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曲線・曲面のパラメータ表示md d68a053
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曲線きょくせん曲面きょくめんのパラメータ表示ひょうじ

date2026-07-15document_iddoc_d1778feb062a3b745cc75ee5f576b970description正則曲線と正則曲面パッチ、再パラメータ化、向き、弧長、面積要素を体系的に導入する講義である。prerequisites多変数関数と偏微分 / 接平面・連鎖律・Jacobian / 多重積分と変数変換type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/multivariable-calculus/tangent-planes-chain-rule-and-jacobian.lecture.n.md / data/lecture/math/multivariable-calculus/multiple-integrals-and-change-of-variables.lecture.n.md / data/lecture/math/vector-calculus/line-integrals-and-conservative-fields.lecture.n.md / data/lecture/math/vector-calculus/surface-integrals-and-flux.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、曲線きょくせん曲面きょくめん媒介変数ばいかいへんすうによって記述きじゅつし、接方向せつほうこうき、弧長こちょう面積要素めんせきようそ定義ていぎする。これらは後続こうぞく線積分せんせきぶん面積分めんせきぶんで、幾何学的対象きかがくてきたいしょう一変数いちへんすうまたは二変数にへんすう積分せきぶん変換へんかんするための基礎きそである。

おな曲線きょくせんまたは曲面きょくめん複数ふくすうのパラメータ表示ひょうじつ。したがって、表示式ひょうじしきだけでなく、どの幾何学的量きかがくてきりょうさいパラメータ不変ふへんであり、どのりょうきに依存いぞんするかを区別くべつする必要ひつようがある。

2正則曲線せいそくきょくせん

I=[a,b] とし、

r:IRn,r(t)=(r1(t),,rn(t))

C1 きゅう写像しゃぞうとする。C1 きゅうとは、各成分かくせいぶん連続微分可能れんぞくびぶんかのうであることを意味いみする。r(I) をパラメータ表示ひょうじされた曲線きょくせんぶ。

r(t)0 がすべての tI成立せいりつするとき、r正則せいそくなパラメータ表示ひょうじという。導関数どうかんすう

r(t)=(r1(t),,rn(t))

曲線きょくせんせつベクトルである。正則性せいそくせいは、パラメータの進行しんこう内部ないぶ停止ていしせず、接方向せつほうこうさだまることを保証ほしょうする。

2.1具体例ぐたいれい 1:単位円たんいえん

r(t)=(cost,sint),0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2π

とすると、

r(t)=(-sint,cost),r(t)=1

である。したがって、この表示ひょうじ正則せいそくであり、t増加方向ぞうかほうこう単位円たんいえん反時計回はんとけいまわりのきをさだめる。端点たんてん t=0t=2πおなてんあらわすが、内部ないぶではおなてん重複ちょうふくして通過つうかしない。

3さいパラメータ

ψ:[α,β][a,b]C1 きゅう全単射ぜんたんしゃとし、ψ(s)0 とする。このとき、

ρ(s)=r(ψ(s))

おな曲線像きょくせんぞうあらわさいパラメータである。連鎖律れんさりつにより、

ρ(s)=r(ψ(s))ψ(s)

となる。ψ(s)>0 ならきを保存ほぞんし、ψ(s)<0 ならきを反転はんてんする。

パラメータのはやさを変更へんこうしても曲線像きょくせんぞう弧長こちょう変化へんかしない。一方いっぽう後続講義こうぞくこうぎ定義ていぎする仕事線積分しごとせんせきぶんは、きを反転はんてんすると符号ふごう反転はんてんする。したがって、「おな点集合てんしゅうごう」と「おな曲線きょくせん」はことなる概念がいねんである。

4弧長こちょう

C1 曲線きょくせん r:[a,b]Rn弧長こちょう

L(r)=abr(t)dt

定義ていぎする。r(t) はパラメータ tたいするはやさである。きを保存ほぞんするさいパラメータでは、一変数いちへんすう変数変換公式へんすうへんかんこうしきにより弧長こちょう不変ふへんである。きを反転はんてんする場合ばあい絶対値ぜったいちによっておな弧長こちょうる。

