gtd(scheda): curvatura geodetica

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GPG Key ID: 325529030D7BCDAC

@ -102,7 +102,11 @@
Sia $\Sigma$ una superficie di rotazione con parametrizzazione canonica
$\vec{x}$. Allora l'immagine della curva $\alpha_{u_0}(t) = \vec{x}(u_0, t)$
è detta \textbf{parallelo}, mentre quella della curva
$\gamma_{v_0}(t) = \vec{x}(t, v_0)$ è detta \textbf{meridiano}.
$\gamma_{v_0}(t) = \vec{x}(t, v_0)$ è detta \textbf{meridiano}. \smallskip
I paralleli sono dunque le intersezioni della superficie con i piani della
forma $\{z = k\}$, mentre i meridiani lo sono rispetto ai piani della
forma $\{ ax + by = 0 \}$.
\end{definition}
\begin{proposition}

@ -285,7 +285,7 @@
$\nabla f(u_0, v_0) \neq 0$, da cui la tesi.
\end{proof}
\begin{remark}
\begin{remark} \label{rmk:curvatura_normale}
Se $\pi$ è un piano con $\pi \neq P + T_P \Sigma$, allora la curva che parametrizza
localmente in $P$ l'intersezione $\pi \cap \Sigma$ ha come versore tangente uno
dei due possibili vettori unitari della giacitura di $\pi \cap (P + T_P \Sigma)$. \smallskip
@ -328,7 +328,13 @@
$\alpha$ passante per $P$ e ottenuta come intersezione del piano
tangente affine $P + T_P \Sigma$ e di un piano $\pi$ ad esso ortogonale,
in modo tale che la giacitura di $\pi \cap P + T_P \Sigma$ sia
generata da $w$.
generata da $w$. \smallskip
Data $\alpha$ su $\Sigma$, definiamo la sua curvatura normale $\kappa_n$ in $P$
come:
\[
\boxed{\kappa_{\alpha, n} \defeq \kappa_n(P, T_\alpha(P)).}
\]
\end{definition}
\begin{remark}
@ -386,7 +392,7 @@
Segue immediatamente da \eqref{eq:eulero}.
\end{proof}
\subsection{Curvatura guassiana, media e classificazione di superfici e punti}
\subsection{Curvatura gaussiana, media e classificazione di superfici e punti}
\begin{definition}[Curvatura gaussiana]
Sia $P$ un punto su una superficie $\Sigma$. Si definisce allora
@ -833,7 +839,7 @@
\end{itemize}
\end{remark}
\subsection{Lemma di Gauss e minimizzazione locale delle distante}
\subsection{Lemma di Gauss e minimizzazione locale delle distanze}
\begin{lemma}[Gauss, le geodetiche sono ortogonali ai cerchi indotti dalla mappa esponenziale] \label{lem:gauss}
Sia $\{\vec{e_1}, \vec{e_2}\}$ una base ortonormale di $T_P \Sigma$.
@ -898,4 +904,96 @@
dove si è usato che $u(0) = 0$ ($P$ nelle coordinate normali corrisponde a $(0, 0)$) e che
$u(1) = 1$ ($P'$ ha già raggio $k$).
\end{proof}
\subsection{Relazione di Clairaut per le geodetiche sulle superfici di rotazione}
\begin{definition}[Angolo di una curva con il parallelo]
Sia $\Sigma$ una superficie di rotazione con parametrizzazione
canonica $\vec{x}$. Data una curva $\gamma$ su
di essa, si definisce $\phi(\gamma(t))$ come segue:
\[
\boxed{\phi(\gamma(t)) \defeq \theta(\gamma'(t), \vec{x_v}(\gamma(t))),}
\]
ovverosia $\phi(\gamma(t))$ è \textbf{l'angolo tra la curva $\gamma$ in $\gamma(t)$ e il
parallelo a cui appartiene $\gamma(t)$}.
\end{definition}
\begin{definition}[Raggio di una curva rispetto all'asse $z$]
