가우스 맵의 정의와 가우스 곡률과의 관계

가우스 맵의 정의와 가우스 곡률과의 관계

The Definition of Gauss Map and Its Relation to Gaussian Curvature

정의

$\mathbf{x} : U \to \mathbb{R}^{3}$를 곡면이라고 하자. 곡면 위의 어떤 영역 $\mathscr{R} \subset \mathbf{x}(U)$의 넓이area를 다음과 같이 정의한다.

$$ \begin{align*} A(\mathscr{R}) &= \int\int_{\mathbf{x}^{-1}(\mathscr{R})} [\mathbf{x}_{1}, \mathbf{x}_{2}, \mathbf{n}] du^{1}du^{2} \\ &= \int\int_{\mathbf{x}^{-1}(\mathscr{R})} \sqrt{g} du^{1}du^{2} \end{align*} $$

이때 $[\mathbf{x}_{1}, \mathbf{x}_{2}, \mathbf{n}]$는 스칼라 삼중곱, $g$는 제1 기본형식 계수 행렬의 행렬식이다.

정의1

곡면 $M$ 위의 각 점 $p$를 단위 노멀로 매핑하는 함수 $\nu$를 가우스 맵Gauss map, normal spherical image이라 한다.

$$ \nu : M \to \mathbb{S}^{2} \quad \text{and} \quad \nu(p) = \mathbf{n}_{p} $$

정리

곡면 위의 어떤 영역 $\mathscr{R}$에 대해서 $A(\mathscr{R})$을 $\mathscr{R}$의 넓이라고 하자. 그러면 다음이 성립한다.

$$ K = \lim \limits_{\mathscr{R} \to p} \dfrac{A(\nu(\mathscr{R}))}{A(\mathscr{R})} $$

이때 $K$는 가우스 곡률이다.

증명

$\mathbf{n} : \mathbf{x}^{-1} \to \mathbb{S}^{2}$가 정칙이라고 가정하자. 그러면 좌표조각사상이 된다.

$$ \dfrac{\partial \mathbf{n}}{\partial u_{1}} \times \dfrac{\partial \mathbf{n}}{\partial u_{2}} \ne 0 $$

$\mathbf{n}$ 자체가 하나의 좌표조각사상이므로 다음과 같이 쓸 수 있다.

$$ A( \nu (\mathscr{R})) = \int\int_{\mathbf{x}^{-1}(\mathscr{R})} \left[ \mathbf{n}_{1}, \mathbf{n}_{2}, \mathbf{m} \right] du^{1}du^{2} $$

$$ \mathbf{m} = \dfrac{\mathbf{n}_{1} \times \mathbf{n}_{2}}{\left\| \mathbf{n}_{1} \times \mathbf{n}_{2} \right\|} $$

근데 $\mathbf{m}$은 $\mathbb{S}^{2}$의 노말이므로 사실 $\mathbf{n} = \mathbf{m}$이다.

$$ \lim \limits_{\mathscr{R} \to p} \dfrac{A(\nu(\mathscr{R}))}{A(\mathscr{R})} = \dfrac{\left[ \mathbf{n}_{1}, \mathbf{n}_{2}, \mathbf{n} \right]}{\left[ \mathbf{x}_{1}, \mathbf{x}_{2}, \mathbf{n} \right]} $$

스칼라 삼중곱을 계산하면,

$$ \begin{align*} (\mathbf{n}_{1} \times \mathbf{n}_{2}) \cdot \mathbf{n} &= \left( L(\mathbf{x}_{1})\times L(\mathbf{x}_{2}) \right) \cdot \mathbf{n} \\ &= \left( \left( {L^{1}}_{1}\mathbf{x}_{1} + {L^{2}}_{1}\mathbf{x}_{2} \right) \times \left( {L^{1}}_{2}\mathbf{x}_{1} + {L^{2}}_{2}\mathbf{x}_{2} \right) \right) \cdot \mathbf{n} \\ &= \left( {L^{1}}_{1}{L^{2}}_{2} - {L^{2}}_{1}{L^{1}}_{2} \right) (\mathbf{x}_{1} \times \mathbf{x}_{2}) \cdot \mathbf{n} \end{align*} $$

이때 ${L^{i}}_{j} = \sum \limits_{k} L_{kj}g^{ki}$이다. 따라서

$$ \begin{align*} \lim \limits_{\mathscr{R} \to p} \dfrac{A(\nu(\mathscr{R}))}{A(\mathscr{R})} &= \dfrac{\left[ \mathbf{n}_{1}, \mathbf{n}_{2}, \mathbf{n} \right]}{\left[ \mathbf{x}_{1}, \mathbf{x}_{2}, \mathbf{n} \right]} \\[1em] &= \dfrac{\left( {L^{1}}_{1}{L^{2}}_{2} - {L^{2}}_{1}{L^{1}}_{2} \right) (\mathbf{x}_{1} \times \mathbf{x}_{2}) \cdot \mathbf{n}}{(\mathbf{x}_{1} \times \mathbf{x}_{2}) \cdot \mathbf{n}} \\[1em] &= \left( {L^{1}}_{1}{L^{2}}_{2} - {L^{2}}_{1}{L^{1}}_{2} \right) \\ &= \det ([L_{j}^{i}]) \\ &= K \end{align*} $$


  1. Richard S. Millman and George D. Parker, Elements of Differential Geometry (1977), p130-131 ↩︎

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