Om første og anden fundamentalform

Relaterede dokumenter
GEOMETRI-TØ, UGE 12. A σ (R) = A f σ (f(r))

STEEN MARKVORSEN DTU COMPUTE 2017

GEOMETRI-TØ, UGE 3. og resultatet følger fra [P] Proposition 2.3.1, der siger, at

STEEN MARKVORSEN DTU COMPUTE 2016

Bevægelsens Geometri

DesignMat Uge 1 Gensyn med forårets stof

8 Regulære flader i R 3

EKSAMENSOPGAVELØSNINGER CALCULUS 2 (2005) JANUAR 2006 AARHUS UNIVERSITET.. Beregn den retningsafledede D u f(0, 0).

Tidligere Eksamensopgaver MM505 Lineær Algebra

Skriftlig eksamen Vejledende besvarelse MATEMATIK B (MM02)

Taylors formel. Kapitel Klassiske sætninger i en dimension

Uge 11 Lille Dag. Opgaver til OPGAVER 1. Det ortogonale komplement

Kurver og flader i geometri, arkitektur og design 23. lektion

Sylvesters kriterium. Nej, ikke mit kriterium. Sætning 9. Rasmus Sylvester Bryder

Geometriske grundbegreber 8. lektion

Kurver og flader Aktivitet 15 Geodætiske kurver, Isometri, Mainardi-Codazzi, Teorema Egregium

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen Juni 2017

x 2 + y 2 dx dy. f(x, y) = ln(x 2 + y 2 ) + 2 1) Angiv en ligning for tangentplanen til fladen z = f(x, y) i punktet

Oversigt [LA] 10, 11; [S] 9.3

Lineær algebra: Egenværdier, egenvektorer, diagonalisering

Chapter 3. Modulpakke 3: Egenværdier. 3.1 Indledning

Det teknisk-naturvidenskabelige basisår Matematik 1A, Efterår 2005, Hold 3 Prøveopgave A

GEOMETRI-TØ, UGE 11. Opvarmningsopgave 2, [P] (i,ii,iv). Udregn første fundamentalform af følgende flader

DESIGNMAT FORÅR 2012: UGESEDDEL Forberedelse Læs alle opgaverne fra tidligere ugesedler, og læg særlig mærke til dem du har spørgsmål til.

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær Eksamen - 5. Januar 2018

Nøgleord og begreber. Definition 15.1 Den lineære 1. ordens differentialligning er

Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Nøgleord og begreber. Definition multiplikation En m n-matrix og en n p-matrix kan multipliceres (ganges sammen) til en m p-matrix.

Oversigt [S] 7.3, 7.4, 7.5, 7.6; [LA] 15, 16, 17

Ekstremum for funktion af flere variable

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 6

Symmetriske og ortogonale matricer Uge 7

Eksamen maj 2019, Matematik 1, DTU

Oversigt [LA] 3, 4, 5

Oversigt Matematik Alfa 1, August 2002

9.1 Egenværdier og egenvektorer

Besvarelse af Eksamensopgaver Juni 2005 i Matematik H1

5 opgaver er korrekt besvarede.

Besvarelser til Lineær Algebra med Anvendelser Ordinær Eksamen 2016

Gradienter og tangentplaner

Københavns Universitet, Det naturvidenskabelige Fakultet. Forelæsningsnote 8. (NB: Noten er ikke en del af pensum)

Besvarelser til Lineær Algebra Ordinær eksamen - 6. Juni 2016

Calculus Uge

z 1 = z 1z 1z 1 z 1 2 = z z2z 1 z 2 2

Ølopgaver i lineær algebra

Vejledende besvarelse på august 2009-sættet 2. december 2009

Diagonalisering. Definition (diagonaliserbar)

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Kvadratiske matricer. enote Kvadratiske matricer

Symmetriske matricer

Lineær Algebra - Beviser

GAUSS-BONNET HANS PLESNER JAKOBSEN

Lokalt ekstremum DiploMat 01905

Lineære normale modeller (1) udkast. 1 Flerdimensionale stokastiske variable

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Egenværdier og egenvektorer

NATURVIDENSKABELIG KANDIDATEKSAMEN VED KØBENHAVNS UNIVERSITET. MI 2007 Obligatorisk opgave 4

Matematik F2 Opgavesæt 2

Eksamen i Lineær Algebra

DesignMat Uge 2. Preben Alsholm. Efterår Lineære afbildninger. Preben Alsholm. Lineære afbildninger. Eksempel 2 på lineær.

