<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Phys.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Physics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Phys.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-424X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">642364</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2021.642364</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Physics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Semiflexible Polymer Enclosed in a 3D Compact Domain</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Castro-Villarreal and Ram&#xed;rez</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Semiflexible Polymer in Compact Domain</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Castro-Villarreal</surname>
<given-names>Pavel</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/967416/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Ram&#xed;rez</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1198925/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Facultad de Ciencias en F&#xed;sica y Matem&#xe1;ticas, Universidad Aut&#xf3;noma de Chiapas, <addr-line>Tuxtla Guti&#xe9;rrez</addr-line>, <country>Mexico</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>Centro de Agroecolog&#xed;a, Instituto de Ciencias, Benem&#xe9;rita Universidad Aut&#xf3;noma de Puebla, <addr-line>Puebla</addr-line>, <country>Mexico</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/891091/overview">Atahualpa Kraemer</ext-link>, National Autonomous University of Mexico, Mexico</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/73807/overview">Pramod Kumar Mishra</ext-link>, Kumaun University, India</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1208710/overview">Wolfhard Janke</ext-link>, Universit&#xe4;t Leipzig, Germany</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/49930/overview">Enrique Hernandez-Lemus</ext-link>, Instituto Nacional de Medicina Gen&#xf3;mica (INMEGEN), Mexico</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Pavel Castro-Villarreal, <email>pcastrov@unach.mx</email>; J. E. Ram&#xed;rez, <email>jerc.fis@gmail.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Interdisciplinary Physics, a section of the journal Frontiers in Physics</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>17</day>
<month>06</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>642364</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>15</day>
<month>12</month>
<year>2020</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>19</day>
<month>05</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Castro-Villarreal and Ram&#xed;rez.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Castro-Villarreal and Ram&#xed;rez</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>The conformational states of a semiflexible polymer enclosed in a volume <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are studied as stochastic realizations of paths using the stochastic curvature approach developed in [Rev. E 100, 012503 (2019)], in the regime whenever <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the persistence length. The cases of a semiflexible polymer enclosed in a cube and sphere are considered. In these cases, we explore the Spakowitz&#x2013;Wang&#x2013;type polymer shape transition, where the critical persistence length distinguishes between an oscillating and a monotonic phase at the level of the mean-square end-to-end distance. This shape transition provides evidence of a universal signature of the behavior of a semiflexible polymer confined in a compact domain.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>semiflexible polymer</kwd>
<kwd>stochastic curvature</kwd>
<kwd>shape transition</kwd>
<kwd>critical persistence length</kwd>
<kwd>mean-square end-to-end distance</kwd>
<kwd>worm-like chain</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Semiflexible polymers is a term coined to understand a variety of physical systems that involve linear molecules. The most popular polymers are industrial plastics, like polyethylene or polystyrene, with various applications in daily life [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. Another prominent example is the DNA compacted in the nucleus of cells or viral DNA/RNA packed in capsids [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. These last examples are of particular interest since they are confined semiflexible polymers. Indeed, biopolymers&#x2019; functionality is ruled by their conformation, which in turn is considerably modified in the geometrically confined or crowded environment inside the cell [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>].</p>
<p>A common well-known theoretical framework used to describe the fundamental properties of a semiflexible polymer is the well-known worm-like chain model (WLC), which pictures a polymer as a thin wire with a flexibility given by its bending rigidity constant <italic>&#x3b1;</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. The central quantity in this model is the persistence length defined by <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], with <italic>d</italic> being the space dimension; however, here we simply use <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
<xref ref-type="fn" rid="FN1">
<sup>1</sup>
</xref>, which is the characteristic length along the chain over which the directional correlation between segments disappears. <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the thermal energy, with <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <italic>T</italic> being the Boltzmann constant and the bath temperature, respectively&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>In the absence of thermal fluctuations, when <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the conformations of the polymer are well understood through different curve configurations determined by variational principles [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. For the WLC model, the bending energy functional is given by<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a polymer configuration and <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the curvature of the chain, with <italic>s</italic> being the arc-length parameter. Additional terms can be added to the Hamiltonian to account for other effects, including multibody interactions, external fields, and constraints on the chain dimensions [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]. When the thermal fluctuations are relevant, that is, <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, then it is usual to introduce a statistical mechanics description. Since <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the bending energy for a curve configuration <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m14">
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, the most natural approach is to define the canonical probability density<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the canonical partition function and <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an appropriate functional measure. In this description, the theory turns out to be a one-dimensional statistical field theory. Nonetheless, the theory is not easy to tackle since <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> acquires nonlinear terms in <inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m19">
