1. und 2. Fundamentalform

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1 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Proseminar Differentialgeometrie Von Daniel Schliebner Herausgabe: 05. Dezember 2007

2 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite Einführung In diesem Vortrag betrachten wir (reguläre) Flächen im dreidimensionalen Raum und untersuchen einige grundlegende Begriffe der Flächentheorie, um dann später Eigenschaften wie z.b. den Begriff der Krümmung einführen zu können. Definition. (Reguläre Fläche) Eine Teilmenge S R 3 heißt reguläre Fläche, falls es zu jedem Punkt p S eine offene Umgebung V R 3 von p, eine offene Teilmenge U R 2 und eine glatte injektive Abbildung Φ : U R 3 gibt, sodass gilt: (i) Φ(U) S V, (ii) Φ : U Φ(U) ist ein Homöomorphismus, (iii) rgd u Φ 2. Bemerkung: Reguläre Flächen sind also 2-dimensionale Untermannigfaltigkeiten (UMF) des R 3, da die in der o.g. Definition eingeführte Abbildung Φ eine Parametrisierung von S durch zwei Parameter ist. 6.2 Erste Fundamentalform Motivation: Damit wir auf regulären Flächen S R 3 Geometrie betreiben können, ist es notwendig die Ideen der Linearen Algebra zum Messen von Längen und Winkeln in einem euklidischen Vektorraum in gewisser Weise auf UMF zu übertragen. Wie wir wissen, bildet der Tangentialraum an einen Punkt p S einen 2-dimensionalen Unterraum des R 3. Entsprechend können wir also das Skalarprodukt des R 3 auf den Tangentialraum T p S einschränken. Mittels dieser Überlegungen erhalten wir die Definition. (1. Fundamentalform einer regulären Fläche) Sei p S ein Punkt auf der regulären Fläche S R 3. Die Familie {g p } p S von Bilinearformen g p : T p S T p S R (x, y) x, y heißt erste Fundamentalform von S. Für die Gram-Matrix von (T p S, g p ) erhalten wir ( ( )) (g ij (p)) g p (p), (p) x j

3 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 2 bezüglich der kanonischen Basis { (p)} von T p S. (g ij (p)) R 2 2 ist mithin symmetrisch und positiv definit. Bezeichnung: I p (x, y) : g p (x, y). Bemerkung: Wir kennen die erste Fundamentalform auch als induzierte Riemannsche Metrik auf S. Beispiel 1: Sei S R 3 die Ebene im R 3 durch p 0 R 3, welche durch x, y R 3 aufgespannt wird. Man beschreibe S durch affin-lineare Koordinaten, d.h. mittels φ(u 1, u 2 ) : p 0 + u 1 x + u 2 y für x, y, p 0 R 3. Dann erhalten wir ( ) 1 0 I p (x, y). 0 1 Beispiel 2: Sei S {(x, y, z) R 3 x 2 + y 2 1} die Zylinderfläche, parametrisiert durch φ(ϕ, t) : (cos ϕ, sin ϕ, t). Dann erhalten wir in p S: ( ) 1 0 I p (x, y). 0 1 I.a. ist die 1. Fundamentalform aber nicht-konstant, wie das folgende Beispiel zeigt. Beispiel 3: Sei S die x-y-ebene aus im R 3. Dann können wir S durch Polarkoordinaten parametrisieren, d.h. mittels φ(r, ϕ) (r cos ϕ, r sin ϕ, 0). Dann erhalten wir: ( ) 1 0 I p (x, y) 0 r 2. Wir wollen nun untersuchen, wie sich die erste Fundamentalform ändert, wenn wir die lokale Parametrisierung verändern. Satz 1. Seien (U, ϕ 1 ) und (Ũ, ϕ 1 ) zwei Karten für die reguläre Fläche S und ϕ, ϕ zwei Parametrisierungen. Des Weiteren bezeichne F : ϕ 1 ϕ die Parametertransformation. Dann erhalten wir folgende Identifizierung zwischen den Fundamentalformen (ausgedrückt in ihrer Gram-Matrix): (g ij ) DF (ϕ 1 ) T ( g ij ) DF (ϕ 1 ).

