Parametrisoitu pinta¶
Määritelmä 5.4.1
Parametrisoitu pinta \(P \subset \R^3\) on muotoa
jossa \((u,v)\in\Omega \subset \R^2\) ja koordinaattifunktiot \(x,y,z\colon \Omega \to \R\) ovat jatkuvia. Parametriesitys \(\mathbf{r}\colon \Omega\to\R^3\) on säännöllinen, jos se on jatkuvasti derivoituva parametrialueen \(\Omega\) sisällä ja normaalivektori (Käsitteen ”normaalivektori” perustelu myöhemmin määritelmän 1.1 yhteydessä.)
parametrialueen sisällä eli joukossa \(\Omega\setminus \partial \Omega\).
Yleensä parametrialue \(\Omega\) on jatkuvien käyrien rajaama tasojoukko, mutta sen ei tarvitse olla rajoitettu. Pinnan parametrisoinnilta ei vaadita injektiivisyyttä, joten pinta voi myös leikata itseään, aivan kuten parametrisoitu käyrä. Säännöllinen parametrisointi takaa kuitenkin paikallisen injektiivisyyden, eli pinta ”levittäytyy kahteen eri suuntaan”, eikä se voi esimerkiksi surkastua 1-ulotteiseksi käyräksi.
Tässä luvussa käsitellään vain sellaisia pintoja, joiden parametrisointi on derivoituva kaikkialla parametrialueen sisällä. Myöhemmin Gaussin ja Stokesin lauseen yhteydessä luvussa 7 tarvitaan yleisempiä parametrisointeja, jotka eivät täytä tätä ehtoa. Tyypillinen esimerkki on kuution reunapinnan parametrisointi, jossa (nollasta poikkeavaa) normaalivektoria ei ole olemassa kuution särmien kohdalla: ei geometrisesti eikä parametrisoinnin kautta.
Esimerkki 5.4.2
\(R\)-säteinen pallo (sphere) voidaan parametrisoida pallokoordinaatiston kulmien avulla valitsemalla \(u=\varphi\) ja \(v=\theta\). Parametrialue on suorakulmio
ja
Kyseessä on säännöllinen parametrisointi, mutta parametrialueen reunat kuroutuvat yhteen \(\theta\)-suunnassa (lausekkeiden \(\sin\theta\) ja \(\cos \theta\) jaksollisuuden vuoksi) ja kutistuvat yhdeksi pisteeksi \(\varphi\)-suunnassa (”pohjois- ja etelänapa”, koska \(\sin 0 =\sin\pi = 0\)).
Pallon esimerkki osoittaa hyvin sen, ettei parametrisoinneilta voi vaatia injektiivisyyttä parametrialueen reunoilla, koska eräs tärkeimmistä tapauksista ei tätä vaatimusta toteuta.
Esimerkki 5.4.3
Tarkastellaan 3-säteistä sylinteripintaa \(S\), (cylinder) jonka korkeus on 10. Sopivalla koordinaatiston valinnalla sen yhtälö voidaan kirjoittaa muodossa \(x^2+y^2=9\), \(0\le z\le 10\).
Pinnan \(S\) parametrisointi saadaan helposti sylinterikoordinaattien avulla valitsemalla \(r_{\perp}=3\), jolloin
ja parametrialueena on \(\Omega = [0,2\pi]\times [0,10]\). Tässäkin esimerkissä parametrisointi ”liimaa”suorakulmion muotoisen parametrialueen reunat yhteen (lausekkeiden \(\sin\theta\) ja \(\cos \theta\) jaksollisuuden vuoksi).
Esimerkki 5.4.4
a) Ympyrärenkaan säde on \(r\), keskipiste \((0,0,0)\) ja se sisältyy \(xyz\)-avaruuden pystysuoraan \(xz\)-koordinaattitasoon \(y=0\). Muodosta sen parametrisointi käyttämällä parametrina kulmamuuttujaa \(v\in [0,2\pi]\).
b) Miten a-kohdan parametrisointia täytyy muuttaa, jos ympyrän keskipiste onkin \(x\)-akselin pisteessä \((R,0,0)\)?
c) Olkoon \(R>r\). Edellisen kohdan rengas pyörähtää \(z\)-akselin ympäri. Näin muodostuu pinta, jonka nimi on ’torus’.(torus) Johda kiertomatriisin
avulla toruksen parametrisointi \((u,v)\mapsto (x(u,v),y(u,v),z(u,v))\) kiertämällä b-kohdassa parametrisoituja ympyrän pisteitä (= pystyvektori!).