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. To avoid this difficulty, a different perspective was introduced by Saito&#x2019;s et&#x20;al. [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], where the following probability density function was studied:<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">T</mml:mi>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>instead of <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Eq. 2</xref>. Here <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Saito&#x2019;s partition function and <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an appropriate functional measure for the tangent direction of a given polymer configuration <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m23">
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. The Saito&#x2019;s partition function can be solved since one has <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; thus, one can relate <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with the Feynman&#x2019;s partition function for a quantum particle in the spherical surface described by <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For the cases when the semiflexible polymer is in an open Euclidean space, the Saito&#x2019;s approach works very well. For instance, it reproduces the standard results of Kratky&#x2013;Porod [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], among other results [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. However, for the cases when the semiflexible polymer is confined to a bounded region of the space, the Saito&#x2019;s approach is difficult to use, with some exceptional cases like the situation for semiflexible polymers confined to a spherical shell&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>].</p>
<p>For semiflexible polymers in plane space, an alternative theoretical approach to the above formalisms was introduced in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. This consists of postulating that each conformational realization of any polymer in the plane is described by a stochastic path satisfying the stochastic Frenet equations, defined by <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the configuration of the polymer, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the tangent vector to the curve describing the chain at <italic>s</italic>, <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2208;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the normal stochastic unit vector, with <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m32">
<mml:mi mathvariant="bold">&#x2208;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>a rotation by an angle of <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the stochastic curvature that satisfies the following probability density function:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the partition function in the stochastic curvature formalism and <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an appropriate measure for the curvature. This, in particular, implies a white noise-like structure, that is, <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. This theoretical framework successfully explains, by first principles, the Kratky&#x2013;Porod results for free chains confined to an open 2D-plane. Moreover, it correctly describes the mean-square end-to-end distance for semiflexible polymers confined to a square box, a key descriptor of the statistical behavior of a polymer&#x20;chain.</p>
<p>In the present work, we carry out an extension of the stochastic curvature approach for semiflexible polymers in the three-dimensional space <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In particular, we analyze the conformational states of a semiflexible polymer enclosed in a bounded region in three-dimensional space. This polymer is in a thermal bath with a uniform temperature. The shapes adopted by the polymer are studied through the mean-square end-to-end distance as a function of the polymer total length as well as its persistence length. In particular, we analyze the cases of a polymer confined to a cube of side <italic>a</italic> and a sphere of radius&#x20;<italic>R</italic>.</p>
<p>The plan of this article is as follows. In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, we introduce the stochastic Frenet equations for the semiflexible polymers in three-dimensional spaces, and by using a standard procedure, we derive the corresponding Fokker&#x2013;Planck equation. In particular, the Kratky&#x2013;Porod result for polymers in a 3D open space is obtained. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> contains the derivation of the mean-square end-to-end distance for semiflexible polymers confined to a compact domain. In <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, we present the analysis of the mean square end-to-end distance for the cases when the compact domain corresponds with a cube of side <italic>a</italic> and a sphere of radius <italic>R</italic>. Finally, <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> contains our concluding remarks.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Preliminary Notation and Semiflexible Polymers in 3D</title>
<p>Let us consider a polymer in a three-dimensional Euclidean space <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a space curve <italic>&#x3b3;</italic>, <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2282;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, parametrized by an arc-length, <italic>s</italic>. For each point <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, a Frenet&#x2013;Serret trihedron can be defined in terms of the vector basis <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the tangent vector, whereas <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the normal and bi-normal vectors, respectively. It is well known that each regular curve <italic>&#x3b3;</italic> satisfies the Frenet&#x2013;Serret structure equations, namely, <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the curvature and the torsion of the space curve, respectively. In addition, the fundamental theorem of space curves estates that given continuous functions <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, one can determine the shape curve uniquely, up to a Euclidean rigid motion&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>].</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Stochastic Curvature Approach in 3D</title>
<p>In order to study the conformational states of a semiflexible polymer, we adapt the stochastic curvature approach introduced in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] to the case of semiflexible polymers in 3D Euclidean space. For the 2D Euclidean space, the formalism starts by postulating that each conformational realization of any polymer is described by a stochastic path satisfying the stochastic Frenet equations. In the 3D case, it is enough to consider the following stochastic equations:<disp-formula id="e5a">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5a)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e5b">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5b)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are now random variables. Here, <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is named as stochastic vectorial curvature. Also, a normal projection operator <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2297;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> has been introduced such that <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. According to these equations, it can be shown that <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a constant that can be fixed to unit, where <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the standard 3D Euclidean norm. The remaining geometrical notions also turn into random variables as follows. The