ガウス曲率と測地曲率
📂幾何学ガウス曲率と測地曲率
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{T(s),N(s),B(s),κ(s),τ(s)}
曲線を分析するとき、フレネ・セレ装置を使ったのを思い出してほしい。曲面について学ぶときも、同様のものを考えることになる。αが単位速度曲線のとき、曲線の曲率は加速度の大きさκ=∣T′∣=∣α′′∣で定義されたんだ。曲面がどれくらい曲がっているかを知るためには、曲面上の曲線がどれくらい曲がっているかを見ることは自然な考え方だ。
x:U⊂R2→Mとして与えられた曲面を考えてみよう。α(s)を単純曲面x上の単位速度曲線としよう。それではαのためのフレネ・セレ装置を次のように表記しよう。
{T,N,B,κ,τ}
点p∈Mでの単位法線をnとしよう。点pでMに垂直なすべてのベクトルの集合をNpMとしよう。
NpM:={rn:r∈R}={all vectors perpendicular to M at p}
そのため、接平面の定義により、TpMはNpMの直交補空間だ。
NpM⊥=TpM
したがって、R3は次のように直交分解され、α′′は2つの空間のベクトルの線形結合で表すことができる。
R3=NpM⊕TpMandα′′(s)=n1n(s)+n2n⊥(s)(n∈NpM, n⊥∈TpM)
T=α′を接ベクトルとしよう。αは単位速度ベクトルなので、次の式が成り立つ。
∣α′(s)∣2=∣T(s)∣2=⟨T,T⟩=1
両辺を微分すると、内積の微分法により次を得る。
⟹⟹⟨T,T⟩′=⟨T′,T⟩=⟨α′′,T⟩= 0 0 0
したがって、α′′はTと垂直だ。α′′を分けて書いてみると、nとTは互いに垂直なので、次を得る。
⟹⟹⟹⟨α′′,T⟩=⟨n1n+n2n⊥,T⟩=⟨n1n,T⟩+⟨n2n⊥,T⟩=⟨n2n⊥,T⟩= 0 0 0 0
したがって、n⊥はnとTの両方と垂直なベクトルであることがわかる。そこで、ベクトルSを次のように定義しよう。
S:=n×Tandα′′=n1n+sS
Sをαの内在的法線と呼ぶ。
定義
nの成分n1を単位速度曲線αの法曲率と呼び、κnと表記する。
κn:=⟨α′′,n⟩
Sの成分sを単位速度曲線αの測地曲率と呼び、κgと表記する。
κg:=⟨α′′,S⟩
したがって、次の式が成り立つ。
κ(s)N(s)=T′(s)=α′′(s)=κn(s)n(s)+κg(s)S(s)
説明
法曲率κnは曲面MがR3でどれくらい曲がっているかを測るのに使われる。測地曲率κgは曲線αが曲面Mでどれくらい曲がっているかを測るのに使われる。例えば、測地曲率κgが0である曲線は、曲面上の直線、つまり測地線を意味することになる。
n,Sが単位ベクトルであるので、上の定義により次の式が成り立つ。
κ2=κn2+κg2