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매개변수화된 곡면 📂기하학

매개변수화된 곡면

정의1

  • 열린집합 UR2U \subset \mathbb{R}^{2}에 대해, 연결집합 AR2A\subset \mathbb{R}^{2}가 다음을 만족한다고 하자.

    UAUandA is piecewise differentiable U \subset A \subset \overline{U} \quad \text{and} \quad \partial A \text{ is piecewise differentiable}

    s:AMs : A \to M미분다양체 MM 안의 매개변수화된 곡면parameterized surface in MM이라 한다.

  • ss를 따른 벡터필드 VVvector field VV along ss란, 각각의 qAq \in AV(q)Ts(q)MV(q) \in T_{s(q)}M으로 매핑하며 다음의 센스로 미분가능한 함수이다:

    만약 ffMM 위에서 미분가능한 함수이면, 함수 qAV(q)fRq \in A \mapsto V(q)f \in \mathbb{R}도 미분가능하다.

설명

(u,v)(u, v)R2\mathbb{R}^{2} 위의 데카르트 좌표라고 하자. 고정된 v0v_{0}에 대해서, 함수 us(u,v0)u \mapsto s(u,v_{0})MM 위의 곡선이다. R2\mathbb{R}^{2} 위의 탄젠트 공간의 표준 기저를 생각하면 {u,v}\left\{ \frac{\partial }{\partial u}, \frac{\partial }{\partial v} \right\}이다. ss미분dsds의 함숫값 ds(u)ds(\frac{\partial }{\partial u})를 간단히

su \dfrac{\partial s}{\partial u}

라고 표기하자. 그러면 su\dfrac{\partial s}{\partial u}곡선 us(u,v0)u \mapsto s(u,v_{0})를 따르는 벡터필드이다. sv\dfrac{\partial s}{\partial v}도 같은 방식으로 정의되는 ss를 따르는 벡터필드이다. 미분기하에서 좌표조각사상에 대해서도 이와 비슷한 것을 생각해준다.

ss를 따르는 벡터필드 VV를 생각하자. 이제 이 VV공변도함수 DVu\dfrac{D V}{\partial u}, DVv\dfrac{D V}{\partial v}를 정의할 것이다. 곡선 us(u,v0)u \mapsto s(u, v_{0}) 위로의 VV축소사상을 생각하자. 그러면 DVdu(u,v0)\dfrac{DV}{du}(u,v_{0})를 이 축소사상의 공변도함수라고 정의할 수 있다. 이를 모든 v0v_{0}에 대해서 생각할 수 있으므로 DVu(u,v)\dfrac{DV}{\partial u}(u, v)가 모든 (u,v)A(u,v) \in A에 대해서 정의된다. DVv\dfrac{D V}{\partial v}도 같은 방식으로 정의된다.

대칭성

MM대칭 접속을 가지는 미분다양체, s:AMs : A \to M을 매개변수화된 곡면이라고 하자. 그러면 다음이 성립한다.

Dvsu=Dusv \dfrac{D}{\partial v}\dfrac{\partial s}{\partial u} = \dfrac{D}{\partial u}\dfrac{\partial s}{\partial v}

증명

x:URnM\mathbf{x} : U \subset \mathbb{R}^{n} \to Ms(A)s(A)의 점 근방을 포함하는 좌표계라고 하자. 다시말해 s(A)x(U)s(A) \subset \mathbf{x}(U)가 되도록 좌표계를 잡아온 것이다. 그러면 x1s(u,v)\mathbf{x}^{-1} \circ s(u,v)Rn\mathbb{R}^{n}의 점이고, 이를 다음과 같이 표기하자.

x1s(u,v)=(s1(u,v),,sn(u,v)) \mathbf{x}^{-1} \circ s (u,v) = \left( s^{1}(u,v), \dots, s^{n}(u,v) \right)

또한 s:AMs : A \to M이고 ss미분ds:T(u,v)ATs(u,v)Mds : T_{(u,v)}A \to T_{s(u,v)}M이다. AA의 좌표는 (u,v)(u, v)이고, MM의 좌표는 x1=(s1,,sn)\mathbf{x}^{-1} = \left( s^{1}, \dots, s^{n} \right)이므로,

ds=[s1us1vsnusnv] ds = \begin{bmatrix} \dfrac{\partial s^{1}}{\partial u} & \dfrac{\partial s^{1}}{\partial v} \\ \vdots \\ \dfrac{\partial s^{n}}{\partial u} & \dfrac{\partial s^{n}}{\partial v} \end{bmatrix}

