Diffgeo: Beispiele: Kugel

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Die Fläche

Geographische Koordinaten auf der Kugel
Geographische Koordinaten auf der Kugel

Parametrisiert wie in Geodätische Koordinatensysteme Geographische Koordinaten geschildert.

Parametrisierung

(xyz)=(Rcos(λ)sin(ϕ)Rsin(λ)sin(ϕ)Rcos(ϕ))
ϕ(0;π)λ[π;π)

(Gaußsche) Tangentenvektoren

Siehe Gaußsches Dreibein

Tangentialraum :

TS2(λ,ϕ)={xλ,xϕ}={(Rsin(λ)sin(ϕ)Rcos(λ)sin(ϕ)0),(Rcos(λ)cos(ϕ)Rsin(λ)cos(ϕ)Rsin(ϕ))}

Flächennormale

NS2(λ,ϕ)=(xλxϕ)|xλxϕ|=(cos(λ)sin(ϕ)sin(λ)sin(ϕ)cos(ϕ))

erste Fundamentalform

erste Fundamentalgrößen

Siehe hier:

g11=xϕ,xϕ=R2sin(ϕ)2
g12=g21=xϕ,xλ=0
g22=xλ,xλ=R2

erster Fundamentaltensor

𝐆=(g11g12g21g22)=(R2sin(ϕ)200R2)

Inverser erster Fundamentaltensor

𝐆1=1g11g22(g12)2(g22g21g12g11)=(g11g12g21g22)=(1R2sin2(ϕ)001R2)


zweite Fundamentalform

zweifache Ableitungen

xλλ=(Rcos(λ)sin(ϕ)Rsin(λ)sin(ϕ)0)
xλϕ=(Rsin(λ)cos(ϕ)Rcos(λ)cos(ϕ)0)=xϕλ
xϕϕ=(Rcos(λ)sin(ϕ)Rsin(λ)sin(ϕ)Rcos(ϕ))

zweite Fundamentalgrößen

Hier nachschauen!

b11=xϕϕ,NS2(λ,ϕ)=Rsin(ϕ)2
b12=b21=xϕλ,NS2(λ,ϕ)=0
b22=xλλ,NS2(λ,ϕ)=R

zweiter Fundamentaltensor

𝐁=(b11b12b21b22)=(Rsin(ϕ)200R)=1R𝐆

Krümmung

Definition

Hauptkrümungen

Bemerkung: Dies ist eine Variante, die jeweiligen Hauptkrümmungen mittels erster und zweiter Fundamentalform zu berechnen. Es führen aber viele Wege nach Rom.

𝐀:=(a11a12a21a22)

so dass:

𝐆𝐀=𝐁𝐀=𝐆𝟏𝐁
𝐀=(1R2sin2(ϕ)001R2)(Rsin(ϕ)200R)=(1R001R)

Daraus lässt sich die Gaußsche und Mittlere Krümmung berechnen:

K=a11a22=1R2
H=a11+a222=1R

Christoffelsymbole

Siehe hier. Mit u1 =λ., u2 = ϕ α=1, β=1, γ=1

Γ111:=12g11(g11u1+g11u1g11u1)+12g12(g12u1+g21u1g11u2)=0

α=2, β=1, γ=1

Γ121:=12g11(g11u2+g12u1g21u1)+12g12(g12u2+g22u1g21u2)=cos(ϕ)sin(ϕ)

α=1, β=2, γ=1

Γ112:=12g21(g11u1+g11u1g11u1)+12g22(g12u1+g21u1g11u2)=sin(ϕ)cos(ϕ)

α=1, β=1, γ=2

Γ211=Γ121

α=2, β=1, γ=2,

Γ122:=12g11(g21u2+g12u2g22u1)+12g12(g22u2+g22u2g22u2)=0

α=1, β=2, γ=2

Γ212=Γ122

α=2, β=2, γ=2

Γ222:=12g21(g21u2+g12u2g22u1)+12g22(g22u2+g22u2g22u2)=0

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