テデトク

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定義・定理・公式まとめ

微分幾何コース

レッスンで手を動かして体感したことを、いつでも引ける形にした知識の地図です。 気になる項目があれば、リンク先のレッスンでもう一度図を動かして体感し直せます。

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1平面曲線と曲率

速度ベクトルと速さ

無料

r(t)=(x(t),y(t))r'(t)=(x'(t),y'(t))v=r(t)=x2+y2v=|r'(t)|=\sqrt{x'^2+y'^2}

パラメータ tt を時刻だと思ったときの、瞬間の進む向きと速さ

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単位接ベクトル T

無料

T=r(t)vT=\dfrac{r'(t)}{v}

速度ベクトルの大きさを1にしたもの。その点での進行方向だけを表す矢印

成立条件: v=r(t)0v=|r'(t)|\neq0(速度ゼロの点=特異点では TT が定義できない)

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単位法線ベクトル N

無料

NNTT を反時計回りに 90°90° 回転したもの

進行方向と直角で、曲線が曲がっていく側を指す矢印

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弧長

無料

s=x2+y2dts=\displaystyle\int\sqrt{x'^2+y'^2}\,dt

曲線に沿って実際に進んだ距離。速さを時間で積分したもの

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曲率 κ

無料

κ=xyyx(x2+y2)3/2\kappa=\dfrac{|x'y''-y'x''|}{(x'^2+y'^2)^{3/2}}(符号付き: κ±=xyyxv3\kappa_{\pm}=\dfrac{x'y''-y'x''}{v^3})

その点での「曲がりの強さ」。大きいほど急に曲がる

成立条件: v=r(t)0v=|r'(t)|\neq0(正則な曲線であること、v3v^3 で割るため)。アンカー値: 円(半径 aa)は κ=1/a\kappa=1/a で一定。放物線 y=x2y=x^2 の頂点は κ=2\kappa=2。楕円 (acost,bsint)(a\cos t,b\sin t) の長軸先端(t=0t=0)は κ=a/b2\kappa=a/b^2

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曲率半径と曲率円(接触円)

無料

R=1/κR=1/\kappa、中心 =r+RN=r+R\,N(曲がっていく側)

その点にもっとも近くぴったり沿う円。円なら曲率円は円自身に一致する

成立条件: κ0\kappa\neq0(変曲点では RR\to\infty となり曲率円が定義できない)

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2空間曲線とフレネ枠

フレネ枠 T,N,B

プレミアム

T=rrT=\dfrac{r'}{|r'|}B=r×rr×rB=\dfrac{r'\times r''}{|r'\times r''|}N=B×TN=B\times T

空間曲線の各点に取り付いた「進行方向・曲がる方向・ねじれの基準」の3本の直交軸

成立条件: r0r'\neq0(正則な曲線)かつ r×r0r'\times r''\neq0(κ0\kappa\neq0、局所的に直線でないこと)。この2条件がないと TTBB が定義できない

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曲率κ(空間曲線)

プレミアム

κ=r×rr3\kappa=\dfrac{|r'\times r''|}{|r'|^3}

接触平面の中でどれだけ急に曲がっているか

成立条件: r0r'\neq0(正則な曲線であること、r3|r'|^3 で割るため)

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捩率τ

プレミアム

τ=(r×r)rr×r2\tau=\dfrac{(r'\times r'')\cdot r'''}{|r'\times r''|^2}

曲線がその接触平面からどれだけ速くねじれて外れていくか

成立条件: κ0\kappa\neq0 が前提。平面曲線は常に τ=0\tau=0

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フレネ–セレの公式

プレミアム

dTds=κN,dNds=κT+τB,dBds=τN\dfrac{dT}{ds}=\kappa N,\quad \dfrac{dN}{ds}=-\kappa T+\tau B,\quad \dfrac{dB}{ds}=-\tau N

弧長 ss で見たとき、フレネ枠がどう回転していくかをまとめた基本方程式

アンカー値: 常螺旋 r(t)=(acost,asint,bt)r(t)=(a\cos t,a\sin t,bt)κ=a/(a2+b2)\kappa=a/(a^2+b^2)τ=b/(a2+b2)\tau=b/(a^2+b^2)(ともに一定)。a=b=1a=b=1κ=τ=1/2\kappa=\tau=1/2

