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gtd(scheda): aggiunge theorema egregium di Gauss
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\end{proposition}
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%TODO: idea di dimostrazione?
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\section{Superfici localmente isometriche e Theorema egregium}
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\subsection{Conservazione delle lunghezze su superfici localmente isometriche}
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\begin{proposition}
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Data una parametrizzazione $\vec{x} : U \to \RR^3$,
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si ha $\ell(\overline{\alpha}) = \ell(\vec{x} \circ \overline{\alpha})$
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per ogni curva $\overline{\alpha} : [a, b] \to U$ se e solo se
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$\I_P = I_2$ per ogni punto $P$ in $\vec{x}(U)$. \smallskip
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In altre parole, $\vec{x}$ preserva le lunghezze delle curve se e solo se
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$E \equiv G \equiv 1$ e $F \equiv 0$.
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\end{proposition}
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\begin{proof}
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Sia $P$ un punto di $\vec{x}(U)$ con $P = \vec{x}(u_0, v_0)$. Siano $\lambda$,
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$\mu \in \RR$. Si può scegliere una curva $\overline{\alpha}$ su $U$
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con $\overline{\alpha}(0) = (u_0, v_0)$ e $\overline{\alpha}'(0) = (\lambda, \mu)$. \smallskip
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Preservare le lunghezze di ogni curva vuol dire anche
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preservare le lunghezze di ogni porzione di $\overline{\alpha}$. Questo implica
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$\norm{\overline{\alpha}'} = \norm{\alpha'}$, dove $\alpha = \vec{x} \circ \overline{\alpha}$. \smallskip
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Se $\overline{\alpha}(t) = (u(t), v(t))$, allora:
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\[
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\alpha'(0) = \lambda \vec{x_u}(P) + \mu \vec{x_v}(P).
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\]
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L'arbitrarietà di $\lambda$ e $\mu$ implica
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che la mappa $(a, b) \mapsto a \, \vec{x_u}(P) + b \, \vec{x_v}(P)$ sia
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un'isometria per ogni punto $P$,
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e quindi che $\I_P$ sia l'identità $I_2$.
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\end{proof}
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\begin{definition}[Isometria locale]
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Una parametrizzazione regolare $\vec{x}$ si dice
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\textbf{isometria locale} se su tutti i punti di
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$\vec{x}(U)$ si ha $E \equiv G \equiv 1$ e $F \equiv 0$
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tramite $\vec{x}$.
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\end{definition}
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\begin{definition}[Superfici localmente isometriche]
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Siano $\Sigma$ e $\Sigma^*$ due superfici di $\RR^3$. Siano
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$P \in \Sigma$ e $P^* \in \Sigma^*$. Si dice che $\Sigma$ e
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$\Sigma^*$ sono \textbf{localmente isometriche} intorno a
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$P$ e $P^*$ se esistono
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$\vec{x} : U \to \Sigma$ parametrizzazione di $P$, e $\vec{x^*} : U \to \Sigma^*$
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parametrizzazione di $P^*$ con $E \equiv E^*$, $F \equiv F^*$ e
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$G \equiv G^*$ su $U$.
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\end{definition}
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\begin{remark}
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Passare da un intorno di una superficie a un intorno di una superficie ad essa
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localmente isometrica conserva le lunghezze. \smallskip
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\[\begin{tikzcd}
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&& \Sigma \\
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{[a, b]} & U \\
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&& {\Sigma^*}
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\arrow["f"{description}, from=1-3, to=3-3]
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\arrow["\alpha"{description}, curve={height=-12pt}, from=2-1, to=1-3]
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\arrow["{\overline{\alpha}}", from=2-1, to=2-2]
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\arrow["{\alpha^*}"{description}, curve={height=12pt}, from=2-1, to=3-3]
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||||
\arrow["{\vec{x}}", from=2-2, to=1-3]
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\arrow["{\vec{x^*}}"', from=2-2, to=3-3]
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\end{tikzcd}\]
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Se $\alpha$ è una curva su $\Sigma$, allora si può fattorizzare come $\vec{x} \circ \overline{\alpha}$ con
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$\overline{\alpha}(t) = (u(t), v(t))$
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(vd. Proposizione \ref{prop:coordinate_curva_parametrizzazione}); analogamente si fattorizza la
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curva ottenuta sulla superficie $\Sigma^*$ come $\alpha^* \defeq \vec{x^*} \circ \overline{\alpha}$. \smallskip
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La tesi è equivalente a mostrare che $f \defeq \vec{x^*} \circ \vec{x}$ conserva le velocità delle curve.
