微分幾何学 入門
曲線の微分幾何(大学1-2年レベル)
入門の概要
入門では、曲線の微分幾何を学ぶ。曲線のパラメータ表示から始め、弧長・曲率・捩率といった基本的な概念を習得する。これらは曲面や多様体の理論への準備となる。
学習目標
- 曲線のパラメータ表示を理解する
- 弧長パラメータの意味と計算法を習得する
- 曲率の定義と幾何学的意味を理解する
- 平面曲線の曲率を計算できるようになる
- 空間曲線の捩率を理解する
- フレネ・セレの公式を導出し応用できる
目次
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第1章
曲線のパラメータ表示
曲線の定義、正則曲線、パラメータ変換
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第2章
弧長パラメータ
弧長の定義、弧長パラメータへの変換、単位速度曲線
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第3章
曲率
曲率の定義、曲率半径、接触円、曲率の計算
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第4章
平面曲線の理論
符号付き曲率、回転数、閉曲線の全曲率
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第5章
空間曲線と捩率
3次元空間の曲線、捩率の定義、従法線ベクトル
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第6章
フレネ・セレの公式
フレネ・セレ標構、公式の導出と応用
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第7章
練習問題
入門の総合演習
関連用語
- 接触円 — 曲線上の点における接触円(曲率円)の定義、半径(曲率半径)・中心(曲率中心)の求め方を解説する
- 線織面 — 線織面(ruled surface)の定義、ディレクトリックスとルーリングの概念、代表例(双曲面・双曲放物面・正…
- 可展面 — 可展面(developable surface)の定義、ガウス曲率ゼロの特徴、3種類(平面・円柱面・円錐面・接展…
- 測地的曲率 — 測地的曲率(geodesic curvature)の定義、曲面上の曲線が測地線からどれだけ「曲がっているか」を表…
- 法曲率 — 法曲率(normal curvature)の定義、第二基本形式との関係、主曲率・オイラーの公式、ガウス曲率・平均…
前提知識
- 微分積分(特に多変数関数の微分)
- 線形代数の基礎(ベクトル、内積、外積)
- ベクトル値関数の微分
参考資料
読み物
曲がり具合を手で感じる [読み物]
ハンドルを切る手、カーブで体が振られる感覚、急がば回れ。曲率という量がどこから来て何を測っているのかを、身近な実感と歴史を交えて肩の力を抜いて語る。
らせんの秘密 [読み物]
バネ、ねじ、らせん階段、DNA。平面から飛び出すには「ねじれ」が要る。曲率に加わるもう一つの量・捩率がなぜ生まれたのかを、身近ならせんと歴史で気軽に語る。
地球の上のいちばんまっすぐな道 [読み物]
東京からニューヨークへ飛ぶ便は、なぜ地図の上で北へ大きく弧を描くのか。曲がった面の上での「まっすぐ」とは何かを、大圏コースと測地線の話で気軽に語る。