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3曲面と第一基本形式

第一基本形式 E,F,G

プレミアム

E=xuxu,F=xuxv,G=xvxvE=x_u\cdot x_u,\quad F=x_u\cdot x_v,\quad G=x_v\cdot x_v

曲面の接ベクトル xu,xvx_u,x_v の内積から作る、曲面上の「物差し」の係数

成立条件: 正則パラメータ表示であること(xu×xv0x_u\times x_v\neq0、同値に EGF2>0EG-F^2>0)。退化点では接平面自体が定義できない

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ds²(曲面上の弧長要素)

プレミアム

ds2=Edu2+2Fdudv+Gdv2ds^2=E\,du^2+2F\,du\,dv+G\,dv^2

(u,v)(u,v) をわずかに動かしたときに空間内で実際にどれだけ進むか

アンカー値: 平面は E=1,F=0,G=1E=1,F=0,G=1。半径Rの球(緯度u・経度v)は E=R2,F=0,G=R2cos2uE=R^2,F=0,G=R^2\cos^2u。半径Rの円柱(高さu・角度v)は E=1,F=0,G=R2E=1,F=0,G=R^2

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面積要素と曲面の面積

プレミアム

dA=EGF2dudvdA=\sqrt{EG-F^2}\,du\,dv

第一基本形式だけから曲面の面積を計算できる

成立条件: EGF2>0EG-F^2>0(接ベクトルが退化しない点)。アンカー値: 半径Rの球の全表面積は 4πR24\pi R^2

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4第二基本形式と主曲率

第二基本形式 L,M,N

プレミアム

n=xu×xvxu×xvn=\dfrac{x_u\times x_v}{|x_u\times x_v|}L=xuun, M=xuvn, N=xvvnL=x_{uu}\cdot n,\ M=x_{uv}\cdot n,\ N=x_{vv}\cdot n

曲面が単位法線方向にどれだけ曲がっているかを2階微分で測る

成立条件: 正則パラメータ表示であること(xu×xv0x_u\times x_v\neq0)。この条件がないと単位法線 nn が定義できない

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法曲率とオイラーの公式

プレミアム

κn=Ldu2+2Mdudv+Ndv2Edu2+2Fdudv+Gdv2\kappa_n=\dfrac{L\,du^2+2M\,du\,dv+N\,dv^2}{E\,du^2+2F\,du\,dv+G\,dv^2}、主方向から測ると κn(θ)=κ1cos2θ+κ2sin2θ\kappa_n(\theta)=\kappa_1\cos^2\theta+\kappa_2\sin^2\theta

その方向にまっすぐ進んだときの曲がり具合。方向を一周させると κ1\kappa_1(最大)〜κ2\kappa_2(最小)の間を往復する

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主曲率(形状作用素の固有値)

プレミアム

(EGF2)κ2(EN+GL2FM)κ+(LNM2)=0(EG-F^2)\kappa^2-(EN+GL-2FM)\kappa+(LN-M^2)=0 の解が κ1,κ2\kappa_1,\kappa_2

第二基本形式を第一基本形式で測ったときの伸び縮み率(固有値)

成立条件: EGF20EG-F^2\neq0(正則パラメータ表示。これがないと2次方程式の最高次係数が0になり退化する)。アンカー値: 半径Rの球は κ1=κ2=1/R\kappa_1=\kappa_2=1/R。半径Rの円柱は κ1=1/R,κ2=0\kappa_1=1/R,\kappa_2=0。平面は 0,00,0。鞍 z=xyz=xy の原点は κ1=1,κ2=1\kappa_1=1,\kappa_2=-1(主方向は対角、F=0F=0 でも M0M\neq0 のため座標軸は主方向にならない)

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5ガウス曲率と平均曲率

ガウス曲率K・平均曲率H

プレミアム

K=κ1κ2=LNM2EGF2K=\kappa_1\kappa_2=\dfrac{LN-M^2}{EG-F^2}H=κ1+κ22H=\dfrac{\kappa_1+\kappa_2}{2}

