_{m}f(a)={\sqrt {\operatorname {det} \left[Df(a)^{\mathsf {T}}Df(a))\right]}}

Falls $m=n$ , dann

J_{m}f(a)=|\operatorname {det} \left(Df(a)\right)|.

.^[3]

Flächenformel Bearbeiten

Falls $m\leq n$ , dann gilt

\int _{A}J_{m}f(x)\mathrm {d} {\mathcal {L}}^{m}x=\int _{\mathbb {R} ^{n}}{\mathcal {H}}^{0}\left(A\cap f^{-1}(y)\right)\mathrm {d} {\mathcal {H}}^{m}y

für jede Lebesgue-messbare Menge $A\subseteq \mathbb {R} ^{m}$ .^[4]

Koflächenformel Bearbeiten

Falls $m\geq n$ , dann gilt

\int _{A}J_{n}f(x)\mathrm {d} {\mathcal {L}}^{m}x=\int _{\mathbb {R} ^{n}}{\mathcal {H}}^{m-n}\left(A\cap f^{-1}(y)\right)\mathrm {d} {\mathcal {L}}^{n}y

für jede Lebesgue-messbare Menge $A\subseteq \mathbb {R} ^{m}$ .^[5]

Ungleichungen Bearbeiten

Poincaré-Ungleichungen Bearbeiten

Isoperimetrische Ungleichung Bearbeiten

Sobolev-Ungleichung Bearbeiten

Literatur Bearbeiten

Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.
Francesco Maggi: Sets of Finite Perimeter and Geometric Variational Problems - An Introduction to Geometric Measure Theory. Hrsg.: Cambridge University Press.
Frank Morgan: Geometric Measure Theory - A Beginner's Guide. Hrsg.: Academic Press. ISBN 978-0-12-804489-6.
Herbert Federer: Geometric Measure Theory. Hrsg.: Springer Verlag. 1969.

Einzelnachweise Bearbeiten

↑ Herbert Federer, Wendell H. Fleming: Normal and integral currents. In: Annals of Mathematics, 2nd Series, Bd. 72. Nr. 3, 1960, S. 458–520.
↑ Francesco Maggi: Sets of Finite Perimeter and Geometric Variational Problems - An Introduction to Geometric Measure Theory. Hrsg.: Cambridge University Press.
↑ Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, S. 125, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.
↑ Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, S. 121, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.
↑ Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, S. 135, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.

[1] Herbert Federer, Wendell H. Fleming: Normal and integral currents. In: Annals of Mathematics, 2nd Series, Bd. 72. Nr. 3, 1960, S. 458–520.

[2] Francesco Maggi: Sets of Finite Perimeter and Geometric Variational Problems - An Introduction to Geometric Measure Theory. Hrsg.: Cambridge University Press.

[3] Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, S. 125, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.

[4] Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, S. 121, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.

[5] Steven G. Krantz, Harold R. Parks: Geometric Integration Theory. Hrsg.: Birkhäuser. ISBN 978-0-8176-4676-9, S. 135, doi:10.1007/978-0-8176-4679-0.

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