LaTeX-examples/documents/GeoTopo/Kapitel5.tex

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% Mitschrieb vom 30.01.2014                                         %
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\chapter{Krümmung}
\section{Krümmung von Kurven}
\begin{definition}%In Vorlesung: Def.+Bem. 16.1
    Sei $\gamma: I = [a, b] \rightarrow \mdr^n$ eine $C^\infty$-Funktion.
    
    \begin{defenum}
        \item $\gamma$ heißt \textbf{durch Bogenlänge parametrisiert}\xindex{parametrisiert!durch Bogenlänge},
              wenn $\|\gamma'(t)\|_2 = 1$ für alle $t \in I$. Dabei
              ist $\gamma'(t) = \left (\gamma_1'(t), \gamma_2'(t), \dots, \gamma_n'(t) \right)$
        \item $l(\gamma) = \int_a^b \|\gamma'(t)\| \mathrm{d} t$ heißt
              \textbf{Länge von $\gamma$}\xindex{Kurve!Länge einer}
    \end{defenum}    
\end{definition}

\begin{bemerkung}[Eigenschaften von Kurven I]%In Vorlesung: Def.+Bem. 16.1
    Sei $\gamma: I = [a, b] \rightarrow \mdr^n$ eine $C^\infty$-Funktion.

    \begin{bemenum}
        \item Ist $\gamma$ durch Bogenlänge parametrisiert, so ist $l(\gamma) = b-a$.
        \item \label{bem:16.1d} Ist $\gamma$ durch Bogenlänge parametrisiert, so ist 
              $\gamma'(t)$ orthogonal zu $\gamma''(t)$ für alle $t \in I$.
    \end{bemenum}
\end{bemerkung}

\begin{beweis}
    von \cref{bem:16.1d}:

    $1 = \|\gamma'(t)\| = \|\gamma'(t)\|^2 = \langle \gamma'(t), \gamma'(t) \rangle$\\
    \begin{align*}
        \Rightarrow 0 &= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} \langle \gamma'(t), \gamma'(t) \rangle\\
                      &= \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} (\gamma_1'(t)\gamma_1'(t) + \gamma_2'(t)\gamma_2'(t))\\
                      &= 2 (\gamma_1''(t) \cdot \gamma_1'(t) + \gamma_2''(t) \cdot \gamma_2'(t))\\
                      &= 2 \langle \gamma''(t), \gamma'(t) \rangle
     \end{align*}
\end{beweis}

\begin{definition}%In Vorlesung: Definition 16.2
    Sei $\gamma: I \rightarrow \mdr^2$ eine durch Bogenlänge
    parametrisierte Kurve.

    \begin{defenum}
        \item Für $t \in I$ sei $n(t)$ \textbf{Normalenvektor}\xindex{Normalenvektor}
              an $\gamma$ in $t$, d.~h.
              \[\langle n(t), \gamma'(t) \rangle = 0, \;\;\; \|n(t)\|=1 \]
              und $\det((\gamma_1(t), n(t))) = +1$
        \item Nach \cref{bem:16.1d} sind $n(t)$ und $\gamma''(t)$ linear
              abhängig, d.~h. es gibt $\kappa(t) \in \mdr$ mit
              \[\gamma''(t) = \kappa(t) \cdot n(t)\]
              $\kappa(t)$ heißt \textbf{Krümmung}\xindex{Krümmung}
              von $\gamma$ in $t$.
    \end{defenum}
\end{definition}

\begin{beispiel}%In Vorlesung: Beispiel 16.3
    Gegeben sei ein Kreis mit Radius $r$, d.~h. mit Umfang $2\pi r$.
    Es gilt:

    \[\gamma(t) = \left (r \cdot \cos \frac{t}{r}, r \cdot \sin \frac{t}{r} \right ) \text{ für } t \in [0, 2\pi r]\]
    ist parametrisiert durch Bogenlänge.

    \begin{align*}
        \gamma'(t)  &= \left ((r \cdot \frac{1}{r}) (- \sin \frac{t}{r}), r \frac{1}{r} \cos \frac{t}{r} \right )\\
                    &= \left (- \sin \frac{t}{r}, \cos \frac{t}{r} \right )\\
        \Rightarrow n(t) &= \left (- \cos \frac{t}{r}, - \sin \frac{t}{r} \right )\\
        \gamma''(t) &= \left (- \frac{1}{r} \cos \frac{t}{r}, - \frac{1}{r} \sin \frac{t}{r} \right )\\
                    &= \frac{1}{r} \cdot \left (- \cos \frac{t}{r}, - \sin \frac{t}{r} \right )\\
        \Rightarrow \kappa(t) &= \frac{1}{r}
    \end{align*}
\end{beispiel}

\begin{definition}%In Vorlesung: Def.+Bem. 16.4
    Sei $\gamma: I \rightarrow \mdr^3$ eine durch Bogenlänge parametrisierte
    Kurve.