T(u,v)AT_{(u,v)}A의 기저는 {u,v}\left\{ \dfrac{\partial }{\partial u}, \dfrac{\partial }{\partial v} \right\}좌표벡터[10]\begin{bmatrix} 1 \\ 0\end{bmatrix}이다. 따라서

su=ds(u)=[s1us1vsnusnv][10]=[s1usnu]=isiuxi \dfrac{\partial s}{\partial u} = ds(\dfrac{\partial }{\partial u}) = \begin{bmatrix} \dfrac{\partial s^{1}}{\partial u} & \dfrac{\partial s^{1}}{\partial v} \\ \vdots & \vdots \\ \dfrac{\partial s^{n}}{\partial u} & \dfrac{\partial s^{n}}{\partial v} \end{bmatrix} \begin{bmatrix} 1 \\ 0\end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \dfrac{\partial s^{1}}{\partial u} \\ \vdots \\ \dfrac{\partial s^{n}}{\partial u} \end{bmatrix} = \sum_{i} \dfrac{\partial s^{i}}{\partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{i}}

이제 Dv(su)\dfrac{D }{\partial v}\left( \dfrac{\partial s}{\partial u} \right)를 계산해보면, 공변도함수의 성질 에 의해,

Dv(su)=Dv(jsjuxj)=j2sjvuxj+jsjuDvxj=j2sjvuxj+i,jsjus/uxj=j2sjvuxj+i,jsjusiuxixj=j2sjvuxj+i,jsjusiuxixj=k2skvuxk+i,j,ksjusiuΓijkxk \begin{align*} \dfrac{D }{\partial v} \left( \dfrac{\partial s}{\partial u} \right) &= \dfrac{D }{\partial v} \left( \sum_{j} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \right) \\ &= \sum_{j} \dfrac{\partial^{2} s^{j}}{\partial v \partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} + \sum_{j} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial u}\dfrac{D }{\partial v}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \\ &= \sum_{j} \dfrac{\partial^{2} s^{j}}{\partial v \partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} + \sum_{i,j} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial u} \nabla_{{\partial s}/{\partial u}}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \\ &= \sum_{j} \dfrac{\partial^{2} s^{j}}{\partial v \partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} + \sum_{i,j} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial u} \nabla_{\frac{\partial s^{i}}{\partial u}\frac{\partial }{\partial x_{i}}}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \\ &= \sum_{j} \dfrac{\partial^{2} s^{j}}{\partial v \partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} + \sum_{i,j} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial u} \frac{\partial s^{i}}{\partial u}\nabla_{\frac{\partial }{\partial x_{i}}}\dfrac{\partial }{\partial x_{j}} \\ &= \sum_{k} \dfrac{\partial^{2} s^{k}}{\partial v \partial u}\dfrac{\partial }{\partial x_{k}} + \sum_{i,j,k} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial u} \frac{\partial s^{i}}{\partial u}\Gamma_{ij}^{k} \dfrac{\partial }{\partial x_{k}} \\ \end{align*}

그러면 비슷하게 Du(sv)\dfrac{D }{\partial u}\left( \dfrac{\partial s}{\partial v} \right)

Dv(su)=k2skuvxk+i,j,ksjvsivΓijkxk \dfrac{D }{\partial v} \left( \dfrac{\partial s}{\partial u} \right) = \sum_{k} \dfrac{\partial^{2} s^{k}}{\partial u \partial v}\dfrac{\partial }{\partial x_{k}} + \sum_{i,j,k} \dfrac{\partial s^{j}}{\partial v} \frac{\partial s^{i}}{\partial v}\Gamma_{ij}^{k} \dfrac{\partial }{\partial x_{k}}

이때 sk:R2Rs^{k} : \mathbb{R}^{2} \to \mathbb{R}인 미분가능한 함수들이므로 2uv=2vu\dfrac{\partial ^{2}}{\partial u \partial v} = \dfrac{\partial ^{2}}{\partial v \partial u}이다. 따라서

Dv(su)=Dv(su) \dfrac{D }{\partial v} \left( \dfrac{\partial s}{\partial u} \right) = \dfrac{D }{\partial v} \left( \dfrac{\partial s}{\partial u} \right)


  1. Manfredo P. Do Carmo, Riemannian Geometry (Eng Edition, 1992), p67-68 ↩︎