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English

第一基本形式と第二基本形式が分ける「中の幾何」と「外の形」

曲面には 2 通りの見方があります。面の上に住む人が測れる量と、外から眺めて分かる量。

前者を書き留めるのが第一基本形式、後者を書き留めるのが第二基本形式です[1,2]。名前は似ていますが、担当している範囲が違います。

以下では 2 つを定義から書き下し、長さと面積が第一基本形式だけで決まること、曲がり方は第二基本形式が持つことを確かめ、両者を結ぶガウスの方程式まで進みます。

曲面をパラメータで書く

曲面を と表します。 を動かすと の中に面が描かれる。

接平面は が張ります。この 2 本が一次独立であることを、正則なパラメータ表示の条件として課す。

以下では を仮定します。潰れた点は扱いません。

第一基本形式

接ベクトルどうしの内積を、パラメータの言葉で書きます。

とおくと、線素は になります[1,3]

これが第一基本形式です。 の内積を接平面に制限したもの。

長さを測る

曲面上の曲線 の長さは

です[5] だけで書けている。

曲面がどう置かれているかは要りません。面の中の情報だけで長さが決まる。

角度と面積も決まる

2 本の接ベクトルのなす角は、内積を長さで割れば出ます。第一基本形式があれば計算できる。

面積要素は

です[1,3] の長さを、ラグランジュの恒等式で書き直した形。

は、2 本の接ベクトルが平行でないことと同値です。

内在的とは何か

面の上に住む人が測れる量を内在的といいます。長さ、角度、面積、測地線。

第一基本形式はこの全部を決めます。したがって内在的な幾何は、 にすべて入っている[1]

外から見た形は入りません。同じ第一基本形式を持つ 2 つの曲面が、空間の中では違う形をしていることがある。

例:平面と円柱

平面を と書けば です。

円柱を と書いても 。同じ第一基本形式になります[1]

紙を丸めても、紙の上に描いた図形の長さと角度は変わりません。局所的に等長。

例:球面

半径 の球面を と書きます。

です[3]。面積要素は

積分すれば になります。第一基本形式だけから球の表面積が出る。

例:回転面

平面の曲線 軸まわりに回します。

です。母線を弧長でとれば

は、緯線と経線が直交することを意味します。回転面の便利なところ。

単位法ベクトル

外から見る量を書くには、面の向きを決める必要があります。

が単位法ベクトルです[2]。パラメータの向きを変えると符号が変わる。

を選んだ時点で、内在的でない情報が入ります。面の外の方向を指しているため。

第二基本形式

と 2 階微分の内積をとります。

とおき、 とする[2]。これが第二基本形式です。

面が接平面からどれだけ離れていくかを測ります。 階の項なので、離れ方の主要部。

接平面からのずれを測る

で接平面をとり、そこからの高さを測ります。テイラー展開すると

の形になります。第二基本形式が高さの 次の項そのもの。

が正定値なら、面は接平面の片側にあります。不定符号なら、両側にまたがる。

2 本の曲線が同じ側へ曲がっていれば、面は接平面の片側にあります。反対側へ割れれば鞍。

この符号の情報が第二基本形式に入っています。第一基本形式には入っていません。

ガウス写像

各点にその点の単位法ベクトルを対応させる写像 をガウス写像といいます[4]

面が平らなら は動きません。曲がっているほど、 が球面の上を大きく動く。

曲がり具合を「法線の動き」として測る、という発想です。

ガウス写像の像で曲率を測る

面の上を歩くと、法線が球面の上を動きます。動く速さが曲がり具合。

面が平らな部分では、右の点がほとんど動きません。曲がりの強いところで速く動く。

ガウス曲率は、この写像のヤコビ行列式です[4]。面の小さな領域が、球面の上でどれだけの面積に化けるか。

形状作用素

ガウス写像の微分を と書き、形状作用素またはワインガルテン写像といいます。

接平面から接平面への線型写像です。 が単位ベクトルなので、 は接平面に値をとる。

第二基本形式との関係は

です[2]。第二基本形式を、計量で 型に直したものが

第一基本形式

面の中で測れる量。長さ、角度、面積、測地線を決めます。 の内積を制限したもの。

第二基本形式

外から見た曲がり方。接平面からの離れ方を測ります。法ベクトルを選ばないと書けません。

法曲率

接方向 を選び、その方向の法曲率を

で定めます。 が張る平面で切った断面の曲率。

分母で割るのは、 の長さに依らない量にするため。方向だけで決まります。

形状作用素の言葉では です。レイリー商の形。

例:球面の 2 つの形式

半径 の球面で を内向きにとると、 です。

第一基本形式と見比べると になっています。比が定数。

したがって法曲率はどの方向でも です。球面がどの方向にも同じだけ曲がっていること。

例:平面

平面では が定ベクトルなので、 などとの内積が です。

第二基本形式が恒等的に になります。接平面から離れない。

第一基本形式は ではありません。長さも角度も測れる。2 つの形式が独立であることの分かりやすい例。

例:円柱

ととります。

です。 方向には曲がり、 方向にはまっすぐ。

第一基本形式は平面と同じでした。第二基本形式だけが違う。外から見た形が違うのに、中の幾何は同じ。

平面と円柱について、正しいものはどれか。

  • 第一基本形式も第二基本形式も一致する
  • 第一基本形式は一致し、第二基本形式は違う
  • 第一基本形式は違い、第二基本形式は一致する
  • どちらも一致しない
__RESULT__

