ガウスの偉大な定理
📂幾何学ガウスの偉大な定理
定理[^1]
ガウス曲率 Kは固有的であり、以下が成り立つ。
K=gl∑R121lgl2
ここで、Rijklはリーマン曲率テンソルの係数であり、gとgijはリーマン計量の係数である。
系
Rijkl=∂uj∂Γikl−∂uk∂Γijl+∑p(ΓikpΓpjl−ΓijpΓpkl) for であるので、以下が成り立つ。
K=g1(∂u2∂Γ111−∂u1∂Γ121+Γ111Γ121−Γ121Γ111+Γ112Γ221−Γ122Γ211)(∂u2∂Γ112−∂u1∂Γ122+Γ111Γ122−Γ121Γ112+Γ112Γ222−Γ122Γ212)
説明
これはガウスの定理エグレギウムと呼ばれる。定理エグレギウムは素晴らしい定理、突出した定理などと訳され、ガウス自身がラテン語の論文で使用した用語である。
ガウスがegregiumという表現を使用したのは、ガウス曲率 Kが全くそう思われないからである。ガウス曲率は主曲率の積で定義され、主曲率はユニットノーマル nの変化率を計るバインガルテンマップから求められる。つまり、Kは非常に外的に定義されているが、実際は固有的であるため、ガウスがこの名前を付けたと考えられる。
証明
ガウス方程式により、Rijkl=LikLjl−LijLklである。したがって、以下を得る。
l∑Rijklglm=l∑(LikLjl−LijLkl)glm=l∑(LikLjlglm−LijLklglm)=Likl∑Ljlglm−Lijl∑Lklglm
ここで、glmは第一基本形式の係数である。この時、Ljl=i∑Lijgilであり、k∑gikgkj=δijであるため、以下を得る。
⟹Ljll∑Ljlglm=i∑Lijgil=l∑i∑Lijgilglm=i∑Lijδmi=Lmj
この式に代入すると、
l∑Rijklglm=LikLmj−LijLmk
i=k=1およびj=m=2とすると、
l∑R121lgl2=L22L22−L12L12=det([Lij])=det([(Ljk)(gik)])=det([Ljk])det([gik])=Kg
したがって、
K=gl∑R121lgl2
gは固有的であり、Rijklも固有的であるため、Kは固有的である。
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