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Die Fläche
Geographische Koordinaten auf der Kugel
Parametrisiert wie in Geodätische Koordinatensysteme Geographische Koordinaten geschildert.
Parametrisierung
( x y z ) = ( R ⋅ c o s ( λ ) ⋅ s i n ( ϕ ) R ⋅ s i n ( λ ) ⋅ s i n ( ϕ ) R ⋅ c o s ( ϕ ) )
ϕ ∈ ( 0 ; π ) λ ∈ [ − π ; π )
(Gaußsche) Tangentenvektoren
Siehe Gaußsches Dreibein
Tangentialraum :
T S 2 ( λ , ϕ ) = { x → λ , x → ϕ } = { ( − R ⋅ sin ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) R ⋅ cos ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) 0 ) , ( R ⋅ cos ( λ ) ⋅ cos ( ϕ ) R ⋅ sin ( λ ) ⋅ cos ( ϕ ) − R ⋅ sin ( ϕ ) ) }
Flächennormale
N S 2 ( λ , ϕ ) = ( x → λ ∧ x → ϕ ) | x → λ ∧ x → ϕ | = ( − c o s ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) − s i n ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) − c o s ( ϕ ) )
erste Fundamentalgrößen
Siehe hier :
g 1 1 = ⟨ x → ϕ , x → ϕ ⟩ = R 2 sin ( ϕ ) 2
g 1 2 = g 2 1 = ⟨ x → ϕ , x → λ ⟩ = 0
g 2 2 = ⟨ x → λ , x → λ ⟩ = R 2
erster Fundamentaltensor
𝐆 = ( g 1 1 g 1 2 g 2 1 g 2 2 ) = ( R 2 sin ( ϕ ) 2 0 0 R 2 )
Inverser erster Fundamentaltensor
𝐆 − 1 = 1 g 1 1 g 2 2 − ( g 1 2 ) 2 ( g 2 2 − g 2 1 − g 1 2 g 1 1 ) = ( g 1 1 g 1 2 g 2 1 g 2 2 ) = ( 1 R 2 ⋅ sin 2 ( ϕ ) 0 0 1 R 2 )
zweifache Ableitungen
x → λ λ = ( − R ⋅ cos ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) − R ⋅ sin ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) 0 )
x → λ ϕ = ( − R ⋅ sin ( λ ) ⋅ cos ( ϕ ) R ⋅ cos ( λ ) ⋅ cos ( ϕ ) 0 ) = x → ϕ λ
x → ϕ ϕ = ( − R ⋅ cos ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) − R ⋅ sin ( λ ) ⋅ sin ( ϕ ) − R ⋅ cos ( ϕ ) )
zweite Fundamentalgrößen
Hier nachschauen!
b 1 1 = ⟨ x → ϕ ϕ , N S 2 ( λ , ϕ ) ⟩ = − R ⋅ sin ( ϕ ) 2
b 1 2 = b 2 1 = ⟨ x → ϕ λ , N S 2 ( λ , ϕ ) ⟩ = 0
b 2 2 = ⟨ x → λ λ , N S 2 ( λ , ϕ ) ⟩ = − R
zweiter Fundamentaltensor
𝐁 = ( b 1 1 b 1 2 b 2 1 b 2 2 ) = ( − R ⋅ sin ( ϕ ) 2 0 0 − R ) = − 1 R ⋅ 𝐆
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 : = ( a 1 1 a 1 2 a 2 1 a 2 2 )
so dass:
− 𝐆 ⋅ 𝐀 = 𝐁 ⇔ 𝐀 = − 𝐆 − 𝟏 ⋅ 𝐁
⇒ 𝐀 = − ( 1 R 2 ⋅ sin 2 ( ϕ ) 0 0 1 R 2 ) ⋅ ( − R ⋅ sin ( ϕ ) 2 0 0 − R ) = ( 1 R 0 0 1 R )
Daraus lässt sich die Gaußsche und Mittlere Krümmung berechnen:
K = a 1 1 ⋅ a 2 2 = 1 R 2
H = a 1 1 + a 2 2 2 = 1 R
Christoffelsymbole
Siehe hier . Mit u1 =λ . , u2 = ϕ
α = 1 ,
β = 1 ,
γ = 1
Γ 1 1 1 : = 1 2 g 1 1 ( ∂ g 1 1 ∂ u 1 + ∂ g 1 1 ∂ u 1 − ∂ g 1 1 ∂ u 1 ) + 1 2 g 1 2 ( ∂ g 1 2 ∂ u 1 + ∂ g 2 1 ∂ u 1 − ∂ g 1 1 ∂ u 2 ) = 0
α = 2 ,
β = 1 ,
γ = 1
Γ 1 2 1 : = 1 2 g 1 1 ( ∂ g 1 1 ∂ u 2 + ∂ g 1 2 ∂ u 1 − ∂ g 2 1 ∂ u 1 ) + 1 2 g 1 2 ( ∂ g 1 2 ∂ u 2 + ∂ g 2 2 ∂ u 1 − ∂ g 2 1 ∂ u 2 ) = cos ( ϕ ) sin ( ϕ )
α = 1 ,
β = 2 ,
γ = 1
Γ 1 1 2 : = 1 2 g 2 1 ( ∂ g 1 1 ∂ u 1 + ∂ g 1 1 ∂ u 1 − ∂ g 1 1 ∂ u 1 ) + 1 2 g 2 2 ( ∂ g 1 2 ∂ u 1 + ∂ g 2 1 ∂ u 1 − ∂ g 1 1 ∂ u 2 ) = − sin ( ϕ ) ⋅ cos ( ϕ )
α = 1 ,
β = 1 ,
γ = 2
Γ 2 1 1 = Γ 1 2 1
α = 2 ,
β = 1 ,
γ = 2 ,
Γ 1 2 2 : = 1 2 g 1 1 ( ∂ g 2 1 ∂ u 2 + ∂ g 1 2 ∂ u 2 − ∂ g 2 2 ∂ u 1 ) + 1 2 g 1 2 ( ∂ g 2 2 ∂ u 2 + ∂ g 2 2 ∂ u 2 − ∂ g 2 2 ∂ u 2 ) = 0
α = 1 ,
β = 2 ,
γ = 2
Γ 2 1 2 = Γ 1 2 2
α = 2 ,
β = 2 ,
γ = 2
Γ 2 2 2 : = 1 2 g 2 1 ( ∂ g 2 1 ∂ u 2 + ∂ g 1 2 ∂ u 2 − ∂ g 2 2 ∂ u 1 ) + 1 2 g 2 2 ( ∂ g 2 2 ∂ u 2 + ∂ g 2 2 ∂ u 2 − ∂ g 2 2 ∂ u 2 ) = 0
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