Sia $\Sigma$ una superficie di rotazione.
Sia data una curva $\gamma$ su di
essa. Si definisce
allora il \textbf{raggio di $\gamma$ rispetto all'asse di rotazione $z$}
come la distanza di $\gamma$ dall'asse $z$, ovverosia:
\[
\boxed{r(\gamma(t)) \defeq \norm{\pi_{xy}(\gamma(t))}.}
\]
\end{definition}
\begin{proposition}[Relazione di Clairaut]
Sia $\gamma$ una geodetica su una superficie di rotazione $\Sigma$. Allora
$\gamma$ soddisfa la \textbf{relazione di Clairaut}:
\begin{equation} \label{eq:clairaut} \tag{Clairaut}
\boxed{r(\gamma(t)) \cdot \cos(\phi(\gamma(t))) = \textnormal{cost.}}
\end{equation}
Inoltre una curva soddisfacente la relazione di Clairaut che non parametrizza un parallelo è
una geodetica.
\end{proposition}
\begin{remark}
Sono geodetiche anche le curve soddisfacenti \eqref{eq:clairaut} che parametrizzano paralleli, a patto
che, se $\Sigma$ è una rotazione sulla funzione $f$, valga $f' = 0$ sui punti
della geodetica; ovverosia, in un certo senso, sono geodetiche i ``paralleli stazionari''.
\end{remark}
\subsection{Curvatura geodetica}
\begin{remark}
Sia $\alpha$ una curva di Frenet su una superficie $\Sigma$.
Osserviamo che $N_\alpha$ è perpendicolare a $T_\alpha$, e
quindi dovrà scriversi in una qualche combinazione lineare
della base ortonormale $\{\vec{n}, \vec{n} \times T_\alpha\}$
di $(T_\alpha)^\perp$,
dove $\vec{n}$ è una normale (locale). \smallskip
Sappiamo già dall'Osservazione \ref{rmk:curvatura_normale} che
$\dot{T_\alpha} \cdot \vec{n}$ è la curvatura normale
$\kappa_{\alpha, n}$. Ha quindi senso definire il seguente
oggetto matematico:
\end{remark}
\begin{definition}[Curvatura geodetica]
Sia $\alpha$ una curva di Frenet su una superficie $\Sigma$.
Si definisce la \textbf{curvatura geodetica} di $\alpha$
nel punto $P$ come:
\[
\boxed{\kappa_{\alpha, g} = \dot{T_\alpha}(P) \cdot (\vec{n}(P) \times T_\alpha(P)),}
\]
dove $\vec{n}$ è una normale (locale) su $\Sigma$.
\end{definition}
\begin{remark}
Quindi $N_\alpha$ si scrive come:
\[
N_\alpha = \kappa_{\alpha, n} \vec{n} + \kappa_{\alpha, g} (\vec{n} \times T_\alpha),
\]
da cui si ricava immediatamente la seguente relazione:
\[
\boxed{\kappa_\alpha^2 = \kappa_{\alpha, n}^2 + \kappa_{\alpha, g}^2.}
\]
\end{remark}
\begin{proposition}[In una geodetica curvatura normale e curvatura della curva coincidono]
Sia $\alpha$ una curva p.l.a. di Frenet su una superficie $\Sigma$. Allora
$\alpha$ è una geodetica se e solo se:
\[ \boxed{\kappa_{\alpha, g} \equiv 0,} \]
ovverosia se e solo se:
\[ \boxed{\kappa_{\alpha} \equiv \kappa_{\alpha, n}.} \]
\end{proposition}
\begin{proof}
Infatti, se $\alpha$ è una geodetica, allora $\alpha''$ è perpendicolare a
$T_P \Sigma$. Quindi, dal momento che $\alpha$ è p.l.a., si deve avere
$N_\alpha(P)$ perpendicolare a $T_P \Sigma$, ossia parallelo
a $\vec{n}$. Il viceversa è analogo.
\end{proof}
\end{multicols*}

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