    \begin{defenum}
        \item Für $t \in I$ heißt $\kappa(t) := \|\gamma''(t)\|$ die
              \textbf{Krümmung}\xindex{Krümmung} von $\gamma$ in $t$.
        \item Ist für $t \in I$ die Ableitung $\gamma''(t) \neq 0$,
              so heißt $\gamma''(t)$ \textbf{Normalenvektor}\xindex{Normalenvektor}
              an $\gamma$ in $t$.
        \item \label{def:16.4c} $b(t)$ sei ein Vektor, der $\gamma'(t), n(t)$
              zu einer orientierten Orthonormalbasis von $\mdr^3$ ergänzt.
              Also gilt:
              \[\det(\gamma'(t), n(t), b(t)) = 1\]
              $b(t)$ heißt \textbf{Binormalenvektor}\xindex{Binormalenvektor},
              die Orthonormalbasis 
              \[\Set{\gamma'(t), n(t), b(t)}\]
              heißt \textbf{begleitendes Dreibein}\xindex{Dreibein!begreitendes}.
    \end{defenum}
\end{definition}

\begin{bemerkung}[Eigenschaften von Kurven II]%In Vorlesung: Def.+Bem 16.4
    Sei $\gamma: I \rightarrow \mdr^3$ durch Bogenlänge parametrisierte
    Kurve.

    \begin{bemenum}
        \item $n(t)$ ist orthogonal zu $\gamma'(t)$.
        \item $b(t)$ aus \cref{def:16.4c} ist eindeutig.
    \end{bemenum}
\end{bemerkung}

\section{Tangentialebene}
Erinnerung Sie sich an \cref{def:8.5} \enquote{reguläre Fläche}.

Äquivalent dazu ist: $S$ ist lokal von der Form
\[V(f) = \Set{x \in \mdr^3 | f(x) = 0 }\]
für eine $C^\infty$-Funktion $f: \mdr^\infty \rightarrow \mdr$.\todo{Wirklich $\mdr^\infty$?}

\begin{definition}%In Vorlesung: 17.1
    Sei $S \subseteq \mdr^3$ eine reguläre Fläche, $s \in S$,
    $F: U \rightarrow V \cap S$ eine lokale Parametrisierung um $s$
    (d.~h. $s \in V$)
    \[(u,v) \mapsto (x(u,v), y(u,v), z(u,v))\]
    Für $p=F^{-1}(s) \in U$ sei
    \[        J_F(u,v) = \begin{pmatrix}
            \frac{\partial x}{\partial u} (p) & \frac{\partial x}{\partial v} (p)\\
            \frac{\partial y}{\partial u} (p) & \frac{\partial y}{\partial v} (p)\\
            \frac{\partial z}{\partial u} (p) & \frac{\partial z}{\partial v} (p)
        \end{pmatrix}\]
    und $D_P F: \mdr^2 \rightarrow \mdr^3$ die durch $J_F (p)$
    definierte lineare Abbildung.

    Dann heißt $T_s S := \Bild(D_p F)$ die \textbf{Tangentialebene}\xindex{Tangentialebene}
    an $s \in S$.
\end{definition}

\begin{bemerkung}%In Vorlesung: 17.2
    $T_s S$ ist $2$-dimensionaler Untervektorraum von $\mdr^3$.
\end{bemerkung}

\begin{bemerkung}%In Vorlesung: 17.3
    $T_s S$ hängt nicht von der gewählten Parametrisierung ab.
\end{bemerkung}

\begin{beweis}\leavevmode
    \begin{behauptung}
        $T_s S = \Set{x \in \mdr^3 | \exists \text{parametrisierte Kurve } \gamma:[- \varepsilon, + \varepsilon] \rightarrow S \text{ für ein } \varepsilon > 0 \text{ mit } \gamma(0) = S \text{ und } \gamma'(0) = x}$
    \end{behauptung}
\end{beweis}

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% Mitschrieb vom 04.02.2014                                         %
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\begin{bemerkung}%In Vorlesung: Bemerkung 17.4
    Sei $S=V(f)$ eine reguläre Fläche in $\mdr^3$, also 
    $f:V \rightarrow \mdr$ eine $C^\infty$-Funktion, $V \subseteq \mdr^3$
    offen, $\grad(f)(x) \neq 0$ für alle $x \in S$.