紙を丸めても長さと角度が変わらないので、第一基本形式は同じです。曲がり方は変わるので、第二基本形式は違います。

3 つの形を並べる

第二基本形式の符号で、面の形が 3 通りに分かれます。

左は接平面の片側だけ、右は両側にまたがります。真ん中はその境目。

分類は第二基本形式の固有値の符号で決まります。第一基本形式は関与しません。

例:鞍型曲面

を原点で見ます。 で、

第二基本形式は で、符号が割れます。双曲点。

方向には上へ、 方向には下へ曲がる。馬の鞍の形。

例:懸垂面

をとります。石鹸膜が作る形。

計算すると で、

第二基本形式の対角成分が符号違いで同じ大きさです。曲がり方が 2 方向で釣り合っている。

コダッチの方程式

ガウスの方程式のほかに、もう 1 本の関係式があります。第二基本形式の微分についての条件。

がコダッチの方程式です。 の中の曲面では、この形になります。

2 本の形式を勝手に置いてよいわけではありません。この 2 本の方程式が両立の条件。

高次元への一般化

の曲面に限らず、リーマン多様体の部分多様体でも同じ枠組みが使えます。

第二基本形式は、法束に値をとる対称な 型テンソルになります。法方向が 次元でないので、値がベクトルになる。

余次元 なら法方向が 1 本なので、スカラー値に戻ります。曲面の話が特別に簡単なのはこのため。

ガウスの方程式

2 つの形式は独立ではありません。曲面のリーマン曲率テンソルが

と書けます[2]。左辺は第一基本形式だけから決まる量、右辺は第二基本形式だけの式。

次元ではこの式が にまとまります。第二基本形式で書いた量が、じつは内在的。

驚異の定理

ガウス曲率が第一基本形式だけで決まる、というのが驚異の定理です[6]

定義には が要ります。ところが結果は、面の中の測定だけで決まる。

平面と円柱がどちらも なのは、この定理と整合しています。等長な面は同じガウス曲率を持つ。

例:地図が作れない理由

球面は 、平面は です。等長な写像は存在しません[6]

したがって地球の地図には、必ず長さか角度か面積のどれかの歪みが出ます。どの図法も何かを諦めている。

紙を球面に貼ろうとすると皺が寄るのも同じ理由。

例:ピザを折る

ピザの一切れを横に折ると、先が垂れなくなります。

折り目の方向に曲率が入ったので、 を保つには直交方向の曲率が でなければならない。垂れる自由が奪われます。

驚異の定理が台所で効いている例[6]

曲面論の基本定理

第一基本形式と第二基本形式が、ガウスの方程式とコダッチの方程式を満たしていれば、その 2 つを持つ曲面が存在します。

しかも の合同変換を除いて一意です。2 つの形式が曲面を決める、という主張。

曲線の曲率と捩率が曲線を決めることの、次元を 1 つ上げた形になります。

よくある誤り

第一基本形式に曲がり方の情報が入っていると思う。ガウス曲率は出ますが、平均曲率は出ません
第二基本形式を書くのに法ベクトルが要らないと思う。向きを選ばないと符号が定まりません
法曲率を第二基本形式だけで書く。第一基本形式で割る必要があります
の符号を確かめずに面積を計算する。正であることが正則性の条件です
平面と円柱の第一基本形式が違うと思う。局所的には同じです
第二基本形式が なら第一基本形式も だと思う。平面が反例になります
ガウス曲率と平均曲率をどちらも内在的だと思う。内在的なのはガウス曲率だけです

参考文献

First fundamental form
Second fundamental form
Erste Fundamentalform
Gauss map
Première forme fondamentale
Theorema Egregium
第一基本形式は面の上で測れる長さ・角度・面積を決め、第二基本形式は接平面からの離れ方を測ります。平面と円柱は第一基本形式が同じで第二基本形式が違う。紙を丸めても中の幾何は変わらない、ということです。2 つは独立ではなく、ガウスの方程式が結びます。第二基本形式で書いたガウス曲率が、じつは第一基本形式だけで決まる。これが驚異の定理で、地図に必ず歪みが出ることも、折ったピザが垂れないことも同じ理由から出ます。