4 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 3 Beweis: sei p S. Aus der Linearen Algebra wissen wir, dass uns der Basiswechsel einer Gram-Matrix auf kongruente Matrizen führt. Es bezeichne nun [1] B,C die Übergangsmatrix von der Basis C zur Basis B. In diesem Fall sei nun B die kanonische Basis von T p S bzgl. (U, ϕ 1 ) und C die kanonische Basis von T p S bzgl. (U, ϕ 1 ). Dann gilt: (g ij (p)) [1] T B,C ( g ij (p)) [1] B,C D( ϕ 1 ϕ)(ϕ 1 (p)) T ( g ij (p)) D( ϕ 1 ϕ)(ϕ 1 (p)) DF (ϕ 1 ) T ( g ij ) DF (ϕ 1 ). Die erste Fundamentalform beschreibt uns also die innere Geometrie einer Fläche, d.h. Eigenschaften, welche sich durch Längenmessungen innerhalb dieser Fläche ermitteln lassen. 6.3 Normalenfelder und Orientierbarkeit Um nun die zweite Fundamentalform einführen zu können, benötigen wir die Begriffe der Orientierbarkeit und der Normalenfelder (speziell auch der Einheitsnormalenfelder). Zur Wiederholung dieser Begriffe soll daher dieser Abschnitt dienen. Insbesondere werden wir der Einfachheit halber den Orientierungsbegriff mithilfe der Normalenfelder definieren. Definition. (Normalenfeld) Sei S R 3 eine reguläre Fläche. Ein Normalenfeld auf S ist eine Abbildung N : S R 3, sodass N(p) T p S für alle p S. N heißt überdies Einheitsnormalenfeld, falls zusätzlich N(p) 1 für alle p S gilt. Definition. (Orientierbarkeit) Eine reguläre Fläche S R 3 heißt orientierbar, falls es ein glattes Einheitsnormalenfeld auf S gibt.

5 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite Zweite Fundamentalform Die zweite Fundamentalform regulärer Flächen wird uns nun die Möglichkeit geben, Flächencharakteristika beschreiben zu können, welche zusätzlich zu den Längenabhängigen Eigenschaften noch von der Lage der Fläche im umgebenen Raum abhängen (wie wir später sehen werden, ist dies z.b. die Krümmung). Dazu betrachten wir in diesem Abschnitt orientierbare reguläre Flächen mit glattem Einheitsnormalenfeld. Es sei S R 3 eine orientierbare reguläre Fläche mit einem glatten Einheitsnormalenfeld N. Dann hat N wegen der Forderung N(p) 1 nur Bildwerte in S 2. Fassen wir nun N als Abbildung zwischen den Flächen S und S 2 auf, so nennen wir N die Gauß-Abbildung: Definition. (Gauß-Abbildung) Sei S R 3 eine reguläre Fläche mit glattem Einheitsnormalenfeld N. Dann heißt N : S S 2 die Gauß-Abbildung. Beobachtung: Für einen Punkt p S betrachte man nun das Differential d p N : T p S T N(p) S 2. Nun ist aber T N(p) S 2 bild N T p S. Also ist d p N : T p S T p S aufgrund der Linearität von d p N ein Endomorphismus des Raumes T p S. Dem schließt sich nun die folgende Definition einer für uns wichtigen Abbildung an. Definition. (Weingarten-Operator) Sei S R 3 eine orientierbare reguläre Fläche mit Einheitsnormalenfeld N. Der Endomorphismus W p : T p S R x d p N(x) heißt Weingarten-Operator (oder Weingarten-Abbildung). Beispiel 1: Sei S R 2 {0} die x-y-ebene. Dann erhalten wir ein glattes Einheitsnormalenfeld mittels N(x, y, z) (0, 0, 1), sodass W p 1 p S. Beispiel 2: Sei S S 1 R der Zylinder mit Radius 1. Dann erhalten wir ein glattes Einheitsnormalenfeld mittels N(x, y, z) (x, y, 0). Die kanonische Basis von T p S in

