Kurs:Differentialgeometrie (Osnabrück 2023)/Arbeitsblatt 19/latex

\setcounter{section}{19}






\zwischenueberschrift{Übungsaufgaben}




\inputaufgabe
{}
{

Zeige, dass die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} \definitionsverweis {symmetrisch}{}{} ist.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbeledisp {\psi} {\R^2} {\R } {(x,y)} { x^2-xy-y^3 } {,} und sei $Y$ der \definitionsverweis {Graph}{}{} zu $\psi$ mit dem nach oben gerichteten \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} und \maabbdisp {\varphi = \operatorname{Id} \times \psi} {\R^2} {Y } {} die Parametrisierung des Graphen. Bestimme die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} zu $\varphi$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei \maabbeledisp {\psi} {\R^2} {\R } {(x,y)} { e^{xy} -x^2y^3 \sin \left( x-y^2 \right) } {,} und sei $Y$ der \definitionsverweis {Graph}{}{} zu $\psi$ mit dem nach oben gerichteten \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} und \maabbdisp {\varphi = \operatorname{Id} \times \psi} {\R^2} {Y } {} die Parametrisierung des Graphen. Bestimme die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} zu $\varphi$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die Einheitskugeloberfläche mit dem nach außen zeigenden \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} und der Parametrisierung \maabbeledisp {\varphi} {[0, 2 \pi] \times [-1,1]} {\R^3 } {(u,v)} {\left( \sqrt{1-v^2} \cos u , \, \sqrt{1-v^2} \sin u , \, v \right) } {,} siehe Beispiel 17.6. Bestimme die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} zu $\varphi$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Wir betrachten die Einheitskugeloberfläche mit dem nach außen zeigenden \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} und der Parametrisierung \maabbeledisp {\varphi} {[0, 2 \pi] \times \R} {\R^3 } {(u,v)} { { \frac{ 1 }{ \sqrt{1+v^2} } } ( \cos u , \sin u , v ) } {,} siehe Beispiel 17.7. Bestimme die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} zu $\varphi$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Weingartenabbildung}{}{} bezüglich der Basis $\partial_1 \varphi, \partial_2 \varphi$ für die verschiedenen Parametrisierungen $\varphi$ der Einheitskugel aus Beispiel 17.6, Beispiel 17.7 und Beispiel 17.8.

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Bestimme die \definitionsverweis {Gaußkrümmung}{}{} der Einheitskugel mit Hilfe der verschiedenen Parametrisierungen $\varphi$ aus Beispiel 17.6, Beispiel 17.7 und Beispiel 17.8 unter Verwendung von Lemma 19.3  (4).

}
{} {}




\inputaufgabe
{}
{

Es sei $Y$ eine \definitionsverweis {Kurve}{}{} im $\R^2$. Bringe die \definitionsverweis {Krümmung}{}{} mit der \definitionsverweis {zweiten Fundamentalmatrix}{}{} in Verbindung.

}
{} {}






\inputaufgabe
{}
{

Es sei
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ Y }
{ \subseteq }{ \R^3 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{} eine \definitionsverweis {orientierte Fläche}{}{} und sei \maabbdisp {\varphi} {V} {Y } {,}
\mavergleichskette
{\vergleichskette
{ V }
{ \subseteq }{ \R^2 }
{ }{ }
{ }{ }
{ }{ }
} {}{}{,} eine zweifach differenzierbare lokale Parametrisierung von $Y$ mit den Parametern $u,v$. Es sei
\mathl{{ \left( g_{ij} \right) }}{} die \definitionsverweis {erste Fundamentalmatrix}{}{} auf $V$. Zeige, dass die \definitionsverweis {Gaußsche Krümmung}{}{} die Beziehung
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ K }
{ =} { { \frac{ 1 }{ { \left( g_{11} g_{22} -g_{12}^2 \right) }^2 } } { \left( \det \begin{pmatrix} - { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_2^2 g_{11} + \partial_1 \partial_2 g_{12} - { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_1^2 g_{22} & { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_1 g_{11} & \partial_1 g_{12} - { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_2 g_{11} \\ \partial_2 g_{12} -{ \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_1 g_{22} & g_{11} & g_{12} \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_2 g_{22} & g_{12} & g_{22} \end{pmatrix} - \det \begin{pmatrix} 0 & { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_2 g_{11} & { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_1 g_{22} \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_2 g_{11} & g_{11} & g_{12} \\ { \frac{ 1 }{ 2 } } \partial_1 g_{22} & g_{12} & g_{22} \end{pmatrix} \right) } }
{ } { }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{} gilt.

}
{} {}






\zwischenueberschrift{Aufgaben zum Abgeben}




\inputaufgabe
{3}
{

Es sei \maabbeledisp {\psi} {\R^2} {\R } {(x,y)} { x^3-2x^2y-7xy^3+x^2y^2+5y^4 } {,} und sei $Y$ der \definitionsverweis {Graph}{}{} zu $\psi$ mit dem nach oben gerichteten \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} und \maabbdisp {\varphi = \operatorname{Id} \times \psi} {\R^2} {Y } {} die Parametrisierung des Graphen. Bestimme die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} zu $\varphi$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{4}
{

Wir betrachten die Einheitskugeloberfläche mit dem nach außen zeigenden \definitionsverweis {Einheitsnormalenfeld}{}{} und der Parametrisierung \maabbeledisp {\varphi} {{]{- { \frac{ \pi }{ 2 } }}, { \frac{ \pi }{ 2 } } [} \times {]{-\pi}, \pi[} } {\R^3 } {(u,v)} {(\cos u \cos v , \cos u \sin v , \sin u ) } {,} siehe Beispiel 17.8. Bestimme die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} zu $\varphi$.

}
{} {}




\inputaufgabe
{5 (2+1+1+1)}
{

Es sei \maabb {\gamma} {]a,b[} { \R^2 } {} eine \definitionsverweis {differenzierbare}{}{} \definitionsverweis {bogenparametrisierte}{}{} injektive Kurve mit der Bildkurve
\mavergleichskettedisp
{\vergleichskette
{ C }
{ \subseteq} { V }
{ \subseteq} { \R^2 }
{ } { }
{ } { }
} {}{}{,} die in der offenen Teilmenge $V$ abgeschlossen sei. Wir betrachten den Zylinder über diesen Kurven, also die Abbildung \maabbdisp {\varphi = \gamma \times \operatorname{Id}_{ \R }} {]a,b[ \times \R } { C \times \R } {.} \aufzaehlungvier{Berechne die \definitionsverweis {erste}{}{} und die \definitionsverweis {zweite Fundamentalmatrix}{}{} von $\varphi$, }{Berechne die \definitionsverweis {Weingartenabbildung}{}{} bezüglich der Basis $\partial_1 \varphi, \partial_2 \varphi$. }{Berechne die \definitionsverweis {Hauptkrümmungen}{}{} von $C \times \R$. }{Berechne die \definitionsverweis {Gaußkrümmung}{}{} von $C \times \R$. }

}
{} {}