diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf index 7120ebe..54d7529 100644 Binary files a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf and b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/main.pdf differ diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/preamble.tex b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/preamble.tex index 9f372c2..a2f9ee2 100644 --- a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/preamble.tex +++ b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/preamble.tex @@ -65,14 +65,14 @@ \makeatletter \renewenvironment{proof}[1][\proofname]{\par - \pushQED{\qed}% - \normalfont \topsep6\p@\@plus6\p@\relax - \trivlist - \item[\hskip\labelsep - \itshape - #1\@addpunct{.}]\mbox{}\\* + \pushQED{\qed}% + \normalfont \topsep6\p@\@plus6\p@\relax + \trivlist + \item[\hskip\labelsep + \itshape + #1\@addpunct{.}]\mbox{}\\* }{% - \popQED\endtrivlist\@endpefalse + \popQED\endtrivlist\@endpefalse } \makeatother @@ -109,6 +109,7 @@ \newcommand*\dif{\mathop{}\!\textnormal{\slshape d}} +\newcommand{\dA}{\dif{A}} \newcommand{\dx}{\dif{x}} \newcommand{\dy}{\dif{y}} \newcommand{\du}{\dif{u}} @@ -119,7 +120,7 @@ %\setcounter{secnumdepth}{1} \newcommand{\restr}[2]{ - #1\arrowvert_{#2} + #1\arrowvert_{#2} } \newcommand{\inv}{^{-1}} @@ -141,12 +142,12 @@ % A TikZ style for curved arrows of a fixed height, due to AndréC. \tikzset{curve/.style={settings={#1},to path={(\tikztostart) - .. controls ($(\tikztostart)!\pv{pos}!(\tikztotarget)!\pv{height}!270:(\tikztotarget)$) - and ($(\tikztostart)!1-\pv{pos}!(\tikztotarget)!\pv{height}!270:(\tikztotarget)$) - .. (\tikztotarget)\tikztonodes}}, - settings/.code={\tikzset{quiver/.cd,#1} - \def\pv##1{\pgfkeysvalueof{/tikz/quiver/##1}}}, - quiver/.cd,pos/.initial=0.35,height/.initial=0} + .. controls ($(\tikztostart)!\pv{pos}!(\tikztotarget)!\pv{height}!270:(\tikztotarget)$) + and ($(\tikztostart)!1-\pv{pos}!(\tikztotarget)!\pv{height}!270:(\tikztotarget)$) + .. (\tikztotarget)\tikztonodes}}, + settings/.code={\tikzset{quiver/.cd,#1} + \def\pv##1{\pgfkeysvalueof{/tikz/quiver/##1}}}, + quiver/.cd,pos/.initial=0.35,height/.initial=0} % TikZ arrowhead/tail styles. \tikzset{tail reversed/.code={\pgfsetarrowsstart{tikzcd to}}} diff --git a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex index 22c395c..03d7f32 100644 --- a/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex +++ b/Corsi/Geometria e topologia differenziale/Scheda riassuntiva/sections/3-curve_su_superfici.tex @@ -996,4 +996,247 @@ $N_\alpha(P)$ perpendicolare a $T_P \Sigma$, ossia parallelo a $\vec{n}$. Il viceversa è analogo. \end{proof} + + \section{Integrazione e teorema di Gauss-Bonnet} + + \subsection{Prime definizioni} + + \begin{definition}[Curva chiusa] + Una curva (non necessariamente liscia) $\alpha : [a, b] \to \Sigma$ si dice + \textbf{chiusa} se $\alpha(a) = \alpha(b)$. + \end{definition} + + \begin{definition}[Curva semplice] + Una curva (non necessariamente liscia) $\alpha : [a, b] \to \Sigma$ si dice + \textbf{semplice} se $\alpha(t) = \alpha(t')$ può avvenire solo + sugli estremi $a$, $b$, ovverosia non è autointersecante. + \end{definition} + + \begin{definition}[Curva regolare a tratti] + Una curva (non necessariamente liscia) $\alpha : [a, b] \to \Sigma$ si dice + \textbf{regolare a tratti} se esiste una partizione $a = t_0 < t_1 < \cdots < t_\ell = b$ + di $[a, b]$ tale per cui $\restr{\alpha}{[t_i, t_{i+1}]}$ è regolare per ogni + $i < \ell$. + \end{definition} + + \subsection{Regione di una superficie e area} + + \begin{definition}[Regione] + Un sottinsieme $R$ di una superficie $\Sigma$ si dice \textbf{regione} se + è un chiuso nella topologia di $\Sigma$, il cui bordo è traccia di una + curva semplice, chiusa e regolare a tratti. + \end{definition} + + \begin{remark} \label{rmk:invarianza_area} + Dal sistema trovato nella dimostrazione della Proposizione \ref{prop:stesso_piano_tangente_param_regolari} + segue $\vec{x_s} \times \vec{x_t} = \det(J f_{\vec{x}, \vec{y}}) (\vec{y_u} \times \vec{y_v})$. + Da ciò segue facilmente tramite un cambio di variabili che: + \[ + \iint_{\vec{x}\inv(R)} \norm{\vec{x_s} \times \vec{x_t}} \ds \dt = \iint_{\vec{y}\inv(R)} \norm{\vec{y_u} \times \vec{y_v}} \du \dv. + \] + \end{remark} + + \begin{definition}[Area di una regione] + Sia $R$ una regione di $\Sigma$ contenuta dentro l'immagine + di una parametrizzazione $\vec{x}$. Si definisce allora la sua \textbf{area} + come: + \[ + \boxed{A(R) \defeq \iint_{\vec{x}\inv(R)} \norm{\vec{x_u} \times \vec{x_v}} \du \dv,} + \] + che, per l'Osservazione \ref{rmk:invarianza_area}, è invariante al cambio + di parametrizzazione. + \end{definition} + + \begin{proposition}[Formula per $\norm{\vec{x_u} \times \vec{x_v}}$] + Per ogni coppia di vettori $v$, $w$ vale la seguente relazione: + \[ + \norm{v \times w}^2 + \norm{v \cdot w}^2 = \norm{v}^2 \norm{w}^2. + \] + Applicando questa identità a $\vec{x_u}$ e $\vec{x_v}$, si ottiene + la seguente formula (relativa a $\vec{x}$): + \[ + \boxed{\norm{\vec{x_u} \times \vec{x_v}} = \sqrt{EG - F^2}.} + \] + \end{proposition} + + \subsection{Integrazione rispetto a una regione} + + \begin{definition}[Integrazione rispetto all'area] + Se $\varphi : \Sigma \to \RR$ è una funzione liscia, si + definisce il suo integrale rispetto a una regione $R$ di $\Sigma$ + come segue: + \[ + \boxed{\int_R \varphi \dA \defeq \iint_{\vec{x}\inv(R)} (\varphi \circ \vec{x}) \, \norm{\vec{x_u} \times \vec{x_v}} \du \dv.} + \] + \end{definition} + + \begin{remark} + Ponendo $\varphi \equiv 1$, si ottiene: + \[ + \int_R \dA = A(R). + \] + \end{remark} + + \subsection{Angoli esterni, teorema di Gauss-Bonnet locale e corollario} + + \begin{definition}[Angoli esterni] + Sia $R$ una regione di una superficie $\Sigma$. Se $\alpha$ ne + parametrizza il bordo, ed è regolare a tratti con tempi + di non regolarità $t_1$, $t_2$, ..., $t_n$ si definiscono + gli \textbf{angoli esterni} di $R$ come: + \[ + \boxed{\eps_i \defeq \theta(\alpha_+'(t_i), \alpha_-'(t_{i+1})),} + \] + dove $\alpha_+$ e $\alpha_-$ indicano rispettivamente la + derivata sinistra e quella destra. + \end{definition} + + \begin{theorem}[Gauss-Bonnet locale] \label{thm:GBL} + Sia $R \subseteq \vec{x}(U) \subseteq \Sigma$ una regione + \underline{semplicemente connessa} con angoli esterni + $\eps_1$, ..., $\eps_n$. Allora vale la seguente identità: + \begin{equation*} \tag{GBL} \label{eq:GBL} + \boxed{\int_{\partial R} \kappa_g \ds + \int_R \kappa \dA + \sum_{i=1}^n \eps_i = 2\pi.} + \end{equation*} + \end{theorem} + + \begin{definition}[Angoli interni] + Sia $R$ una regione di una superficie $\Sigma$. Se $\alpha$ ne + parametrizza il bordo, ed è regolare a tratti con tempi + di non regolarità $t_1$, $t_2$, ..., $t_n$ si definiscono + gli \textbf{angoli interni} di $R$ come: + \[ + \boxed{\iota_i \defeq \pi - \eps_i,} + \] + dove $\alpha_+$ e $\alpha_-$ indicano rispettivamente la + derivata sinistra e quella destra. + \end{definition} + + \begin{corollary} \label{cor:angoli_triangolo} + Sia $T \subseteq \vec{x}(U) \subseteq \Sigma$ una triangolo + su $\Sigma$, ovverosia una regione con tre punti non regolari sul + bordo, collegati tramite geodetiche. Allora vale: + \[ + \boxed{\int_R \kappa \dA = \iota_1 + \iota_2 + \iota_3 - \pi.} + \] + \end{corollary} + + \begin{proof} + Segue immediatamente dalla definizione di angolo interno e dal Teorema di Gauss-Bonnet locale (\ref{thm:GBL}), dacché + $\kappa_g \equiv 0$ lungo le geodetiche. + \end{proof} + + \begin{corollary} + In un piano, la somma degli angoli interni di un triangolo + è esattamente $\pi$. Sulla sfera, invece è strettamente maggiore + di $\pi$. Su una sella è invece strettamente minore. + \end{corollary} + + \begin{proof} + Segue immediatamente dal Corollario \ref{cor:angoli_triangolo}, visto + che su un piano si ha $\kappa \equiv 0$, su una sfera $\kappa > 0$ e + su una sella $\kappa < 0$. + \end{proof} + + \subsection{Superfici orientate con bordo e triangolarizzazione} + + \begin{definition}[Superficie orientata con bordo] + Si dice che $\Sigma$ è una \textbf{superficie orientata con bordo} (eventualmente + sconnesso) se: + \[ + \Sigma = \overline{\hat{\Sigma} \setminus \left( \bigcup_{i=1}^n R_i \right)}, + \] + dove $\hat{\Sigma}$ è una superficie orientata, compatta con $\partial \hat{\Sigma} = \emptyset$, + e le $R_i$ sono regioni di $\hat{\Sigma}$. \smallskip + + In tal caso si pone: + \[ + \boxed{\partial \Sigma \defeq \bigcup_{i=1}^n \partial R_i,} + \] + mentre i suoi angoli interni/esterni diventano quelli delle singoli regioni. + \end{definition} + + \begin{definition}[Triangolarizzazione] + Una \textbf{triangolarizzazione} di una superficie $\Sigma$ è una famiglia + $\{ \Delta_\lambda \}_{\lambda=1}^n$ di insiemi tali per cui valgono + le seguenti proprietà: + \begin{itemize} + \item $\Sigma = \bigcup_{\lambda=1}^n \Delta_\lambda$, + \item $\Delta_\lambda$ è l'immagine di un triangolo euclideo tramite una + parametrizzazione regolare compatibile con l'orientazione + di $\Sigma$. + \item Se $\lambda \neq \mu$, allora $\Delta_\lambda \cap \Delta_\mu$ può essere + vuoto, un lato comune e un singolo vertice. + \item Se $\Delta_\lambda$ e $\Delta_\mu$ hanno in comune un lato, allora lo percorrono con + orientazioni opposte. + \item $\Delta_\lambda \cap \partial \Sigma$ può essere vuoto, un lato o un vertice. + \end{itemize} + \end{definition} + + \subsection{Teorema di Radó e caratteristica di Eulero} + + \begin{theorem}[Radó] \label{thm:rado} + Ogni superficie orientata con bordo ammette una triangolarizzazione. + \end{theorem} + + \begin{definition}[Caratteristica di Eulero] + Sia $\tau = \{ \Delta_\lambda \}_{\lambda=1}^n$ una triangolarizzazione di + una superficie orientata con bordo. Allora si definisce la sua + \textbf{caratteristica di Eulero} come: + \[ + \boxed{\chi(\Sigma) \defeq V - L + T,} + \] + dove $V$ è il numero di vertici di $\tau$, $L$ è il numero di lati e + $T$ è il numero di triangoli. + \end{definition} + + \begin{fact} + La caratteristica di Eulero \underline{non} dipende dalla + triangolarizzazione scelta. + \end{fact} + + \subsection{Teorema di Gauss-Bonnet globale e classificazione delle superfici chiuse, orientabili e connesse} + + \begin{theorem}[Gauss-Bonnet globale] \label{thm:GBG} + Sia $\Sigma$ una superficie orientata con bordo con angoli esterni $\{\eps_i\}_i$. Allora vale + la seguente identità: + \begin{equation} \label{eq:GBG} \tag{GBG} + \boxed{\int_{\partial \Sigma} \kappa_g \ds + \int_\Sigma \kappa \dA + \sum_i \eps_i = 2\pi \chi(\Sigma).} + \end{equation} + \end{theorem} + + \begin{proof} + La dimostrazione segue i prossimi due punti: + \begin{enumerate} + \item Si sceglie una triangolarizzazione di $\Sigma$ grazie al Teorema di Radó (\ref{thm:rado}) e si applica il Teorema di Gauss-Bonnet locale + (\ref{thm:GBL}) ad ogni triangolo. + \item Si sommano le varie identità date da \eqref{eq:GBL}. In questo modo i bordi interni si semplificano + (sono lati in comune tra due triangoli, quindi percorsi in sensi opposti), ottenendo + $\int_{\partial \Sigma} \kappa_g \ds$. Allora stesso modo gli angoli interni della triangolarizzazione si sommano + a $2\pi (L - V)$, mentre i $2\pi$ si sommano a $T$. + \end{enumerate} + \end{proof} + + \begin{corollary} + Se $\Sigma$ è una superficie orientata compatta con $\partial \Sigma = \emptyset$, allora: + \[ + \boxed{\int_\Sigma \kappa \dA = 2\pi \chi(\Sigma).} + \] + \end{corollary} + + \begin{definition}[Superficie chiusa] + Una superficie $\Sigma$ si dice \textbf{chiusa} se è + compatta e $\partial \Sigma = \emptyset$. + \end{definition} + + \begin{theorem}[classificazione delle superfici chiuse, orientabili e connesse] + A meno di omeomorfismo, le superfici chiuse, orientabili e connesse + sono le \underline{superfici di genere}, tali per cui $\chi(\Sigma_g) = 2-2g$. + \end{theorem} + + \begin{corollary} + Sia $\Sigma$ una superficie chiusa e orientabile \underline{non} + omeomorfa alla sfera. Allora su $\Sigma$ esistono sia punti ellittici, + che iperbolici, che parabolici. + \end{corollary} \end{multicols*}