    Dann ist $T_s S = (\grad(f)(s))^\perp$ für jedes $s \in S$.
\end{bemerkung}
\begin{beweis}
    Sei $x \in T_s S, \gamma:[-\varepsilon, +\varepsilon] \rightarrow S$
    eine parametrisierte Kurve mit $\varepsilon > 0$ und $\gamma'(0) = s$,
    sodass $\gamma'(0) = x$ gilt. Da $\gamma(t) \in S$ für alle
    $t \in [-\varepsilon, \varepsilon]$, ist $f \circ \gamma = 0$\\
    $\Rightarrow 0 = (f \circ \gamma)'(0) = \langle \grad(f)(\gamma(0)), \gamma'(0) \rangle$\\
    $\Rightarrow T_s S \subseteq \grad (f)(s)^\perp$\\
    $\xRightarrow{\dim = 2} T_s S = (\grad(f)(s))^\perp$
\end{beweis}

\begin{definition}%In Vorlesung: Def.+Bem 17.5
    \begin{defenum}
        \item Ein \textbf{Normalenfeld}\xindex{Normalenfeld} auf der
              Fläche $S$ ist eine Abbildung $n: S \rightarrow S^2 \subseteq \mdr^3$
              mit $n(s) \in T_s S^\perp$ für jedes $s \in S$.
        \item $S$ heißt \textbf{orientierbar}\xindex{Fläche!orientierbare},
              wenn es ein stetiges Normalenfeld auf $S$ gibt.
    \end{defenum}
\end{definition}

Manchmal wird zwischen einem \textit{Normalenfeld} und einem
\textit{Einheitsnormalenfeld}\xindex{Einheitsnormalenfeld} unterschieden.
Im folgenden werden diese Begriffe jedoch synonym benutzt.

\begin{bemerkung}[Eigenschaften von Normalenfeldern]%In Vorlesung: Def.+Bem 17.5
    \begin{bemenum}
        \item Ein Normalenfeld auf $S$ ist genau dann stetig, wenn es
              glatt ist (also $C^\infty$).
        \item Zu jedem $s \in S$ gibt es eine Umgebung $V \subseteq \mdr^3$
              von $s$ und eine lokale Parametrisierung $F: U \rightarrow V$
              von $S$ um $s$, sodass auf $F(U) = V \cap S$
              ein stetiges Normalenfeld existiert.
        \item $S$ ist genau dann orientierbar, wenn es einen 
              differenzierbaren Atlas von $S$ aus lokalen Parametrisierungen
              $F_i: U_i \rightarrow V_i,\;i \in I$ gibt, sodass
              für alle $i, j \in F$ und alle $s \in V_i \cap V_j \cap S$
              gilt:
              \[\det(\underbrace{D_s \overbrace{F_j \circ F_i^{-1}}^{V_i \rightarrow V_j}}_{\in \mdr^{3 \times 3}})\]
    \end{bemenum}
\end{bemerkung}

\begin{beweis}
    Wird hier nicht geführt.%TODO: Übung? Übungsblatt?
\end{beweis}

\begin{beispiel}
    \begin{bspenum}
        \item $S = S^2$, $n_1 = \id_{S^2}$ ist stetiges Normalenfeld.\\
              $n_2 = - \id_{S^2}$ ist auch stetiges Normalenfeld.
        \item $S = \text{Möbiusband}$ (vgl. \cref{fig:moebius-strip})
              ist nicht orientierbar. Es existiert ein Normalenfeld,
              aber kein stetiges Normalenfeld.
    \end{bspenum}
\end{beispiel}

\begin{figure}[htp]\xindex{Möbiusband}
    \centering
    \includegraphics[width=0.5\linewidth, keepaspectratio]{figures/moebius-strip.pdf} 
    \caption{Möbiusband}
    \label{fig:moebius-strip}
\end{figure}

\section{Gauß-Krümmung}
\begin{bemerkung}\label{bem:18.1}%In Vorlesung: Bemerkung 18.1
    Sei $S$ eine reguläre Fläche, $s \in S$, $n(s)$ ist ein Normalenvektor
    in $s$, $x \in T_s (S)$, $\|x\| = 1$.

    Sei $E$ der von $x$ und $n(s)$ aufgespannte 2-dimensionale 
    Untervektorraum von $\mdr^3$.