MASO Uge 8. Invers funktion sætning og Implicit given funktion sætning. Jesper Michael Møller. Department of Mathematics University of Copenhagen

Lineær algebra 1. kursusgang

Kursusgang 3 Matrixalgebra Repetition

Prøveeksamen MR1 januar 2008

Opgave 1 - løsning 1) De partielle afledede beregnes. Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. f x = y 1 (x + y) 2.

OPGAVE 1 Det nedenstående klip er fra et Maple-ark hvor en reel funktion f (x, y) med definitionsmængden (x,y) x 2 + y 2 < 1 } bliver undersøgt:

Oversigt [LA] 1, 2, 3, [S] 9.1-3

Module 1: Lineære modeller og lineær algebra

Vektorfelter langs kurver

Vektorfunktioner. (Parameterkurver) x-klasserne Gammel Hellerup Gymnasium

Besvarelser til Calculus Ordinær eksamen - Forår - 6. Juni 2016

Lineære 1. ordens differentialligningssystemer

Hilbert rum. Chapter Indre produkt rum

Opgave 1 Lad R betegne kvartcirkelskiven x 2 + y 2 4, x 0, y 0. (Tegn.) Udregn R x2 y da. Løsning y. Opgave 1 - figur. Calculus Uge 50.

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Lineære 2. ordens differentialligninger med konstante koefficienter

Klassisk Taylors formel

Affine transformationer/afbildninger

Eksamen i Lineær Algebra

Maj 2013 (alle opgaver og alle spørgsmål)

Differentialligninger Hvad beskriver en differentialligning? Hvordan noget ændrer sig (oftest over tid). Tangenthældninger langs en kurve.

DesignMat Uge 4 Systemer af lineære differentialligninger I

Besvarelser til de to blokke opgaver på Ugeseddel 7

To find the English version of the exam, please read from the other end! Eksamen i Lineær Algebra

Affine rum. a 1 u 1 + a 2 u 2 + a 3 u 3 = a 1 u 1 + (1 a 1 )( u 2 + a 3. + a 3. u 3 ) 1 a 1. Da a 2

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen - 3. Januar 2017

DesignMat Uge 1 Repetition af forårets stof

Lineær Algebra eksamen, noter

Besvarelser til Calculus og Lineær Algebra Globale Forretningssystemer Eksamen - 3. Juni 2014

Egenværdier og egenvektorer

Opgave 1 Betragt funktionen. x + y for x > 0, y > 0. 3) Angiv en enhedsvektor u så at den retningsafledede D u f(5, 2) er 0.

Lineær Algebra F08, MØ

EKSAMEN Flerdimensional Analyse Sommer sider

Besvarelser til Calculus Ordinær Eksamen Juni 2018

MASO Uge 7. Differentiable funktioner. Jesper Michael Møller. Uge 7. Formålet med MASO. Department of Mathematics University of Copenhagen

DesignMat Uge 11 Lineære afbildninger

Vektorfelter. enote Vektorfelter

Matematisk modellering og numeriske metoder. Lektion 5

Noter om Komplekse Vektorrum, Funktionsrum og Differentialligninger LinAlg 2004/05-Version af 16. Dec.

MATEMATIK A-NIVEAU. Kapitel 1

Transkript:

Geometri, foråret 2005 Jørgen Larsen 9. marts 2005 Om første og anden fundamentalform 1 Tangentrummet; første fundamentalform Vi betragter en flade S parametriseret med σ. Lad P = σu 0, v 0 være et punkt på fladen; tangentrummet T P er vektorunderrummet bestående af alle tangentvektorer til S i P, dvs. underrummet udspændt af vektorerne σ u og σ v udregnet i P eller mere præcist udregnet i punktet u 0, v 0. En vektor t T P kan på entydig måde skrives som t = ξσ u + σ v 1 ξ hvor er koordinaterne for t i forhold til basen {σ u, σ v } for T P. Hvis vi med Dσ betegner 3 2-matricen af partielle afledede af koordinatfunktionerne i σ med hensyn til hhv. u og v, dvs. de to søjler i Dσ er σ u og σ v, så kan 1 også skrives som matrixproduktet ξ t = Dσ. 2 Vi kan udtrykke det indre produkt af to vektorer i T P ved deres koordinater i basen {σ u, σ v }: side 132 hvis t 1 = ξ 1 σ u + σ v og t 2 = ξ 2 σ u + σ v, så er altså hvor t 1 t 2 = ξ 1 σ u + σ v ξ 2 σ u + σ v = ξ 1 ξ 2 σ u σ u + ξ 1 σ u σ v + ξ 2 σ v σ u + σ v σ v t 1 t 2 = T F F = Dσ T σu σ Dσ = u σ u σ v σ u σ v σ v σ v er matricen hørende til fladens første fundamentalform. Traditionelt betegnes elementerne E F i F med E, F og G, dvs. man har F =. F G Af 3 følger at T ξ ξ t 2 = t t = F, 4 3