stochastic curvature is defined by <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The stochastic normal and bi-normal vectors are defined by <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively, where <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the stochastic curvature. In addition, the stochastic torsion is defined with the equation <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">B</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>In addition to the stochastic <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Eq. 5a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">Eq. 5b</xref>, the random variable <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is distributed according to the probability density function<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mtext>,</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:mi>H</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the bending energy and <italic>&#x3b1;</italic> is the bending rigidity modulus. This energy functional corresponds to the continuous form of the WLC model [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]. Also, in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eq. 6</xref>, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is an appropriate normalization constant, <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x220f;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a functional measure, and <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>B</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the inverse of the thermal energy. The Gaussian structure of the probability density implies the zero mean <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the following <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> fluctuation theorem:<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>th component of the stochastic vectorial curvature <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 From Frenet&#x2013;Serret Stochastic Equations to Hermans&#x2013;Ullman Equation in 3D</title>
<p>In this section, we present the Fokker&#x2013;Planck formalism corresponding to the stochastic <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Eq. 5a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">Eq. 5b</xref>. This description allows us to determine an equation for the probability density function associated to the position and direction of the endings of the polymer <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m83">
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m84">
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> are the ending positions of the polymer, and <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m85">
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m86">
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:math>
</inline-formula> are the corresponding directions, respectively. The parameter <italic>s</italic> is the polymer length.</p>
<p>Now, the stochastic Frenet&#x2013;Serret <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Eq. 5a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">Eq. 5b</xref> can be identified with a multidimensional stochastic differential equation in the Stratonovich perspective; thus, applying the standard procedure [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], we find the following Fokker&#x2013;Planck type equation:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>P</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m88">
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> is identified with the unit normal vector on <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, thus satisfying the condition <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The operator <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the Laplace&#x2013;Beltrami of the sphere <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Similarly, as the situation for semiflexible polymers confine to a plane space [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], this equation is exactly the same as the one obtained by Hermans and Ullman in 1952 [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>], where the heuristic parameter they included can now be identified exactly with <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In addition, we can make a contact with the Saito&#x2019;s approach [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] by considering the marginal probability density function:<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Using the Hermans&#x2013;Ullman equation, we can show that <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> satisfies a diffusion equation on a spherical surface with diffusion coefficient equal to <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], that is,<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>c</mml:mtext>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="script">Z</mml:mi>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>An immediate consequence of the above equation is the exponential decay of the correlation function between the two ending directions <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <italic>L</italic> is the polymer length. Indeed, this expectation value satisfies the following equation: <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2124;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the solid angle and <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a normalization constant. Now, we can integrate twice by parts the r.h.s of last equation and since <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a compact manifold the boundary terms vanish. Also, using <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mtext>&#x394;</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it is found that the correlation function satisfies the ordinary differential equation <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Now, we solve this equation using the initial condition <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>C</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and the length of the polymer set up by <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Modified Telegrapher Equation</title>
<p>As in the situation of the two-dimensional case [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], we carry out a multipolar decomposition for HU equation in 3D. This consists of expanding the probability density function <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in a linear combination of the Cartesian tensor basis elements 1, <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m111">
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:math>
</inline-formula>, where the symbols <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> means symmetrization of the indices <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;and&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, that is, <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> whose expansion coefficients are hydrodynamic-like tensor fields. These tensors are <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, meaning by the manner how the ending positions are distributed in the space; <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, meaning as the local average of the polymer direction; <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, pointing the way how the directions are correlated along the points of the space, etc. These tensors are the moments associated to the Cartesian tensor basis, for example, <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x200b;</mml:mtext>