    Dann gibt es eine Umgebung $V \subseteq \mdr^3$ von $s$, sodass
    \[C := (s + E) \cap S \cap V\]
    das Bild einer durch Bogenlänge parametrisierten Kurve
    $\gamma:[-\varepsilon, \varepsilon] \rightarrow s$ enthält mit
    $\gamma(0) = s$ und $\gamma'(0) = x$.
\end{bemerkung}

\begin{beweis}
    \enquote{Satz über implizite Funktionen}, siehe z.~B. 
    \href{https://github.com/MartinThoma/LaTeX-examples/tree/master/documents/Analysis\%20II}{\path{github.com/MartinThoma/LaTeX-examples/tree/master/documents/Analysis\%20II}}
\end{beweis}

\begin{definition}\xindex{Normalenkrümmung}%In Vorlesung: Definition 18.2
    In der Situation aus \cref{bem:18.1} heißt die Krümmung $\kappa_\gamma(0)$
    der Kurve $\gamma$ in der Ebene $(s+ E)$ im Punkt $s$ die
    \textbf{Normalenkrümmung}\footnotemark von $S$ in $s$ in Richtung
    $x = \gamma'(0)$.

    Man scheibt: $\kappa_\gamma(0) := \kappanor(s, x)$
\end{definition}
\footnotetext{Die Krümmung ist nur bis auf das Vorzeichen bestimmt.}

\begin{beispiel}%In Vorlesung: Beispiel 18.3
    \begin{bspenum}
        \item $S = S^2 = V(X^2 + Y^2 + Z^2 - 1)$ ist die Kugel um den Ursprung mit Radius~1,
              $n = \id$, $s=(0,0,1)$, $x=(1,0,0)$\\
              $\Rightarrow E = \mdr \cdot x + \mdr \cdot n(s)$ ($x,z\text{-Ebene}$)

              $C = E \cap S$ ist Kreislinie\\
              $\kappanor(s, x) = \frac{1}{r} = 1$
        \item $S = V(X^2 + Z^2 - 1) \subseteq \mdr^3$ ist ein Zylinder (siehe \cref{fig:regular-zylinder}).
              $s = (1,0,0)$\\
              $x_1 = (0,1,0) \Rightarrow E_1 = \mdr \cdot e_1 + \mdr \cdot e_2$ ($x,y\text{-Ebene}$)\\
              $S \cap E_1 = V(X^2 + Y^2 - 1) \cap E$, Kreislinie in $E$\\
              $\Rightarrow \kappanor(s, x_1) = \pm 1$\\
              $x_2 = (0, 0, 1), E_2 = \mdr \cdot e_1 + \mdr \cdot e_3$ ($x,z\text{-Ebene}$)\\
              $V \cap E_2 \cap S = \Set{(1, 0, z) \in \mdr^3 | z \in \mdr}$ ist eine Gerade\\
              $\Rightarrow \kappanor(s, x_2) = 0$
        \item $S = V(X^2 - Y^2 - Z)$, $s = (0,0,0)$ (Hyperbolisches Paraboloid\xindex{Paraboloid!hyperbolisches}, siehe \cref{fig:hyperbolic-paraboloid})\\
              $x_1 = (1,0,0)$, $n(s) = (0,0,1)$\\
              $x_2 = (0, 1, 0)$\\
              $\kappanor(s, x_1) = 2$\\
              $\kappanor(s, x_2) = -2$
    \end{bspenum}
\end{beispiel}

\begin{figure}[ht]
    \centering
    \subfloat[$S = V(X^2 + Z^2 - 1)$]{
        \resizebox{0.4\linewidth}{!}{\input{figures/cylinder.tex}}
        \label{fig:regular-zylinder}
    }%
    \subfloat[$S = V(X^2 - Y^2 - Z)$]{
        \resizebox{0.4\linewidth}{!}{\input{figures/hyperbolic-paraboloid.tex}}
        \label{fig:hyperbolic-paraboloid}
    }%
    \label{fig:regular-surfaces}
    \caption{Beispiele für reguläre Flächen}
\end{figure}

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% Mitschrieb vom 06.02.2014                                         %
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\begin{definition}\xindex{Normalenkrümmung}%In Vorlesung: Def. 18.4
    Sei $S \in \mdr^3$ eine reguläre Fläche, $s \in S$, ($n$ ein
    stetiges Normalenfeld auf $S$)

    $\gamma:[-\varepsilon, \varepsilon] \rightarrow S$ eine nach
    Bogenlänge parametrisierte Kurve ($\varepsilon > 0$) mit
    $\gamma(0) = s$ und $\gamma''(0) \neq 0$.

    Sei $n(0) := \frac{\gamma''(0)}{\|\gamma''(0)\|}$. Zerlege
    $n(0) = n(0) + n(0)^\bot$ mit $n(0)^\bot \in T_s S$ und
    $n(0)^\bot \in (T_s S)^\bot$.