Om 1. og 2. fundamentalform Side 2 af 7 og da t 2 0 med lighedstegn hvis og kun hvis t = 0, dvs. hvis og kun hvis ξ = = 0, så er F positivt definit. ξ Hvis vi ganger på begge sider af 2 med Dσ T, får vi Dσ T t = F, og da F er bijektiv fordi den er positivt definit, er dette ensbetydende med at ξ = F 1 Dσ T t. 5 Formlerne 1 og 5 er hinandens inverse: den første viser hvordan t bestemmes ud fra ξ og, og den anden hvordan ξ og bestemmes ud fra t. 2 sometrier og konforme afbildninger Vi betragter nu en kurve γ som forløber på fladen S, og som går gennem P. Vi kan jf. bogens afsnit 4.3 antage at γ er af formen γt = σut, vt for velvalgte glatte funktioner u og v, og at ut 0 = u 0, vt 0 = v 0 og dermed γt 0 = P. følge kædereglen er γt = ut σ u ut, vt + vt σ v ut, vt eller kort Kurvens buelængde regnet fra γt 0 er st = γ 2 = γ = uσ u + vσ v. 6 T u u F v v t t 0 γu du, og ifølge 4 er side 98 = E u 2 + 2F u v + G v 2, dvs. buelængden afhænger dels af fladens første fundamentalform, dels af tangentvektorerne for kurven t ut, vt. En diffeomorfi f : S S kaldes en isometri hvis det for enhver kurve γ på S gælder at Def. 5.1 kurven f γ på S har samme buelængdefunktion som kurven γ. Af de foregående betragtninger følger umiddelbart at hvis der for ethvert kort patch Thm. 5.1 σ på S gælder at σ og f σ [som er et kort en patch på S] har samme første fundamentalform, så er f en isometri. Det omvendte gælder også: hvis f er en isometri, så har σ og f σ samme første fundamentalform. Det indses således: På grund af isometrien er for enhver kurve T u u F v v = T u u F v v hvor F er første fundamentalform for f σ. Da man til enhver given vektor ut0 ξ en kurve t ut, vt således at =, kan vi konkludere at vt 0 T ξ ξ F = ξ T ξ F ξ kan finde

Om 1. og 2. fundamentalform Side 3 af 7 for alle ξ R 2, og deraf følger ved brug af nedenstående lemma 1 at F = F. Hvis t 1 = ξ 1 σ u + σ v og t 2 = ξ 2 σ u + σ v er to vektorer i T P, så gælder om vinklen θ mellem dem at T F cos θ = t 1 t 2 t 1 t 2 = T T F F 7 Hvis to kurver på S skærer hinanden, så er skæringsvinklen vinklen mellem kurvernes tangentvektorer i skæringspunktet. En diffeomorfi f : S S kaldes en konform afbildning hvis det er sådan at skæringsvinklen Def. 5.2 mellem γ 1 og γ 2 er lig skæringsvinklen mellem f γ 1 og f γ 2 for alle kurver γ 1 og γ 2 [på S] der skærer hinanden. Af formel 7 følger umiddelbart at hvis der findes en skalarfunktion λ således at F = λf, så er f konform. Her er som før F første fundamentalform for f σ; både F, F og λ afhænger af u, v. Det omvendte gælder også: Hvis f er konform, så er første fundamentalformerne proportionale, thi da der findes kurver på S der skærer hinanden og har vilkårlige vektorer t 1 og t 2 som tangentvektorer i skæringspunktet, får vi ved hjælp af 7 at T F T F T T = F F T T F F for alle og i R 2. Herefter følger det ønskede af lemma 2. Lemma 1 Hvis A er en symmetrisk n n-matrix, så er x T Ay = x + y T Ax + y x y T Ax y /4 for alle x, y R n. Bevis Gang ud på højresiden og reducér. Lemma 2 Lad A og B være positivt definitte n n-matricer om hvilke det gælder at x T Ay xt Axy T Ay = x T By xt Bxy T By 8 for alle x, y R n. Så findes et tal λ > 0 således at B = λa.

