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主曲率とは〜曲面の曲がり方を 2 つの数で言い表す

曲面の曲がり方は、方向によって違います。円柱なら、輪の向きには曲がっていて、軸の向きにはまっすぐ。

方向ごとの曲がり方を全部並べても扱いにくいので、最大と最小の 2 つだけをとり出します。これが主曲率で、ほかの方向はこの 2 つから決まる[1]。

以下では法曲率の定義から主曲率をとり出し、オイラーの公式で全方向が復元されることを見て、積と平均が担う役割の違いまで扱います。

法曲率をおさらいする

点 と接方向 をとり、 と法ベクトル が張る平面で曲面を切ります。切り口は曲線になる。

その曲線の曲率に、 側へ曲がるなら正、逆なら負の符号を付けたものが法曲率 です。

式では

と書けます。 の長さに依らず、方向だけで決まる量。

主曲率の定義

を接平面の単位円上で動かすと、 が連続に変わります。円はコンパクトなので、最大と最小が存在する。

この最大値 と最小値 を主曲率といいます[1]。

形状作用素 の言葉では、 を単位ベクトルで最大化する問題です。対称作用素の固有値問題そのもの。

主曲率は固有値である

は第一基本形式について対称なので、実固有値を持ち、固有ベクトルが直交します。

固有値が 、、固有ベクトルの方向が主方向です[1,4]。

なら主方向は直交する 2 本に決まります。オイラーが 1760 年に示した事実。

オイラーの公式

主方向から角 だけ回った方向の法曲率は

です[4]。2 つの主曲率の重み付き平均。

で 、 で 。あいだは滑らかにつながります。

全方向の情報が 2 つの数に畳まれる、というのがこの公式の中身。

方向を回すと曲がり方が変わる

単位円上で方向を回し、法曲率がどう変わるかを描きます。

方向が回ると、右の切り口が上へ凸から下へ凸まで変わります。途中で直線になる瞬間がある。

その瞬間が漸近方向です。 になる向きで、双曲点にだけ現れます。

ガウス曲率

主曲率の積をガウス曲率といいます。

形状作用素の行列式です[3]。

驚異の定理により、 は第一基本形式だけで決まります。定義には法ベクトルが要るのに、結果は面の中の量。

平均曲率

主曲率の平均を平均曲率といいます。

形状作用素のトレースの半分です[2,6]。

こちらは内在的ではありません。法ベクトルの向きを裏返すと符号が変わる。

ガウス曲率

主曲率の積。内在的で、面の中の測定だけで決まります。向きを裏返しても符号が変わらない。

平均曲率

主曲率の平均。外在的で、空間への入り方に依存します。向きを裏返すと符号が変わる。

積と平均で符号の振る舞いが違う

を にとり替えると、 と の符号が両方とも反転します。

積は符号が 2 回変わって元に戻り、平均は符号が変わる。この違いが内在性の違いに直結しています。

平面と円柱がどちらも なのに、 は と で違う。第一基本形式が同じでも は一致しません。

点の分類

主曲率の符号で、点が 4 通りに分かれます。

楕円点

。主曲率が同じ符号で、面は接平面の片側にあります。球面の点が典型。

双曲点

。主曲率の符号が割れ、面は接平面の両側にまたがります。鞍点。

放物点

で、片方の主曲率だけが 。円柱の点がこれにあたります。

臍点

。すべての方向が主方向になり、主方向が定まりません。

臍点では法曲率がどの方向でも同じです。球面はすべての点が臍点[1]。

例:球面

半径 の球面で を内向きにとると、 です。

、。どちらも正で、どの点でも同じ値。

半径が大きいほど平らになります。地球の表面が身近な範囲では平らに見えること。

例:円柱面

半径 の円柱では 、 です。

、。ガウス曲率だけが平面と一致します。

紙を丸めても が変わらないのは驚異の定理どおり。 は変わるので、外から見た形は違う。

例:鞍型曲面

の原点では 、 です。

で双曲点、。平均曲率が になる点。

が負なら、その点で三角形の内角の和は より小さくなります。曲率が幾何を決める。

例:トーラス

トーラスには 3 種類の点が全部あります。外側は 、内側は 、上下の輪の上で [3]。

外側は球面のように膨らみ、内側は鞍のようにくびれています。

全体で積分すると になります。正の部分と負の部分がちょうど打ち消し合う。

平面と円柱について、一致するのはどれか。

  • ガウス曲率も平均曲率も一致する
  • ガウス曲率だけ一致する
  • 平均曲率だけ一致する
  • どちらも一致しない
__RESULT__

はどちらも です。 は平面が 、円柱が で違います。 が内在的、 が外在的であることの現れ。

曲率線