KK=曲がり方の性質(正=お椀型/負=鞍型/0=まっすぐな方向を持つ)、HH=曲がりの平均

成立条件: EGF20EG-F^2\neq0(正則パラメータ表示)。アンカー値: 球 K=1/R2K=1/R^2(>0)。円柱・平面 K=0K=0。鞍 z=xyz=xy の原点 K=1K=-1(<0)

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Theorema Egregium(驚異の定理)

プレミアム

KK は第一基本形式 E,F,GE,F,G だけで決まる内在量

曲面を(伸縮せず)曲げても KK は変わらない。曲げ方(外在的な形、HH を含む)は変わってよい

成立条件: 等長変形(伸縮しない曲げ)に限る。例: 平面を円柱へ曲げても E,F,GE,F,G は不変なので K0K\equiv0 のまま(球と平面はKが異なるため等長にならない=地図が必ず歪む理由)

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6測地線

測地線方程式

プレミアム

d2ukdt2+i,jΓijkduidtdujdt=0\dfrac{d^2u^k}{dt^2}+\sum_{i,j}\Gamma^k_{ij}\dfrac{du^i}{dt}\dfrac{du^j}{dt}=0

曲面の中だけで見て「まっすぐ」進む曲線(局所的な最短経路)が満たす方程式。Γ\GammaE,F,GE,F,G とその偏微分だけから決まる

成立条件: パラメータ tt が弧長(または弧長に比例するaffineパラメータ)であること。一般のパラメータでは右辺に duk/dtdu^k/dt に比例する項が追加で必要になる

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測地線の具体例

プレミアム

平面: 直線。球面: 大円。円柱: 螺旋・直線・円

E,F,GE,F,G が一定の曲面(平面・円柱)ではΓ≡0となり(u,v)空間でそのまま直線。球では対称性(赤道・子午線)から大円が導かれる

アンカー: 球面上の測地線は必ず大円(球の中心を通る平面での切り口)になる

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クリストッフェル記号(座標依存の例)

プレミアム

平面の極座標 (r,θ)(r,\theta): Γ122=1/r, Γ221=r\Gamma^2_{12}=1/r,\ \Gamma^1_{22}=-r(他は0)

曲面自体は曲がっていなくても、座標系(パラメータ)の取り方によってΓは0でなくなる

θ方向の式は d(r2θ)/dt=0d(r^2\theta')/dt=0(角運動量保存)と同値で、直交座標に戻すと単なる等速直線運動になる

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7曲面のギャラリー — 回転面・線織面・極小曲面

回転面

プレミアム

x(u,v)=(f(v)cosu,f(v)sinu,g(v))x(u,v)=\left(f(v)\cos u,f(v)\sin u,g(v)\right)

平面曲線 (f(v),g(v))(f(v),g(v)) を回転軸のまわりに回して曲面を作る

成立条件: 通常の座標パッチでは f(v)>0f(v)>0 かつ f(v)2+g(v)2>0f'(v)^2+g'(v)^2>0。回転軸上の点は座標特異点として別パッチで扱う

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線織面

プレミアム

x(u,v)=a(u)+vb(u)x(u,v)=a(u)+v\,b(u)

uu を固定した vv 方向の座標曲線が直線になる曲面。一葉双曲面とヘリコイドが例

成立条件: 扱う範囲で xu×xv0x_u\times x_v\neq0。線織面であることだけから KKHH の値は決まらない

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カテノイドの第一基本形式と曲率

プレミアム

I=a2cosh2v(du2+dv2)I=a^2\cosh^2v\left(du^2+dv^2\right)H=0H=0K=1/(a2cosh4v)K=-1/\left(a^2\cosh^4v\right)

主曲率が同じ大きさで反対符号になり、平均曲率が相殺する回転極小曲面

成立条件: a>0a>0。選んだ法線で F=M=0F=M=0 なので座標方向が主方向。法線を反転すると主曲率と HH の符号は反転するが、H=0H=0KK は不変

