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微分幾何学における曲面の定義 📂幾何学

微分幾何学における曲面の定義

定義1

MR3M \subset \R^{3}というPMP \in Mの全ての点に対して、イメージx(U)\mathbf{x}(U)PPのあるϵ\epsilon-近傍NpN_{p}を含むようにするCkC^{k} 微分同相写像x:UR2M\mathbf{x} : U \subset \R^{2} \to Mが存在する場合、MMR3\R^{3}CkC^{k} 曲面surfaceと呼ぶ。

1.PNG

さらに、そのような二つの微分同相写像 x:UR3\mathbf{x} : U \to \R^{3}y:VR3\mathbf{y} : V \to \R^{3}に対して、

y1x:x1(x(U)y(V))y1(x(U)y(V)) \mathbf{y}^{-1} \circ \mathbf{x} : \mathbf{x}^{-1}\left( \mathbf{x}(U) \cap \mathbf{y}(V) \right) \to \mathbf{y}^{-1}\left( \mathbf{x}(U) \cap \mathbf{y}(V) \right)

CkC^{k} 座標変換である。

2.PNG

説明

R3\R^{3}の曲面とは、端的に言えば、単純曲面イメージをうまく合わせたものだ。

多くの定義がそうであるように、曲面かどうかを定義だけで判断することは簡単ではない。曲面を判定するにあたって、以下のような定理がある。

定理2

微分可能な関数g:R3Rg : \R^{3} \to \Rと定数cRc \in \Rが与えられたとする。集合M={(x,y,z):g(x,y,z)=c}M = \left\{ (x,y,z) : g(x,y,z) = c \right\}に対して、MMのある点で

dg=gxdx+gydy+gzdz0 dg = \dfrac{\partial g}{\partial x}dx + \dfrac{\partial g}{\partial y}dy + \dfrac{\partial g}{\partial z}dz \ne 0

が成り立つなら、MMは曲面である。


  1. Richard S. Millman and George D. Parker, Elements of Differential Geometry (1977), p89 ↩︎

  2. Barrett O’Neill, Elementary Differential Geometry (Revised 2nd Edition, 2006), p133-134 ↩︎