</mml:msup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mtext>&#x3a9;</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>P</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. These fields satisfy the following hierarchy equations:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="double-struck">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="double-struck">T</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Now, by combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref>, we can obtain a modified telegrapher equation:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the 3D Laplacian. In a mean-field point of view, one can consider the preceding equation as an equation for the probability density function <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> under the presence of a mean-field <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In particular, <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> does not play any role for the mean-square end-to-end distance for a semiflexible polymer in the open Euclidean 3D space. Indeed, let us define the end-to-end distance as <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; thus, the mean-square end-to-end distance is given by<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Now, we implement the same procedure used in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] to calculate the mean-square end-to-end distance in the open three-dimensional space <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where it is used as the modify telegrapher of <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> and the traceless property of <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We can reproduce the standard Kratky&#x2013;Porod [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] result for a semiflexible polymer in the three-dimensional space [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>].<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>with the typical well-known asymptotic limits: diffusive regime <inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x226b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and ballistic regime <inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Semiflexible Polymer in a Compact Domain</title>
<p>In this section, we apply the hierarchy equations developed in the previous section in order to determine the conformational states of a semiflexible polymer confined to a compact volume domain of size <italic>V</italic>. From the hierarchy <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq. 12</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Eq. 13</xref>, the tensors <inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x2119;</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> damp out as <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. Furthermore, if we consider that the semiflexible polymer is enclosed in a compact volume <inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with a typical length <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m142">
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>; thus, as long as we consider cases when <inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is far from one, we may assume that <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211a;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is uniformly distributed. This condition corresponds to truncate the hierarchy equations at the second level; that is, the only equations that survive in this approximation are <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Eq. 11</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eq.&#x20;12</xref>.</p>
<p>In the latter situation, the distribution <inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the endings of the semiflexible polymer is described through the following telegrapher&#x2019;s equation:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>that satisfies the initial conditions<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>lim</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mrow>
<mml:mtext>lim</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Eq. 18</xref> means that the polymers&#x2019; ends coincide when the polymer length is zero, whereas <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Eq. 19</xref> means that the polymer length does not change spontaneously. In addition, since the polymer is enclosed in the compact domain <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m149">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> of volume <inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we also impose a Neumann boundary condition<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#x2003;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a surface bounding the domain <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m153">
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>. This boundary condition means that the polymer does not cross the boundary neither wrap the domain. The procedure to obtain a solution of the above telegrapher&#x2019;s <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Eq. 17</xref> is identical to the one developed in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. We just have to take into account the right factors and the dimensionality considerations. In this sense, the probability density function is given by<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>;</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>where we recall from [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>v</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sinh</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>and <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are a complete set of orthonormal eigenfunctions and a set of corresponding eigenvalues of the Laplace operator <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Notice that each <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> must satisfy the Neumann boundary equation <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In addition, it is known [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] that for Neumann boundary Laplacian eigenvalue problem, there is a zero eigenvalue <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> corresponding to a positive eigenfunction given by <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mi>V</mml:mi>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Now, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Eq. 21</xref>, the mean-square end-to-end distance <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be computed in the standard fashion by<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>I</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>where the coefficients of <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are obtained from<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2020;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>We can have a further simplification after squaring the end-to-end distance inside the last integral. It is not difficult to see that the square terms <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> only the zero mode contribute; thus, we have<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is called the mean-square end position, <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is termed as the geometric average, and the factor <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The factor <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be written in a simpler form for Neumann boundary conditions, since <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and by integrating out by parts, this factor is expressed in terms of a boundary integral<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x222e;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the area element of <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Since the function <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> decays exponentially as the polymer length gets larger values, we can convince ourselves that twice the mean-square end position corresponds to a saturation value for the mean-square end-to-end distance. An additional property of <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the identity<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This identity can be proved using the completeness relation of the eigenfunctions, that is, <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This identity allows us to prove that in general <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> starts at&#x20;zero.</p>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Results</title>
