Diffgeo: Flächentheorie: Christoffelsymbole

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Christoffelsymbole

Die Christoffelsymbole sind weitere Abkürzungen. Sie werden bei der Berechnung der Ableitungen der Beine eingesetzt, was in diesem Buch nicht geschildert ist. Sie spielen außerdem bei der Bestimmung des totalen Differentials von Azimut und Strecke eine Rolle. Dies ist in der Landesvermessung wichtig.

Wie wir bereits wissen, lautet der Krümmungsvektor:

x→″=x→u⋅u″+x→v⋅v″+x→uu⋅u'2+2x→uv⋅u′v′+x→vv⋅v'2

Nun lassen sich aber die Vektoren

x→uu
x→uv
x→vv

ebenfalls in Tangentialanteil und Normalenanteil zerlegen, nämlich:

x→uu=(Γuuu⋅x→u+Γuuv⋅x→v)+n→⋅(n→⋅x→uu)
x→uv=(Γuvu⋅x→u+Γuvv⋅x→v)+n→⋅(n→⋅x→uv)
x→vv=(Γvvu⋅x→u+Γvvv⋅x→v)+n→⋅(n→⋅x→vv)

Die vordere Klammer mit den Christoffelsymbolen ist der Tangentialteil, die hintere Klammer der Normalenanteil bzw. zweite Fundamentalform. Nun setzen wir diese Vektoren in den oberen Ausdruck für den Krümmungsvektor ein und sortieren erneut nach Tangential- und Normalenanteile. Dann erhalten wir für den Krümmungsvektor (in verkürzter Indexschreibweise):

x→(s)″=(u′'l+Γijlu'iv'j)⋅x→l+n→⋅(Liju'iv'j)=κg⋅s→+κn⋅n→

Bei einer Geodäte verschwindet der geodätische (also tangentiale) Anteil:

0=(u′'l+Γijlu'iv'j)

Wegen der Linearität des Skalarprodukts gilt:

x→ij⋅x→q=(Γijlx→l+n→Lij)⋅x→q=Γijlx→l⋅x→q+n→Lij⋅x→q=Γijlx→l⋅x→q+0=Γijlx→l⋅x→q=Γijlglq=Γij|q

Damit erhält man:

∂gαγ∂uδ=∂(x→α⋅x→γ)∂uδ=x→αδ⋅x→γ+x→α⋅x→γδ=Γαδ|γ+Γγδ|α

Über die Vertauschung der Indizes gelangt man schließlich zur nachfolgenden Definition.

Kartenprojektionen/ Vorlage:Definition

Konventionen

  • Eine Fundamentalgröße mit hochgestellten Index stammt aus der Inversen des ersten Fundamentaltensors.
  • u1 und u2 bezeichnen die gaußschen Flächenparameter u und v.

Besonderheiten

Christoffelsymbole mit gemischtem unteren Index sind gleich:

Γ12β=Γ21β

Bei Flächen mit orthogonalen Parameterlinien ist die Fundamentalgröße mit gemischten Index g12=0, wodurch auch der Anteil des Christoffelsymbol für δ≠β zu Null wird.

Ausgeschrieben

Das ganze einmal ausgeschrieben sieht so aus:

α=1, β=1, γ=1

Γ111:=12g11(∂g11∂u1+∂g11∂u1−∂g11∂u1)+12g12(∂g12∂u1+∂g21∂u1−∂g11∂u2)

α=2, β=1, γ=1

Γ121:=12g11(∂g11∂u2+∂g12∂u1−∂g21∂u1)+12g12(∂g12∂u2+∂g22∂u1−∂g21∂u2)

α=1, β=2, γ=1

Γ112:=12g21(∂g11∂u1+∂g11∂u1−∂g11∂u1)+12g22(∂g12∂u1+∂g21∂u1−∂g11∂u2)

α=2, β=2, γ=1

Γ122:=12g21(∂g11∂u2+∂g12∂u1−∂g21∂u1)+12g22(∂g12∂u2+∂g22∂u1−∂g21∂u2)

α=1, β=1, γ=2

Γ211=Γ121

α=2, β=1, γ=2

Γ221:=12g11(∂g21∂u2+∂g12∂u2−∂g22∂u1)+12g12(∂g22∂u2+∂g22∂u2−∂g22∂u2)

α=1, β=2, γ=2

Γ212=Γ122

α=2, β=2, γ=2

Γ222:=12g21(∂g21∂u2+∂g12∂u2−∂g22∂u1)+12g22(∂g22∂u2+∂g22∂u2−∂g22∂u2)

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