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An Explicit Isometric Reduction of the Unit Sphere into an Arbitrarily Small Ball

Authors :
Evangelis Bartzos
Vincent Borrelli
Boris Thibert
Francis Lazarus
Roland Denis
Damien Rohmer
Laboratory of Algebraic and Geometric Algorithms [Kapodistrian Univ] (ERGA)
Department of Informatics and Telecomunications [Kapodistrian Univ] (DI NKUA)
National and Kapodistrian University of Athens (NKUA)-National and Kapodistrian University of Athens (NKUA)
Algèbre, géométrie, logique (AGL)
Institut Camille Jordan (ICJ)
École Centrale de Lyon (ECL)
Université de Lyon-Université de Lyon-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Jean Monnet - Saint-Étienne (UJM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
GIPSA - Architecture, Géométrie, Perception, Images, Gestes (GIPSA-AGPIG)
Département Images et Signal (GIPSA-DIS)
Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Grenoble Images Parole Signal Automatique (GIPSA-lab )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut Polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Laboratoire d'informatique de l'École polytechnique [Palaiseau] (LIX)
École polytechnique (X)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Intuitive Modeling and Animation for Interactive Graphics & Narrative Environments (IMAGINE )
Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Department of Computer Science [Lyon] (CPE)
École Supérieure de Chimie Physique Électronique de Lyon (CPE)-Université de Lyon
Calcul des Variations, Géométrie, Image (CVGI )
Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK )
Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2016-2019] (UGA [2016-2019])
Matstic grant First
Hevea project
ANR-11-LABX-0025,PERSYVAL-lab,Systemes et Algorithmes Pervasifs au confluent des mondes physique et numérique(2011)
Institut Camille Jordan [Villeurbanne] (ICJ)
Université de Lyon-Université Jean Monnet [Saint-Étienne] (UJM)-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École Centrale de Lyon (ECL)
Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École polytechnique (X)
École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Université de Lyon
Source :
Foundations of Computational Mathematics, Foundations of Computational Mathematics, 2018, 18 (4), pp.1015-1042. ⟨10.1007/s10208-017-9360-1⟩, Foundations of Computational Mathematics, Springer Verlag, 2018, 18 (4), pp.1015-1042. ⟨10.1007/s10208-017-9360-1⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
HAL CCSD, 2018.

Abstract

International audience; Spheres are known to be rigid geometric objects: they cannot be deformed isometrically, i.e. while preserving the length of curves, in a twice differentiable way. An unexpected result by J. Nash (Ann. of Math. 60: 383-396, 1954) and N. Kuiper (Indag. Math. 17: 545-555, 1955) shows that this is no longer the case if one requires the deformations to be only continuously differentiable. A remarkable consequence of their result makes possible the isometric reduction of a unit sphere inside an arbitrarily small ball. In particular, if one views the Earth as a round sphere the theory allows to reduce its diameter to that of a terrestrial globe while preserving geodesic distances. Here we describe the first explicit construction and visualization of such a reduced sphere. The construction amounts to solve a non-linear PDE with boundary conditions. The resulting surface consists of two unit spherical caps joined by a C 1 fractal equatorial belt. An intriguing question then arises about the transition between the smooth and the C 1 fractal geometries. We show that this transition is similar to the one observed when connecting a Koch curve to a line segment.

Details

Language :
English
ISSN :
16153375 and 16153383
Database :
OpenAIRE
Journal :
Foundations of Computational Mathematics, Foundations of Computational Mathematics, 2018, 18 (4), pp.1015-1042. ⟨10.1007/s10208-017-9360-1⟩, Foundations of Computational Mathematics, Springer Verlag, 2018, 18 (4), pp.1015-1042. ⟨10.1007/s10208-017-9360-1⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....ab15a4f2cac1200e078d48a52dc7deaf
Full Text :
https://doi.org/10.1007/s10208-017-9360-1⟩