Maple:
> plot3d([x(u,v),y(u,v),z(u,v)], u=0..2*Pi,v=0..2*Pi,
color=green, transparency=0.5, scaling=constrained,
axes=none)
a) ja b) Harjoitukset. c) Pallossa ei ole ”reikiä”, mutta toruksessa on yksi ”reikä”. Umpinaisen pinnan reikien lukumäärä on nimeltään pinnan genus. (genus) Seuraavan linkin videossa näytetään (mainosten jälkeen), miten muodostetaan genus-2-tyyppisen pinnan parametrisointi (Huomaa, että videossa eriväriset reunajanat liimataan yhteen samansuuntaisina, mikä poikkeaa tämän kurssin kolmioidun pinnan määritelmästä (myöhemmin). Video on todennäköisesti tehty numeerista interpolaatiota käyttävän ohjelman avulla, eikä siinä näy parametrisoinnin kaavoja, mutta olennaista on parametrialueen jatkuva muuntuminen eli homotopia. Varsinainen parametrisointi on homotopian ”loppuhetkellä”saatu funktio.): YouTube-g2. Vastaavalla tavalla päästään myös genus-3-pintaan: YouTube-g3. Varsinainen parametrisointi on animaation lopputulosta vastaava funktio.
Monet pinnat voidaan parametrisoida eri tavoilla, mutta seuraava esimerkki osoittaa lähinnä sen, että yleensä vain yksi tapa on helppo ja luonnollinen.
Esimerkki 5.4.5
Tarkastellaan kolmiulotteisen avaruuden tasoa \(T\), jonka yhtälö on \(z=1\), \(x,y\in\R\).
Muodosta tason \(T\) parametrisointi käyttämällä parametrejä \((x,y)\).
Mikä on tason \(T\) yhtälö pallokoordinaattien avulla lausuttuna?
Muodosta tason \(T\) parametrisointi pallokoordinaattikulmien \((\varphi,\theta)\) avulla.
(i) Kyseessä on vakiofunktion 1 kuvapinta, joten parametrisointi on muotoa
(ii) Pallokoordinaatistossa \(z=r\cos\varphi\), joten tasolla \(z=1\) pätee \(r=1/\cos\varphi\). Kun tämä sijoitetaan pallokoordinaatiston kaavoihin, saadaan
joten
Tässä \(0\le \theta\le 2\pi\), mutta kulma \(\varphi\) olisi yksinkertaisempi rajoittaa välille \(-\pi/2< \varphi<\pi/2\), jossa saadaan samat tangenttifunktion arvot.
Pinnan kaarevuus (oheislukemista)
Pinnan kaarevuus tietyssä pisteessä voidaan palauttaa pintaa pitkin kulkevien käyrien kaarevuuksiin. Tarkastellaan säännöllisesti parametrisoidun pinnan pistettä, jossa normaali on \(\mathbf{N}\neq\overline{0}\). Vastaavan normaalisuoran sisältävien tasojen ja pinnan leikkauksina syntyy erilaisia käyriä, jos tasoa kierretään normaalin ympäri. Kun näiden käyrien kaarevuuksista tutkittavassa pisteessä valitaan suurin ja pienin, saadaan pinnan pääkaarevuudet \(\kappa_1\) ja \(\kappa_2\). Ne voivat olla myös erimerkkisiä (satulapinnan tyyppisessä kohdassa, jossa pinta kaareutuu vastakkaisiin suuntiin). Niiden avulla määritellään pinnan keskikaarevuus (mean curvature)
ja Gaussin kaarevuus (Gaussian curvature)
Funktion kuvapinnan \(z=f(x,y)\) Gaussin kaarevuus on muotoa
Jos funktiolla on tutkittavassa pisteessä \((x_0,y_0)\) vaakasuora tangenttitaso (jolloin \(f_x(x_0,y_0)=f_y(x_0,y_0)=0\)), niin sen kuvapinnan Gaussin kaarevuus on sama kuin kaavan (1) osoittajassa oleva Hessen matriisin \(H_f(x_0,y_0)\) determinantti.
Esimerkiksi \(R\)-säteisen pallon pääkaarevuudet ovat molemmat muotoa \(1/R\), joten \(H=1/R\) ja \(K=1/R^2\). Lisätietoja: Keskikaarevuus ja Gaussin kaarevuus.