主方向に沿った曲線を曲率線といいます。臍点を除けば、2 つの直交する族ができます[1]。

回転面では、緯線と経線がそのまま曲率線になります。対称性のおかげ。

臍点のまわりでは曲率線の様子が特異になり、星形やレモン形と呼ばれる配置が現れます。

デュパンの指標曲線

接平面の上で を満たす点を集めた図形を、デュパンの指標曲線といいます。

楕円点では楕円、双曲点では 2 組の双曲線、放物点では 2 本の平行線になります。主軸の向きが主方向。

第二基本形式の符号の様子を、そのまま図形にしたもの。分類の名前もここから来ています。

主軸の向きが主方向で、軸の長さが主曲率の大きさから決まります。図形の種類が点の分類そのもの。

例:回転面の主曲率

母線を弧長 でとり、 と書きます。

経線方向の主曲率は母線そのものの曲率、緯線方向は になります。 なので、緯線と経線がそのまま主方向。

です。第一基本形式だけで書けていて、驚異の定理と整合しています。

例:楕円面の主曲率

を考えます。 なら、主曲率は場所によって変わる。

軸との交点では、 断面と 断面の曲率が主曲率です。 と が違うので、。

の球面に近づけると、すべての点が臍点になります。楕円面には臍点が 4 つだけある。

例:三角形の内角の和

ガウス曲率が正の面では、測地三角形の内角の和が より大きくなります。負なら小さい。

球面の三角形で、北極と赤道上の 2 点を結ぶものを考える。直角が 3 つで和は 。

超過分は囲む面積に曲率を掛けたものです。ガウス・ボネの定理の局所版が言っていること[3]。

平均曲率と面積の変分

曲面を法方向へ だけずらすと、面積の 1 次の変化は

になります[2,6]。 が面積の第 1 変分の係数。

したがって は、面積が臨界であることと同値です。極小曲面の定義。

にはこういう変分の意味がありません。役割がはっきり分かれている。

極小曲面

の曲面を極小曲面といいます[5]。

は を意味するので、 です。極小曲面はどこでも 。

すべての点が鞍点になります。どちらの方向にも同じだけ、逆向きに曲がっている。

石鹸膜が極小曲面になる理由

石鹸膜は表面張力で面積を最小にしようとします。境界を固定したまま面積が臨界になる形。

したがって を満たします[5]。針金の枠に張った膜が数学の対象になる場面。

境界を与えて極小曲面を見つける問題をプラトー問題といいます。

例:懸垂面と常螺旋面

懸垂線を回転させた懸垂面は、回転面のなかで唯一の極小曲面です[5]。

常螺旋面も極小曲面で、懸垂面と局所的に等長になります。連続的に変形して移り合う族がある。

平面も極小曲面です。 なので自明に 。

懸垂面から常螺旋面へ

この 2 つは連続な族でつながっています。曲げるだけで移り合う。

途中の形もすべて極小曲面です。族のどのメンバーでも 。

長さを変えずに変形しているので、第一基本形式も変わりません。等長でありながら空間の中での形が違う例[5]。

石鹸の泡は極小曲面ではない

石鹸膜と石鹸の泡は違います。泡には内側の圧力があり、面積だけを最小にはしません。

ヤング・ラプラスの法則により、圧力差が に等しくなります[2]。 が定数になる曲面。

球面は が一定の曲面です。小さい泡ほど が大きく、内圧が高い。

平均曲率流

曲面を の向きへ動かす流れを平均曲率流といいます。熱方程式に似た形の発展方程式[2]。

面積が減る向きへ動くので、しわを均す働きをします。特異点を作って潰れることもある。

の曲面はこの流れの定常解です。動かない形。

よくある誤り

主曲率を第二基本形式の成分だと思う。第一基本形式で割った固有値です
平均曲率を内在的だと思う。向きを裏返すと符号が変わります
極小曲面が面積最小だと思う。臨界であって、最小とは限りません
から を結論する。 になります
石鹸の泡を極小曲面だと思う。 が一定の曲面で、 ではありません
臍点で主方向が 2 本決まると思う。すべての方向が主方向になります
円柱の が でないと思う。片方の主曲率が なので積も です

参考文献

Principal curvature
Mean curvature
Gaussian curvature
Hauptkrümmung
Minimal surface
Courbure moyenne
曲面の曲がり方は方向ごとに違いますが、最大と最小の 2 つを押さえれば全部が決まります。オイラーの公式が、残りの方向を主曲率の重み付き平均として復元する。積がガウス曲率、平均が平均曲率です。法線の向きを裏返すと積は変わらず平均は符号が変わる。この違いが、$K$ だけが内在的である理由になります。$H = 0$ は面積が臨界であることと同じで、石鹸膜が極小曲面になる。泡のほうは $H$ が一定の曲面。