Curvatura gaussiana
In geometria differenziale, la curvatura gaussiana è una misura della curvatura di una superficie in un punto.
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La curvatura gaussiana in un punto di una superficie contenuta nello spazio euclideo è definita come il prodotto delle due curvature principali in . La curvatura gaussiana, a differenza delle curvature principali, è una curvatura intrinseca: dipende cioè soltanto dalle distanze fra punti all'interno della superficie, e non da come questa sia contenuta nello spazio tridimensionale. Questo fatto importante è asserito dal teorema egregium di Gauss.
Un altro tipo di curvatura calcolato a partire dalle curvature principali è la curvatura media. A differenza della curvatura di Gauss, la curvatura media non è intrinseca.
Definizione
modificaHessiano
modificaUna semplice definizione della curvatura gaussiana di una superficie è la seguente. La curvatura gaussiana non cambia se la superficie viene spostata con movimenti rigidi. Per definire la curvatura gaussiana di una superficie in un punto , possiamo quindi ruotare in modo che il piano tangente in sia orizzontale. A questo punto la superficie è descritta (almeno localmente, in un intorno di ) come grafico di una funzione
avente come dominio un aperto di . La curvatura gaussiana in è il determinante dell'hessiano di in . Perché questa definizione abbia senso, la funzione deve essere differenziabile almeno due volte: l'hessiano è infatti la matrice simmetrica data dalle derivate parziali seconde di .
Curvature principali
modificaLa curvatura gaussiana di una superficie più generale in un punto è il prodotto delle curvature principali. Per definire le curvature principali è necessario fissare una normale alla superficie in : poiché la normale opposta dà curvature con segni opposti, il loro prodotto è però ben definito anche senza questa scelta.
Esempi
modificaCurvatura costante
modificaUn piano o un cilindro hanno curvatura gaussiana ovunque nulla. Una sfera di raggio ha curvatura gaussiana ovunque .
Esempio puntuale
modificaLa funzione
ha gradiente . Il gradiente è nullo nell'origine, e quindi la curvatura gaussiana del grafico di in è il determinante dell'hessiano. L'hessiano è
ed il suo determinante è . La curvatura di in è quindi . Questa è ad esempio negativa in presenza di un punto di sella, ove e hanno segni discordi.
Questo metodo per calcolare la curvatura è però funzionante solo in , dove il gradiente si annulla.
Curvatura totale
modificaLa curvatura totale di una regione della superficie è l'integrale di superficie
della curvatura gaussiana su . La curvatura totale misura quanto si differenzia globalmente la geometria di da quella di una regione piatta sul piano: ad esempio, la curvatura totale di un triangolo geodetico è pari alla differenza fra la somma dei suoi angoli interni (in radianti) e . In altre parole,
dove e sono gli angoli interni.
La somma degli angoli di un triangolo su una superficie di curvatura ovunque positiva è maggiore di , mentre è minore se la superficie ha curvatura ovunque negativa.
Proprietà
modificaTeorema egregium
modificaPer il teorema egregium dimostrato da Gauss nel 1828, la curvatura gaussiana dipende solo dalla sua prima forma fondamentale, cioè dal suo tensore metrico.
La curvatura gaussiana è quindi invariante per isometrie della superficie: si tratta cioè di una proprietà intrinseca della superficie. Una isometria non è necessariamente un movimento rigido dello spazio: un esempio è fornito da un foglio di carta, che può essere arrotolato fino a formare un cilindro. Piano e cilindro sono (almeno localmente) isometrici.
Gauss-Bonnet
modificaIl teorema di Gauss-Bonnet fornisce una stretta connessione fra la curvatura totale di una superficie e la sua topologia. Se è una superficie compatta, il teorema asserisce che
cioè la curvatura totale della superficie è pari alla sua caratteristica di Eulero, moltiplicata per .
Ad esempio, una sfera di raggio ha caratteristica 2, e la sua curvatura totale è sempre , indipendentemente da . Infatti, è pari al prodotto fra l'area e la curvatura, che è costantemente pari a , poiché entrambe le curvature principali sono . Più sorprendentemente, la curvatura totale di una qualsiasi superficie omeomorfa alla sfera (ad esempio, il bordo di un ellissoide) è sempre .
Un toro ha caratteristica di Eulero nulla. Ne segue che la sua curvatura totale è nulla: o questa è ovunque nulla (cosa però impossibile per un toro contenuto nello spazio tridimensionale), oppure presenta zone di curvatura positiva e zone di curvatura negativa.
Bibliografia
modifica- (EN) Manfredo do Carmo, Differential Geometry of Curves and Surfaces, 1976, ISBN 0-13-212589-7.
Voci correlate
modificaAltri progetti
modifica- Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su curvatura gaussiana
Collegamenti esterni
modifica- (EN) Gaussian curvature, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) Eric W. Weisstein, Curvatura gaussiana, su MathWorld, Wolfram Research.