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カテノイドとヘリコイドの局所等長対応

プレミアム

xC(u,v)xH(u,v)x_C(u,v)\mapsto x_H(u,v)、両方で I=a2cosh2v(du2+dv2)I=a^2\cosh^2v\left(du^2+dv^2\right)

外見と第二基本形式は異なっても、対応する曲線の長さ・角度・面積を保つ

成立条件: uu を1枚の座標パッチに制限した局所対応。カテノイドでは uuu+2πu+2\pi が同一点だが、ヘリコイドでは高さが変わるため大域的な1価写像ではない

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極小曲面の変分条件

プレミアム

H=0    ddtArea(Mt)t=0=0H=0\iff\left.\dfrac{d}{dt}\operatorname{Area}(M_t)\right|_{t=0}=0(任意のコンパクト台を持つ法線変分)

平均曲率0は面積の第一変分が消える停留条件

成立条件: C2C^2 級の向き付けられた正則曲面と、境界を固定する滑らかな法線変分。H=0H=0 は大域的な面積最小を単独では保証しない

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8平行移動とホロノミー — 共変微分

共変微分

プレミアム

γ˙V=projTγ(t)M(dVdt)\nabla_{\dot\gamma}V=\operatorname{proj}_{T_{\gamma(t)}M}\left(\dfrac{dV}{dt}\right)

空間微分から法線成分を除き、曲面の内側で観測できる変化だけを残す

成立条件: C2C^2 級の正則埋め込み曲面、C1C^1 級曲線と曲線に沿う C1C^1 級接ベクトル場。射影式は曲面が R3\mathbb{R}^3 に埋め込まれた場合の Levi-Civita 接続

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座標表示の共変微分

プレミアム

(γ˙V)k=dVkdt+i,jΓijkduidtVj\left(\nabla_{\dot\gamma}V\right)^k=\dfrac{dV^k}{dt}+\displaystyle\sum_{i,j}\Gamma^k_{ij}\dfrac{du^i}{dt}V^j

クリストッフェル記号が、場所とともに変わる座標基底の分を補正する

Levi-Civita 接続は計量を保ち、捩れを持たない。成分 Γijk\Gamma^k_{ij} は座標依存だが、共変微分そのものは幾何学的に定まる

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平行移動

プレミアム

γ˙V=0\nabla_{\dot\gamma}V=0

接平面内で余計に回さずベクトルを運び、長さとベクトル間の角度を保存する

成立条件: 初期ベクトルと区分的 C1C^1 級曲線を指定し、Levi-Civita 接続を使う。係数が連続な区間では平行ベクトル場が一意に定まる

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測地線は自己平行

プレミアム

γ˙γ˙=0\nabla_{\dot\gamma}\dot\gamma=0

曲線の速度ベクトル自身を曲線に沿って平行移動するという、第6章の測地線の再解釈

成立条件: tt は弧長または弧長の1次関数であるアフィンパラメータ。一般のパラメータでは右辺が γ˙\dot\gamma に比例する項を持つ

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ホロノミーと曲率積分

プレミアム

ΔDKdA(mod2π)\Delta\equiv\displaystyle\iint_DK\,dA\pmod{2\pi}、球冠では Δ=2π(1cosθ)\Delta=2\pi\left(1-\cos\theta\right)

閉曲線を一周したベクトルの回転が、囲んだ領域の全曲率として残る

成立条件: 向き付けられた C2C^2 級曲面上で、区分的に滑らかな単純閉曲線が円板型領域 DD を囲む。符号は向きの規約に依存し、角度は 2π2\pi を法として解釈する。アンカー: θ=π/3\theta=\pi/3Δ=π=180\Delta=\pi=180^{\circ}

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9ガウス・ボンネの定理 — 曲率と位相の橋

局所ガウス・ボンネ

プレミアム

DKdA+Dkgds+iεi=2πχ(D)\displaystyle\iint_DK\,dA+\displaystyle\int_{\partial D}k_g\,ds+\displaystyle\sum_i\varepsilon_i=2\pi\chi(D)