6 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 5 p (x, y, z) S stellt sich dann dar durch { (p), (p)} {( y, x, 0), (0, 0, 1)}. ϕ t Damit: W p (0, 0, 1) d p N(0, 0, 1) (0, 0, 0) W p ( y, x, 0) d p N( y, x, 0) (y, x, 0) ( ) 1 0 und damit W p. 0 0 Zur zweiten Fundamentalform regulärer Flächen führt uns nun der nächste Satz. Satz 2. Sei S R 3 eine orientierbare reguläre Fläche mit Weingarten-Operator W p. Dann ist W p ein selbstadjungierter Operator (SAO). Beweis: sei N das Einheitsnormalenfeld von S, W p d p N die Weingarten-Abbildung und Φ : U R 2 R 3 eine lokale Parametrisierung um p Φ(u). Ferner sei { x 1 (u), x 2 (u)} die kanonische Basis des Tangentialraums, d.h. (p) DΦ u (e i ) Φ (u). Da N(p) T p S für alle p S, gilt entlang der j-ten Koordinatenlinie u + te j R 2 : Φ (u + te j ), N(Φ(u + te j )) 0 Differenzieren wir diese Gleichung nach t an der Stelle t 0, so erhalten wir: Wir erhalten also: Φ 0 d t0 dt (u + te j ), N(Φ(u + te j )) d Φ Φ dt (u + te j ), N(p) + x t0 i (u), d p N D u Φ(e j ) 2 Φ x j (u), N(p) +, W p ( x j ) 2 Φ x j (u), N(p), W p ( x j ). I p (, W p ( )) x j, W p ( 2 Φ ) (u), N(p). x j x j Nach dem Satz von Schwarz können wir nun aber die partiellen Ableitungen vertauschen, da Φ glatt ist. Damit erhalten wir aufgrund der eben gezeigten Identität: ( ( )) 2 Φ 2 ( ( )) Φ I p, W p (u), N(p). (u), N(p). I p, W p. x j x j x j x j

7 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 6 Nun ist aber I p symmetrisch, wodurch: ( ( )) ( ( )) ( ( ) I p, W p I p, W p I p W p, x j x j Damit haben wir die Selbstadjungiertheit bezüglich der beiden Basisvektoren von T p S gezeigt. Insbesondere sind nun alle x, y T p S durch Linearkombinationen der Basisvektoren darstellbar. Aus der Linearität von I p folgt damit die Behauptung: I p (x, W p (y)) I p (W p (x), y) x, y T p S, x j ). d.h. W p ist selbstadjungiert bezüglich der ersten Fundamentalform. Erinnerung: dieser Satz gibt uns nun die Grundlage zur Definition der zweiten Fundamentalform. Wie aus der Linearen Algebra bekannt ist, existiert nämlich eine natürliche Bijektion zwischen den SAO und den Bilinearformen. Sei nämlich W SAO ein selbstadjungierter Endomorphismus auf V und φ Bil(V ). Dann erhalten wir eine Identifizierung: für x, y V. Definition. (Zweite Fundamentalform) SAO Bil(V ) W φ(x, y) W (x), y Sei W p SAO der Weingartenoperator der regulären Fläche S im Punkt p S. Die im o.g. Sinne zu W p gehörige Bilinearform II p (x, y) mit II p (x, y) I p (W p (x), y), x, y T p S heißt zweite Fundamentalform der Fläche S im Punkt p. Bemerkung: (Ausdruck in lokalen Koordinaten) Wir können auch die zweite Fundamentalform in lokalen Koordinaten ausdrücken. Sei nämlich S R 3 eine reguläre Fläche, p S und Φ eine lokale Parametrisierung von S um p. Sei ferner { (p)} die kanonische Basis von T p S. Dann wissen wir, dass die erste Fundamentalform durch die symmetrische Gram-Matrix ( ( )) (g ij (p)) I p (p), (p) x j

8 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 7 beschrieben wird. Entsprechend erhalten wir für die Gram-Matrix der zweiten Fundamentalform: ( ( )) ( g ij (p)) II p (p), (p) x j Beispiel 1: ( ( ) )) (I p W (p), (p) x j 2 Φ (u), N(p). x j Sei S S 1 ( R der) Zylinder mit Radius 1. Wir man sich leicht überlegt, gilt hier 1 0 II p W p Normalkrümmung und Hauptkrümmung Wir wollen nun eine erste Anwendung der zweiten Fundamentalform betrachten. Die Normalkrümmung stellt dabei eine geometrische Interpretation der zweiten Fundamentalform dar. Definition. (Normalkrümmung) Sei S R 3 eine orientierbare reguläre Fläche mit glattem Einheitsnormalenfeld N, p S. Sei ferner c : ( ɛ, ɛ) S eine nach bogenlänge parametrisierte Kurve mit c(0) p. Dann heißt κ nor : c (0), N(p). die Normalkrümmungvon S im Punkt p in Richtung c (0). Bemerkung: Die Normalkrümmung bezeichnet die Krümmung von S in R 3. Betrachten wir daher c als Raumkurve, so kennen wir die Krümmung von c in 0, nämlich c (0) κ(0) n(0), wobei hier n den Hauptnormalenvektor in 0 bezeichnet. Entsprechend erhalten wir also alternativ für κ nor die Darstellung: κ nor κ(0) n(0), N(p). Bezeichnet θ den Winkel zwischen N(p) und n(0), so gilt demnach: κ nor κ(0) cos θ.