    Dann ist $n(0)^\bot = \langle n(0), n(s) \rangle \cdot n(s)$\\
    $\kappanor(s, \gamma) := \langle \gamma''(0), n(s) \rangle$
    die \textbf{Normalenkrümmung}.\todo{Ist das hier die Normalenkrümmung? Was ist mit der anderen Def.?}
\end{definition}

\begin{bemerkung}
    Sei $\overline{\gamma}(t) = \gamma(-t)$, $t \in [- \varepsilon, \varepsilon]$.
    Dann ist $\kappanor(s, \overline{\gamma}) = \kappanor(s, \gamma)$.
\end{bemerkung}

\begin{beweis}
    $\overline{\gamma}''(0) = \gamma''(0)$, da $\overline{\gamma}'(0) = - \gamma'(0)$.

    Es gilt: $\kappanor(s,\gamma)$ hängt nur von $|\gamma'(0)|$ ab
    und ist gleich $\kappanor(s, \gamma'(0))$.
\end{beweis}

\begin{bemerkung}%In Vorlesung: Bem.+Def. 18.6
    Sei $S$ eine reguläre Fläche und $n=n(s)$ ein Normalenvektor an 
    $S$ in $s$.

    Sei $T_{s}^{1} S = \Set{x \in T_s S | \|x\| = 1} \cong S^1$.
    Dann ist $\kappanor^n(s): T_s S \rightarrow \mdr$,
    $x \mapsto \kappanor(s,x)$ eine glatte Funktion und 
    $\Bild \kappanor(s)$ ist ein abgeschlossenes Intervall.
\end{bemerkung}

\begin{definition}\xindex{Hauptkrümmung}\xindex{Gauß-Krümmung}%In Vorlesung: Bem.+Def. 18.6
    Sei $S$ eine reguläre Fläche und $n=n(s)$ ein Normalenvektor an 
    $S$ in $s$.

    \begin{defenum}
        \item $\kappa^n_1(s) := \min \Set{\kappanor^n(s,x) | x \in T_s^1 S}$ und\\
              $\kappa^n_2(s) := \max \Set{\kappanor^n(s,x) | x \in T_s^1 S}$
              heißen \textbf{Hauptkrümmungen} von $S$ in $s$.
        \item $K(s) := \kappa_1^n(s) \cdot \kappa_2^n(s)$ heißt
              \textbf{Gauß-Krümmung} von $S$ in $s$.
    \end{defenum}
\end{definition}

\begin{bemerkung}%In Vorlesung: Bem.+Def. 18.6
    Ersetzt man $n$ durch $-n$, so gilt: $\kappanor^{-n}(s, x) = - \kappanor^n(x)\; \forall x \in T_s^1 S$\\
    $\Rightarrow \kappa_1^{-n}(s) = - \kappa_2^n(s)$,\\
    $\kappa_2^{-n}(s) = - \kappa_1^n (s)$\\
    und $K^{-n}(s) = K^n(s) =: K(s)$.
\end{bemerkung}

\begin{beispiel}
    \begin{bspenum}
        \item $S = S^2$. Dann ist $\kappa_1(s) = \kappa_2(s) = \pm 1\;\forall s \in S^2$\\
              $\Rightarrow K(s) = 1$
        \item Zylinder:\\
              $\kappa_1(s) = 0, \kappa_2(s) = 1 \Rightarrow K(s) = 0$
        \item Sattelpunkt auf hyperbolischem Paraboloid:\\
              $\kappa_1(s) < 0, \kappa_2(s) = 0 \rightarrow K(s) < 0$
        \item $S = \text{Torus}$. Siehe \cref{fig:torus-gauss-kruemmung}\\
            \begin{figure}[htp]\xindex{Torus}
                \centering
                \input{figures/torus-gauss-kruemmung.tex} 
                \caption{$K(s_1) > 0$, $K(s_2) = 0$, $K(s_3) < 0$}
                \label{fig:torus-gauss-kruemmung}
            \end{figure}
    \end{bspenum}
\end{beispiel}

\begin{bemerkung}%In Vorlesung: Bem. 18.7
    Sei $S$ eine reguläre Fläche, $s \in S$ ein Punkt.
    \begin{bemenum}
        \item Ist $K(s) > 0$, so liegt $S$ in einer Umgebung von $s$
              ganz auf einer Seite von $T_s S + s$.
        \item Ist $K(s) < 0$, so schneidet jede Umgebung von $s$ in $S$
              beide Seiten von $T_s S + s$.
    \end{bemenum}
\end{bemerkung}