リーマン計量を用いた計算の具体的な例
📂幾何学リーマン計量を用いた計算の具体的な例
表記法
単純曲面 x:U→R3において、(u,v)をUの座標としよう。
x1:=∂u∂xandx2:=∂v∂x
リーマン計量の係数を以下のように示そう。
gij=g11=g12=g22= ⟨xi,xj⟩ ⟨x1,x1⟩=E g21=⟨x1,x2⟩=F ⟨x2,x2⟩=G
例
曲線の長さ
U={(u,v):u2+v2<1}としよう。単純曲面 x:U→R3が以下のような半球として与えられたとする。
x(u,v)=(u,v,1−u2−v2)

すると
xu=x1=(1,0,1−u2−v2−u)andxv=x2=(0,1,1−u2−v2−v)
そしてu,vが以下のようだとする。
α1(t)=u(t)=tandα2(t)=v(t)=t2
すると、0<t<25−1に従った各領域でのパスは以下のように示される。


半球上の青い曲線の長さを計算する公式は以下の通りである。
∫abgijαi′αj′dt=∫abE(u′)2+2Fu′v′+G(v′)2dt
それぞれを計算すると以下のようになる。
u′=1andv′=2t
E=F=G= g11=⟨x1,x1⟩=1+1−u2−v2u2=1−u2−v21−v2=1−t2−t41−t4 g12=⟨x1,x2⟩=1−u2−v2uv=1−t2−t4t3 g22=⟨x2,x2⟩=1+1−u2−v2v2=1−u2−v21−u2=1−t2−t41−t2
したがって、曲線の長さは以下の通りである。
==∫0(5−1)/2E(u′)2+2Fu′v′+G(v′)2dt ∫0(5−1)/21−t2−t41−t4(1)2+21−t2−t4t3⋅1⋅2t+1−t2−t41−t2(2t)2dt ∫0(5−1)/21−t2−t4−t4+4t2+1dt
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曲面の面積
同じ状況で、Q={(u,v)∈U:0≤u,v<1}としよう。u,vを極座標に変換すると、u=rcosθ,v=rsinθであるから、
xu=x1=(1,0,1−u2−v2−u)=(1,0,1−r2−rcosθ)xv=x2=(0,1,1−u2−v2−v)=(1,0,1−r2−rsinθ)
E=F=G= g11=⟨x1,x1⟩=1−u2−v21−v2=1−r21−r2sin2θ g12=⟨x1,x2⟩=1−r2r2cosθsinθ g22=⟨x2,x2⟩=1−u2−v21−u2=1−r21−r2cos2θ
曲面上の領域R=x(Q)の面積を計算する公式は以下の通りである。
∬Qgdudv=∬Q∣x1×x2∣dudv=∬QEG−F2dudv
Rは球面の81に相当する領域なので、この積分値は84π=2πでなければならない。極座標への変換時、ヤコビアンはrであるから、dudv=rdrdθは、
=======∬QEG−F2dudv θ=0∫π/2r=0∫1EG−F2rdrdθ θ=0∫π/2r=0∫11−r2(1−r2cos2θ)(1−r2sin2θ)−r4cos2θsin2θrdrdθ θ=0∫π/2r=0∫11−r2−r2cos2θ−r2sin2θ+1rdrdθ ∫θ=0π/2dθ∫r=011−r21−r2rdr 2π∫r=011−r2rdr 2π[−1−r2]01 2π
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