<sec id="s4-1">
<title>4.1 Semiflexible Polymer Enclosed by a Cube Surface</title>
<p>In this section, we provide results for the mean-square end-to-end distance for a semiflexible polymer enclosed inside of a cube domain. All the problems are reduced to solve the Neumann eigenvalue problem <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with Neumann boundary condition, when the compact domain <inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a cube of side <italic>a</italic> in the positive octant. This problem is widely studied in different mathematical physics problems [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. The eigenfunctions in this case can be given by<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>z</italic> are the standard Cartesian coordinates, and <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the usual vector position. The eigenfunctions are enumerated by the collective index <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a normalization constant with respect to the volume of the cube <inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, whose values are given by <inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>00</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>00</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; and <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, for <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2260;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The eigenvalues of the Laplacian are given by <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Now, we proceed to calculate <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> using its definition, that is, <inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
</mml:munder>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The three components are given by<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m207">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the following, we use the general expression in <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref> for the mean-square end-to-end distance. The mean-square end position can be easily calculated as <inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Since the Kronecker delta in <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, each contribution of <inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mi mathvariant="bold">k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the same, thus taking into account the correct counting factor, the mean-square end-to-end distance is<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>24</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Following the same line of argument performed in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], it is observed that <inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:mn>24</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x200b;</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> consistently with <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq. 27</xref>; thus, up to a numerical error of <inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we claim that<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m214">
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">C</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mi>cosh</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>sinh</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Let us remark that for any fixed value of <italic>a</italic>, the r.h.s of <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref>, as a function of <italic>L</italic>, shows the existence of a critical persistence length, <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mi>a</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that for all values of <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it exhibits an oscillating behavior, whereas for <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it is monotonically increasing. In <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>, we show the behavior of the mean-square end-to-end distance versus the length of the polymer for several values of the persistence length below and above <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, we also show sketches of conformational states corresponding to the monotonous and oscillating behaviors of the mean-square end-to-end distance. In addition, the same mathematical structure as the mean-square end-to-end distance found by Spakowitz and Wang [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] is noticeable for semiflexible polymers wrapping a spherical shell, and recently for semiflexible polymers confined to a square box&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Monotonous and oscillating behaviors of the mean-square end-to-end distance (<xref ref-type="disp-formula" rid="e30">Eq. 30</xref>) of polymers with <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> below <bold>(A)</bold> and above <bold>(B)</bold> the critical persistence length <inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>a</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in cubic confinement. Inside the plotting area, we sketch the conformational states of each class of polymers.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-642364-g001.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>4.2 Semiflexible Polymer Enclosed by a Spherical Surface</title>
<p>In this section, we provide results for the mean-square end-to-end distance for a semiflexible polymer enclosed inside of a spherical domain. All the problems are reduced to solve the Neumann eigenvalue problem <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2207;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with Neumann boundary condition when the compact domain <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x212c;</mml:mi>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a center ball of radius <italic>R</italic>. This problem is widely studied in different mathematical physics problems [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. The eigenfunctions in this case can be given in terms of spherical Bessel functions <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and spherical harmonic functions <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>:<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfrac>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <italic>&#x3c6;</italic> are the standard spherical coordinates. The factor <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a normalization constant with respect to the volume of the ball <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m228">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x212c;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>, given by<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msqrt>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msqrt>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The coefficients <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the roots of <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which, by using the identity <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, satisfy the equation <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The eigenfunctions are enumerated by the collective index <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0,1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> counting the order of spherical Bessel functions, <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2,3</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#x22ef;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> counting zeros. The eigenvalues of the Laplacian are given by <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which are independent of the numbers <italic>m</italic>. Now, we proceed to calculate <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> by using <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Eq. 26</xref>. It is enough to calculate <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, since <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mo>&#x221d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; thus, <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mi mathvariant="normal">&#x222e;</mml:mi>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:munder>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>S</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi mathvariant="bold">n</mml:mi>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Now, we call <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>:</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; then, using <xref ref-type="disp-formula" rid="e33">Eq. 33</xref> one has<disp-formula id="e34">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>1,0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msqrt>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msqrt>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0,0,1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>where roots <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> satisfy the equation <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Using explicit functions of the spherical Bessel functions, the root condition is <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where<disp-formula id="e36">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(36)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the following, we use the general expression (<xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Eq. 25</xref>) for the mean-square end-to-end distance. We calculate the mean-square end position, <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and use the factors <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi mathvariant="bold">r</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; thus, the mean square end-to-end distance is<disp-formula id="e37">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x212c;</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:munder>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:munder>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(37)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Following the same line of argument performed in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], we observe numerically that <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:mn>12</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mo>&#x2211;</mml:mo>
</mml:mstyle>
<mml:mtext>&#x200b;</mml:mtext>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as <italic>N</italic> increases; this is consistent with <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq. 27</xref>. Thus, up to a numerical error <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we claim that<disp-formula id="e38">
<mml:math id="m256">
<mml:mtable>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2329;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x232a;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x212c;</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>exp</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtext>cosh</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mtext>sinh</mml:mtext>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>}</mml:mo>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(38)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Let us remark that for any fixed value of <italic>R</italic>, the r.h.s of <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">Eq. 38</xref>, as a function of <italic>L</italic>, shows the existence of a critical persistence length, <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, with <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2243;</mml:mo>
<mml:mn>2.08158</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> according to <xref ref-type="disp-formula" rid="e36">Eq. 36</xref> such that for all values of <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it exhibits an oscillating behavior, whereas for <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it is monotonically increasing. In <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>, we show the behavior of the mean-square end-to-end distance versus the length of the polymer for several values of the persistence length below and above <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Moreover, we also show sketches of conformational states corresponding to the monotonous and oscillating behaviors of the mean-square end-to-end distance. In addition, it is noticeably that the same mathematical structure as the mean-square end-to-end distance found by Spakowitz and Wang [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] for semiflexible polymers wrapping a spherical shell, and recently for semiflexible polymers, confined to a square box&#x20;[<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Monotonous and oscillating behaviors of the mean-square end-to-end distance (<xref ref-type="disp-formula" rid="e37">Eq. 37</xref>) of polymers with <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> below <bold>(A)</bold> and above <bold>(B)</bold> the critical persistence length <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msqrt>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msqrt>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in spherical confinement. Inside the plotting area, we sketch the conformational states of each class of polymers.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fphy-09-642364-g002.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Concluding Remarks</title>
<p>In this work, we carry out an extension of the stochastic curvature formalism introduced in [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] to analyze the conformational states of a semiflexible polymer in a thermal bath for the cases when the polymer is in the open space <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and when it is in a bounded domain <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2282;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The basic idea of formalism in the 3D case is followed by two postulates, that is, each conformational state corresponds to the realization of a path described by the stochastic Frenet&#x2013;Serret <xref ref-type="disp-formula" rid="e5a">Eq. 5a</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e5b">Eq. 5b</xref>, to introduce a stochastic curvature vector <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">k</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and a second postulate that gives the manner how <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is distributed according to the thermal fluctuations.</p>