Om 1. og 2. fundamentalform Side 4 af 7 Bevis Fra lineær algebra vides at der findes en positivt definit matrix A 1/2 med den egenskab at A 1/2 A 1/2 = A. Hvis vi i 8 erstatter x med A 1/2 1 x og y med A 1/2 1 y, får vi x T y x y = x T Cy xt Cxy T Cy 9 hvor C = A 1/2 1 BA 1/2 1. Da C er positivt definit, findes der en ortonormalbasis af egenvektorer for C, og hvis vi opererer i denne basis, bliver C en diagonalmatrix med egenværdierne λ 1, λ 2,..., λ n som alle er positive i diagonalen. Hvis vi da i 9 indsætter den vektor x som har 1/ n på alle koordinatpladserne, og den vektor y som har 0 på alle pladser undtagen nr. i hvor der står et 1, så får vi 1/ n = λ i / n 1, n n j=1 λ jλ i der medfører at λ i = 1 n n j=1 λ j, dvs. alle λ i -erne er ens. Kald den fælles værdi for λ. Så er C = λ, og da også C = A 1/2 1 BA 1/2 1, kan vi eliminere C og får at B = λa. 3 Anden fundamentalform Vi vil beskrive fladens krumning, og det vil vi gøre ved at beskrive hvordan fladens enhedsnormalvektor N = NP ændrer sig ved infinitesimale ændringer af P. N er pr. definition σ u σ v / σ u σ v. Betragt en kurve γt = σut, vt på S gennem P. Da Nγt = N γut, vt, er ifølge kædereglen d dt N γ = u N σ u + v N σ v. 10 Antag at vi har endnu en kurve γt = σũt, ṽt på S således at γt 0 = γt 0 = P, og således at γ har samme tangentvektor som γ i P, dvs. γt 0 = γt 0. Dermed er jf. 6 uσ u + vσ v = ũσ u + ṽσ v hvor alle størrelserne udregnes i t 0, og da {σ u, σ v } er en basis, medfører dette at u = ũ og v = ṽ i t 0 ; formel 6 viser da at d dt N γt 0 = d dt N γt 0, d dvs. dt N γ afhænger kun af γ via γ. Da der til enhver vektor t T P \ {0} findes en kurve γ som går gennem P og som i P har t som tangentvektor, har det alt i alt mening at definere en afbildning dn P : T P R 3 ved at sige at dn P t skal betyde d dt N γt 0 for en eller anden kurve γ på S med den egenskab at γt 0 = P og γt 0 = t. Der er ingen regulær kurve der har nul-vektoren som tangentvektor, så ovenstående forudsætter at t 0; vi sætter dn P 0 = 0. Da N er en enhedsvektor, vil dn P t stå vinkelret på N Proposition 1.2, dvs. dn P t ligger i tangentrummet. dn P afbilder altså T P ind i sig selv. Hvis t = ξσ u + σ v er en vilkårlig vektor i T P, så er jf. ligning 10 dn P t = ξ N σ u + N σ v = ξ N u + N v = N u N v ξ hvor N u = N σ u og N v = N σ v. Heraf ses at afbildningen t dn P t er lineær.