9 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 8 Den angekündigten Zusammenhang gibt uns nun der Satz von Meusnier. Sei S R 3 eine orientierbare reguläre Fläche und p S. Sei ferner c : ( ɛ, ɛ) S eine nach bogenlänge parametrisierte Kurve mit c(0) p. Dann gilt: κ nor II p (c (0), c (0)). Beweis: da c innerhalb von S verläuft, gilt: N(c(t)), c (t) 0 t ( ɛ, ɛ). Differenzieren wir diese Gleichung nach t in 0, so erhalten wir 0 d N(c(t)), dt c (t) t0 d N(c(t)) dt t0, c (0) + N(p), c (0) d p N(c (0)), c (0) + κ nor W p (c (0)), c (0) + κ nor II p (c (0), c (0)) + κ nor. Der Satz zeigt uns zum einen den Zusammenhang der Normalkrümmung mit der zweiten Fundamentalform und zum anderen zeigt er auch, dass die Normalkrümmung nicht von der Wahl der Kurve abhängt. Zuletzt führen wir nun den Begriff der Hauptkümmung einer regulären Fläche ein: nach dem Spektralsatz finden wir zu dem selbstadjungierten Operator W p eine Orthonormalbasis {x 1, x 2 } von T p S, welche aus den Eigenvektoren von W p besteht: W p (x i ) κ i x i, i 1, 2. Dem schließt sich nun die folgende Definition an. Definition. (Hauptkrümmung) Die Eigenwerte κ i heißen Hauptkrümmungen von S im Punkt p. Die zugehörigen Eigenvektoren ±x 1, ±x 2 heißen Hauptkrümmungsrichtungen.

10 Daniel Schliebner 1. und 2. Fundamentalform regulärer Flächen Seite 9 Beispiel 1: Ein abschließendes Beispiel soll einmal die beiden Hauptkrümmungen des Torus berechnen. Sei also S der Torus, gegeben durch die Parametrisierung φ(θ, ϕ) ((a + b cos ϕ) cos θ, (a + b cos ϕ) sin θ, b sin ϕ). Überdies sei p (θ, ϕ). Dann erhalten wir für die kanonischen Basisvektoren des T p S: X 1 φ (p) (a + b cos ϕ) ( sin θ, cos θ, 0), θ θ X 2 (p) b ( sin ϕ cos θ, sin ϕ sin θ, cos ϕ). φ ϕ ϕ Ein glattes Einheitsnormalenfeld erhalten wir mittels N(φ(p)) X 1 X 2 X 1 X 2 (cos θ cos ϕ, sin θ cos ϕ, sin ϕ). Schließlich ergeben sich dann folgende Bilder von X 1, X 2 unter W p : W p (X 1 (p)) d p N(X 1 (p)) d p N( φ (p)) θ (N φ) (p) θ ( sin θ cos ϕ, cos θ cos ϕ, 0) cos ϕ X a+b cos ϕ 1(p), W p (X 2 (p)) d p N(X 2 (p)) d p N( φ (p)) ϕ (N φ) (p) ϕ ( cos θ sin ϕ, sin θ sin ϕ, cos ϕ) 1 X b 2(p). D.h. die beiden Haupkrümmungen des Torus sind κ 1 1 b und κ 2 cos ϕ a + b cos ϕ. 6.6 Literatur 1. [B] C. Bär: Elementare Differntialgeometrie. de Gruyter Lehrbuch, [K] W. Kühnel: Differentialgeometrie, Vieweg-Verlag, [W]