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Ma questo è vero, infatti:
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\[
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\norm{\alpha'(t)}^2 = \overline{\alpha}'(t)^\top \I_P \overline{\alpha}'(t) = \overline{\alpha}'(t)^\top \I_P^* \overline{\alpha}'(t) = \norm{(\alpha^*)'(t)}^2,
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\]
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e $\I_P = \I_P^*$.
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\end{remark}
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\begin{remark}
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Una superficie $\Sigma^*$ ottenuta come rototraslazione o riflessione di una superficie $\Sigma$ è
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localmente isometrica a $\Sigma$ nei punti associati.
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\end{remark}
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\subsection{Theorema Egregium, simboli di Christoffel e conseguenze}
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\begin{remark}
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Osserviamo che, se $\vec{x}$ è una parametrizzazione regolare,
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allora $\{\vec{x_u}, \vec{x_v}, \vec{n}\}$ -- dove $\vec{n}$ è la
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normale indotta da $\vec{x}$ -- è una base di $\RR^3$ in ogni punto.
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Pertanto anche $\vec{x_{uu}}$, $\vec{x_{uv}}$ e $\vec{x_{vv}}$ dovranno
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scriversi in questa base.
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\end{remark}
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\begin{definition}[Simbolo di Christoffel]
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Sia $\vec{x}$ una parametrizzazione regolare. Si indica con
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il \textbf{simbolo di Christoffel} $\Gamma_{ij}^k$ il coefficiente di $\vec{x_k}$
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del vettore $\vec{x_{ij}}$, dove
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$\{i, j, k\} \subseteq \{u, v\}$.
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\end{definition}
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\begin{remark}
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Si osserva subito che vale la seguente formula:
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\[
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\boxed{\begin{pmatrix}
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\vec{x_u} \cdot \vec{x_{ij}} \\
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||||
\vec{x_v} \cdot \vec{x_{ij}}
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\end{pmatrix} =
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\I \begin{pmatrix}
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||||
\vec{\Gamma_{ij}^u} \\
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||||
\vec{\Gamma_{ij}^v}.
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\end{pmatrix},}
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\]
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dove $\I$ è la I forma fondamentale in forma matriciale.
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\end{remark}
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\begin{theorem}[Theorema Egregium di Gauss]
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Sia $\Sigma$ una superficie di $\RR^3$. Allora la sua
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curvatura gaussiana $\kappa$ è localmente esprimibile in funzione
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di $E$, $F$, $G$ e le loro derivate.
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\end{theorem}
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\begin{proof}
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La dimostrazione segue questo schema:
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\begin{enumerate}[(i.)]
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\item Dall'osservazione precedente, i simboli di Christoffel si
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scrivono in funzione degli $\vec{x_k} \cdot \vec{x_{ij}}$ tramite
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la I forma fondamentale.
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\item I $\vec{x_k} \cdot \vec{x_{ij}}$ si scrivono utilizzando le derivate
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di $E$, $F$ e $G$, e quindi anche i simboli di Christoffel.
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\item Il termine $\ell d - m b$, dove $b$ e $d$ sono gli elementi della
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seconda riga della II forma fondamentale, si scrive come $E \cdot \kappa$.
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\item Sviluppando $\vec{x_{uuv}}$ e $\vec{x_{uvu}}$ e applicando il teorema
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di Schwarz, si ottiene un'espressione di $\ell d - m b$ in termini dei
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simboli di Christoffel.
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\item Allora $\ell d - m b$ si scrive in termini di $E$, $F$ e $G$ per (ii.) e (iv.),
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e così anche $\kappa$ per (iii.).
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\end{enumerate}
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\end{proof}
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\begin{corollary}
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Due superfici localmente isometriche hanno stessa curvatura gaussiana nei
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punti associati.
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\end{corollary}
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\begin{corollary}
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Un piano e la sfera \underline{non} sono localmente isometrici.
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\end{corollary}
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\end{multicols*}
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Reference in New Issue
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