Om 1. og 2. fundamentalform Side 5 af 7 Samenfattende har vi altså at dn P er en lineær afbildning af T P ind i sig selv. følge formel 5 er koordinaterne for vektoren dn P t i forhold til basen {σ u, σ v } ξ ξ F 1 Dσ T dn P t = F 1 Dσ T N u N v = F 1 F, hvor F = Dσ T N u σu N N v = u σ u N v σ v N u σ v N v er matricen hørende til fladens anden fundamentalform. Den lineære afbildning t dn P t af T P ind i sig selv har således F 1 F som tilhørende matrix når man opererer med vektorernes koordinater i forhold til basen {σ u, σ v }. Matricen F 1 F kaldes undertiden Weingarten-matricen. side 139 Af definitonen på F følger umiddelbart at F 1 F = F 1 Dσ T N u N v 11 følge formel 5 er F 1 Dσ T matricen for den afbildning der omregner til koordinater i forhold til basen {σ u, σ v }. Formel 11 fortæller derfor at søjlerne i F 1 F er koordina- Prop. 6.4 terne for vektorerne N u og N v i forhold til denne basis. Hvis man differentierer hver af de to identiteter σ u N = 0 og σ v N = 0 med hensyn til u og v, får man fire ligninger der samlet kan skrives som σu N u σ u N v σuu N σ = uv N. σ v N u σ v N v σ uv N σ vv N Heraf ses umiddelbart at F er en symmetrisk matrix. Man bruger undertiden betegnelsen L M L, M og N for elementerne i denne matrix: F =. M N 4 Krumning Lad γ være en unit-speed kurve på fladen S. Da γ er konstant, er γ og γ ortogonale. Vektorerne N og N γ udgør en ortonormalbasis for underrummet af vektorer der står vinkelret på γ, og derfor kan γ på entydig måde skrives som side 127 γ = κ n N + κ g N γ. Koefficienterne er henholdsvis kurvens normalkrumning κ n og kurvens geodætiske krumning κ g. Da der er tale om en ortonormalbasis, er κ n = γ N κ g = γ N γ κ 2 = κ 2 n + κ 2 g hvor κ = γ er den sædvanlige krumning af γ. Fladens normalvektor står vinkelret på alle tangentvektorer, specielt på γ, så N γ γ = 0. Her kan vi differentiere med hensyn til t på begge sider og får da d dt N γ γ + N γ γ = 0

Om 1. og 2. fundamentalform Side 6 af 7 eller dn P γ γ = κ n. 12 Denne formel viser at og hvordan κ n kan beregnes ud fra kendskab til dn P og kurvens tangentvektor. Hvis t 1 og t 2 er to vektorer i T P, så kan vi udtrykke dn P t 1 t 2 ved hjælp af deres {σ u, σ v }-koordinater jf. formel 3: altså dn P t 1 t 2 = F 1 F T dn P t 1 t 2 = F = T F T FF T 1 F,. 13 Hvis man som et specialtilfælde lader t 1 og t 2 være den samme vektor, nemlig tangentvektoren for en unit-speed kurve γt = σut, vt, får vi med brug af 12 at Prop. 6.1 5 Hovedkrumninger κ n = T u F v u = L u 2 + 2M u v + N v 2. v Da højresiden i formel 13 er symmetrisk i koordinaterne for t 1 og t 2 fordi F er symmetrisk, gælder der at dn P t 1 t 2 = t 1 dn P t 2, dvs. den lineære afbildning dn P er selvadjungeret. Derfor findes der en ortonormalbasis Prop. 6.3 {e 1, e 2 } for T P af egenvektorer for dn P, og de tilhørende egenværdier κ 1 og κ 2 er reelle. Egenvektorerne kaldes for hovedkrumningsretninger og egenværdierne kaldes for hovedkrumningerne eng.: principal curvature. Hvis egenværdierne er ens, er egenrummet todimensionalt, dvs. alle vektorer er egenvektorer man kalder da P for et navlepunkt; ellers er der to endimensionale egenrum. Egenværdierne kan findes ved at løse andengradsligningen eller ensbetydende hermed detf 1 F κ = 0 detf κf = 0. Egenvektorernes koordinater i basen {σ u, σ v } findes derefter som løsninger til F 1 ξi ξi F = κ i i i eller i = 1, 2. ξi ξi F = κ i F i i

Om 1. og 2. fundamentalform Side 7 af 7 Hvis t har koordinaterne a i forhold til ortonormalbasen {e 1, e 2 } af egenvektorer, er b dn P t t = dn P ae 1 + be 2 ae 1 + be 2 = aκ 1 e 1 + bκ 2 e 2 ae 1 + be 2 = κ 1 a 2 + κ 2 b 2. Hvis γ er på naturlig parameterfremstilling, er γ = 1, så man kan skrive koordinaterne cos θ for γ i {e 1, e 2 }-basen som hvor θ er vinklen mellem e 1 og γ. Formel 12 for sin θ normalkrumningen for γ antager derfor følgende udseende Eulers formel: Cor. 6.1 κ n = κ 1 cos 2 θ + κ 2 sin 2 θ. Heraf følger blandt andet at mængden af mulige normalkrumninger for kurver gennem P er Cor. 6.2 det afsluttede interval med endepunkter κ 1 og κ 2.