<p>In the case of a polymer in an open space <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the standard Kratky&#x2013;Porod formula for polymers is reproduced in three dimensions [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>], while when the polymer is confined to a space bounded region <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="script">D</mml:mi>
<mml:mo>&#x2282;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x211d;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the conformational states show the existence of a critical persistence length <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> such that for all values of <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the mean square distance from end to end exhibits an oscillating behavior, while for <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mtext>&#x2a;</mml:mtext>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, it exhibits a monotonic behavior in both cases of a cubic region and a spherical region. Furthermore, for each value of <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x2113;</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the function converges to twice the mean-square end position <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, that is, twice the variance of <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi mathvariant="bold">R</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with respect to the volume of the domain. The critical persistence length, therefore, distinguishes two conformational behaviors of the semiflexible polymer in the bound domain. On the one hand, polymers with persistence length below the critical value have a conformation similar to a Brownian random path. On the other hand, polymers with persistence length above the critical value adopt smooth conformations. In addition, it is highlighted that the mean-square end-to-end distance exhibits the same mathematical form for the discussed cases along with the manuscript (<xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="e38">Eq. 38</xref>) and with the results reported for a polymer enclosed to a square box and rolling up a spherical surface [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. Nevertheless, the value difference of saturation and the critical persistence length reflect the particular geometric nature of the compact domain, including the dimensionality of the space. Note the particular mathematical expression in our work is due to the probability density function of the polymer&#x2019;s ends, which is governed by a modified telegrapher equation. As a consequence of this resemblance, it can be concluded that the shape transition from oscillating to monotonous conformational states provides furthermore evidence of a universal signature for a semiflexible polymer enclosed in compact&#x20;space.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s6">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/Supplementary Material, and further inquiries can be directed to the corresponding authors.</p>
</sec>
<sec id="s7">
<title>Author Contributions</title>
<p>Both authors contributed to the formulation of the method and the writing of the manuscript. JR contributed to the numerical analysis that provides the figures, while PC-V contributed to the mathematical calculations.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<ack>
<p>PC-V and JR acknowledge financial support by Consejo de Ciencia y Tecnolog&#x00ED;a del Estado de Puebla (CONCYTEP).</p>
</ack>
<fn-group>
<fn id="FN1">
<label>1</label>
<p>For the sake of notation, the dimension of the space in the persistence length definition is hidden. In those cases where an explicit dependence on the dimension is needed, it should be adequately scaled by the factor <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</fn>
</fn-group>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ronca</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
</person-group>, &#x201c;<article-title>Polyethylene</article-title>,&#x201d; <source>In <italic>Brydson&#x2019;s Plastics Materials</italic>
</source> (<edition>8th ed.</edition>
<italic>)</italic> (<person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Gilbert</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
</person-group>, ed.), pp. <fpage>247</fpage>&#x2013;<lpage>78</lpage>. <publisher-name>Butterworth-Heinemann</publisher-name>, <edition>8th ed. ed.</edition>, <year>2017</year>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/b978-0-323-35824-8.00010-4</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>W&#xfc;nsch</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Polystyrene: Synthesis, Production and Applications</source>. <publisher-name>RAPRA Technology Limited, Rapra Technology Limited</publisher-name> (<year>2000</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cifra</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bleha</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Shape Transition of Semi-flexible Macromolecules Confined in Channel and Cavity</article-title>. <source>Eur Phys J&#x20;E</source> (<year>2010</year>) <volume>32</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>273</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epje/i2010-10626-y</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Locker</surname>
<given-names>CR</given-names>
</name>
<name>
<surname>Harvey</surname>
<given-names>SC</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>A Model for Viral Genome Packing</article-title>. <source>Multiscale Model Simul</source> (<year>2006</year>) <volume>5</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1264</fpage>&#x2013;<lpage>79</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/060650684</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>K&#xf6;ster</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kierfeld</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pfohl</surname>
<given-names>T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Characterization of Single Semiflexible Filaments under Geometric Constraints</article-title>. <source>Eur Phys J&#x20;E</source> (<year>2008</year>) <volume>25</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>439</fpage>&#x2013;<lpage>49</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epje/i2007-10312-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Reisner</surname>
<given-names>W</given-names>
</name>
<name>
<surname>Morton</surname>
<given-names>KJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Riehn</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>YM</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yu</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rosen</surname>
<given-names>M</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> <article-title>Statics and Dynamics of Single Dna Molecules Confined in Nanochannels</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2005</year>) <volume>94</volume>:<fpage>196101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.94.196101</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Benkov&#xe1;</surname>
<given-names>Z</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ri&#x161;panov&#xe1;</surname>