領域内部の曲率・境界の曲がり・角での回転を足すと、領域の位相だけが残る

成立条件: 向き付けられた C2C^2 級曲面、コンパクト領域 DD、正の向きの区分的 C2C^2 級単純閉境界。角では左右の接線が存在すること。円板型なら χ(D)=1\chi(D)=1

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測地三角形の角超過

プレミアム

α+β+γπ=DKdA\alpha+\beta+\gamma-\pi=\displaystyle\iint_DK\,dA

正曲率では内角和が大きく、負曲率では小さくなる。ずれは囲んだ全曲率に等しい

成立条件: 境界が3本の測地線分からなる単純な円板型領域。測地線でない辺があれば kgds\displaystyle\int k_g\,ds を省けない。球面八分円では角超過も曲率積分も π/2\pi/2

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大域ガウス・ボンネ

プレミアム

MKdA=2πχ(M)\displaystyle\iint_MK\,dA=2\pi\chi(M)

閉曲面の曲率を全部足すと、計量の形ではなくオイラー標数で決まる

成立条件: MM は向き付け可能なコンパクト C2C^2 級曲面で境界なし。境界があれば測地的曲率積分を、角があれば外角和を追加する

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球面の全曲率

プレミアム

K=1/R2K=1/R^2Area(SR2)=4πR2\operatorname{Area}\left(S_R^2\right)=4\pi R^2SR2KdA=4π=2π2\displaystyle\iint_{S_R^2}K\,dA=4\pi=2\pi\cdot2

半径による曲率の減少と面積の増加が打ち消し合い、χ(S2)=2\chi(S^2)=2 だけが残る

成立条件: R>0R>0。四面体分割で χ=VE+F=46+4=2\chi=V-E+F=4-6+4=2。半径 R=3R=3 の数値積分は 12.56637061864π12.5663706186\approx4\pi

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トーラスの全曲率

プレミアム

KdA=cosvdudvK\,dA=\cos v\,du\,dvT2KdA=0=2π0\displaystyle\iint_{T^2}K\,dA=0=2\pi\cdot0

外側の正曲率と内側の負曲率が相殺し、χ(T2)=0\chi(T^2)=0 と一致する

成立条件: 回転トーラスでは R>r>0R>r>0。全曲率0は K0K\equiv0 を意味しない。R=2,r=0.6R=2,r=0.6 の数値積分は 3.86×101503.86\times10^{-15}\approx0

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10総合演習

曲線の局所不変量

プレミアム

κ=r×r/r3\kappa=|r'\times r''|/|r'|^3τ=(r×r)r/r×r2\tau=\left(r'\times r''\right)\cdot r'''/|r'\times r''|^2

曲率が接触平面内の曲がりを、捩率が接触平面のねじれを測る

成立条件: r0r'\neq0。捩率とフレネ枠にはさらに r×r0r'\times r''\neq0 が必要

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曲面の2つの基本形式

プレミアム

I=(E,F,G)I=(E,F,G)\longrightarrow 長さ・面積・接続、II=(L,M,N)II=(L,M,N)\longrightarrow 主曲率

1階微分で内在的な物差しを、2階微分と法線で外在的な曲がりを作る

成立条件: xu×xv0x_u\times x_v\neq0、同値に EGF2>0EG-F^2>0。座標方向が主方向になるには F=0F=0 かつ M=0M=0 が必要

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計量から位相までの連鎖

プレミアム

(E,F,G)ΓijkKMKdA=2πχ(M)(E,F,G)\to\Gamma^k_{ij}\to\nabla\to K\to\displaystyle\iint_MK\,dA=2\pi\chi(M)

物差しから接続・曲率を作り、閉曲面全体で積分すると位相不変量へ届く

最後の等式には向き付け可能・コンパクト・境界なしの条件が必要。境界付き領域では境界の測地的曲率と外角を加える

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局所量と積分量を分ける

プレミアム

K0KdA=0K\equiv0\Rightarrow\displaystyle\iint K\,dA=0 だが、逆は一般に成り立たない

トーラスは正負の曲率を持ちながら全曲率0になり、平面・円柱との違いを示す

反例: 回転トーラスは外側で K>0K>0、内側で K<0K<0 だが χ=0\chi=0 のため全曲率は0

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