<given-names>L</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cifra</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Structural Behavior of a Semiflexible Polymer Chain in an Array of Nanoposts</article-title>. <source>Polymers</source> (<year>2017</year>) <volume>9</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>313</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/polym9080313</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Sait&#xf4;</surname>
<given-names>N</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takahashi</surname>
<given-names>K</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yunoki</surname>
<given-names>Y</given-names>
</name>
</person-group>. <source>The Statistical Mechanical Theory of Stiff Chains</source> (<year>1967</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kleinert</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chervyakov</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Perturbation Theory for Path Integrals of Stiff Polymers</article-title>. <source>J&#x20;Phys A: Math Gen</source> (<year>2006</year>) <volume>39</volume>:<fpage>8231</fpage>&#x2013;<lpage>55</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0305-4470/39/26/001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Benetatos</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Frey</surname>
<given-names>E</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Linear Response of a Grafted Semiflexible Polymer to a Uniform Force Field</article-title>. <source>Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys</source> (<year>2004</year>) <volume>70</volume>:<fpage>051806</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.70.051806</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="book">
<collab>Adsorption of polymers and polyelectrolytes</collab>. <article-title>In Solid-Liquid Interfaces</article-title>. In: <person-group person-group-type="editor">
<name>
<surname>Lyklema</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
</person-group>, editor. <source>Vol. 2 of Fundamentals of Interface and Colloid Science</source>. <publisher-name>Academic Press</publisher-name> (<year>1995</year>). p. <fpage>5</fpage>&#x2013;<lpage>1</lpage>. <comment>&#x2013; 5&#x2013;100</comment>. </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guven</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>V&#xe1;zquez-Montejo</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Confinement of Semiflexible Polymers</article-title>. <source>Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys</source> (<year>2012</year>) <volume>85</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>026603</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.85.026603</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guven</surname>
<given-names>J</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mar&#xed;a Valencia</surname>
<given-names>D</given-names>
</name>
<name>
<surname>V&#xe1;zquez-Montejo</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Environmental Bias and Elastic Curves on Surfaces</article-title>. <source>J&#x20;Phys A: Math Theor</source> (<year>2014</year>) <volume>47</volume>(<issue>35</issue>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1751-8113/47/35/355201</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Spakowitz</surname>
<given-names>AJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>ZG</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>End-to-end Distance Vector Distribution with Fixed End Orientations for the Wormlike Chain Model</article-title>. <source>Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys</source> (<year>2005</year>) <volume>72</volume>:<fpage>041802</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.72.041802</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>JZY</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Theory of Wormlike Polymer Chains in Confinement</article-title>. <source>Prog Polym Sci</source> (<year>2016</year>) <volume>54-55</volume>:<fpage>3</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.progpolymsci.2015.09.002</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kratky</surname>
<given-names>O</given-names>
</name>
<name>
<surname>Porod</surname>
<given-names>G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>R&#xf6;ntgenuntersuchung Gel&#xf6;ster Fadenmolek&#xfc;le</article-title>. <source>Recl Trav Chim Pays-bas</source> (<year>1949</year>) <volume>68</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>1106</fpage>&#x2013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/recl.19490681203</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Castro-Villarreal</surname>
<given-names>P</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ram&#xed;rez</surname>
<given-names>JE</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Stochastic Curvature of Enclosed Semiflexible Polymers</article-title>. <source>Phys Rev E</source> (<year>2019</year>) <volume>100</volume>:<fpage>012503</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.100.012503</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Montiel</surname>
<given-names>S</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ros</surname>
<given-names>A</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Curves and Surfaces, Vol. 69</source>. <publisher-name>American Mathematical Soc.</publisher-name> (<year>2009</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gardiner</surname>
<given-names>CW</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Handbook of Stochastic Methods for Physics</article-title>. <source>Chem Nat Sci</source> (<year>1986</year>) <volume>25</volume>. </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hermans</surname>
<given-names>JJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ullman</surname>
<given-names>R</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>The Statistics of Stiff Chains, with Applications to Light Scattering</article-title>. <source>Physica</source> (<year>1952</year>) <volume>18</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>951</fpage>&#x2013;<lpage>71</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0031-8914(52)80231-9</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Feshbach</surname>
<given-names>H</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Methods of Theoretical Physics</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>McGraw-Hill</publisher-name> (<year>1953</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chavel</surname>
<given-names>I</given-names>
</name>
</person-group>. <source>Eigenvalues in Riemannian Geometry, Vol. 115</source>. <publisher-name>Academic Press</publisher-name> (<year>1984</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Grebenkov</surname>
<given-names>DS</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nguyen</surname>
<given-names>B-T</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Geometrical Structure of Laplacian Eigenfunctions</article-title>. <source>SIAM Rev</source> (<year>2013</year>) <volume>55</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>601</fpage>&#x2013;<lpage>67</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/120880173</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Spakowitz</surname>
<given-names>AJ</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Z-G</given-names>
</name>
</person-group>. <article-title>Semiflexible Polymer Confined to a Spherical Surface</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source> (<year>2003</year>) <volume>91</volume>:<fpage>166102</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/physrevlett.91.166102</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>