単位円たんいえんれいでは r(t)=1 であるため、

L=02π1dt=2π

となる。

区分的くぶんてき C1 曲線きょくせんとは、パラメータ区間くかん有限個ゆうげんこ小区間しょうくかん分割ぶんかつしたとき、各小区間かくしょうくかんC1 きゅうとなる連続曲線れんぞくきょくせんである。その弧長こちょう各曲線片かくきょくせんへん弧長こちょう総和そうわとして定義ていぎする。後続こうぞく線積分せんせきぶん各曲線片かくきょくせんへん定義ていぎして総和そうわする。

5正則曲面せいそくきょくめんパッチ

5.1外積がいせき

a=(a1,a2,a3)b=(b1,b2,b3)外積がいせき

a×b=(a2b3-a3b2,a3b1-a1b3,a1b2-a2b1)

定義ていぎする。このベクトルは ab両方りょうほう垂直すいちょくであり、そのノルム a×bふたつのベクトルが平行四辺形へいこうしへんけい面積めんせきである。また、a×b=0 であることと、a,b一次従属いちじじゅうぞくであることは同値どうちである。外積がいせき各変数かくへんすうについて線型せんけいであり、この性質せいしつ双線型性そうせんけいせいという。さらに、b×a=-a×b という反交換則はんこうかんそく成分公式せいぶんこうしきから成立せいりつする。

DR2有界Jordan領域ゆうかいジョルダンりょういきとし、

r:DR3,r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))

D_近傍きんぼうC1 きゅうとする。偏導関数へんどうかんすう

ru=ru,rv=rv

は、u 方向ほうこうv 方向ほうこうせつベクトルである。

D内部ないぶ

ru×rv0

成立せいりつし、r内部ないぶ一対一いったいいちであるとき、そのぞう正則曲面せいそくきょくめんパッチという。外積がいせきが0でない条件じょうけんふたつのせつベクトルが一次独立いちじどくりつであることと同値どうちであり、接平面せつへいめん

r(u0,v0)+sru(u0,v0)+trv(u0,v0)

さだめる。

内部ないぶ一対一性いったいいちせいは、おな曲面部分きょくめんぶぶん重複ちょうふくしてかぞえることを防止ぼうしする。有界Jordan領域ゆうかいジョルダンりょういき境界きょうかい面積めんせき0であるため、境界上きょうかいじょうだけの重複ちょうふく面積めんせきへの寄与きよたない。内部ないぶ多重被覆たじゅうひふくすると、積分せきぶんでも重複度ちょうふくどおうじてかぞえられる。

6面積要素めんせきようそ

パラメータ平面へいめん微小長方形びしょうちょうほうけいは、一次近似いちじきんじによってへん rudurvdv平行四辺形へいこうしへんけいうつされる。その面積めんせき

ru×rvdudv

である。したがって、曲面きょくめん面積要素めんせきようそ

dS=ru×rvdudv

定義ていぎする。外積がいせきそのものは接平面せつへいめん垂直すいちょくであり、そのおおきさが局所的きょくしょてき面積倍率めんせきばいりつあらわす。

6.1具体例ぐたいれい 2:グラフ曲面きょくめん

fC1 きゅうとし、z=f(x,y)

r(x,y)=(x,y,f(x,y))

表示ひょうじすると、

rx=(1,0,fx),ry=(0,1,fy)

であり、

rx×ry=(-fx,-fy,1)

となる。したがって、

dS=1+fx2+fy2dxdy

である。平面へいめん z=0 では fx=fy=0 であるため、dS=dxdy一致いっちする。

7曲面きょくめんきとさいパラメータ

ru×rv曲面きょくめん法線方向ほうせんほうこうひと選択せんたくする。uv交換こうかんすると外積がいせき符号ふごう反転はんてんし、反対はんたいきをさだめる。曲面全体きょくめんぜんたい連続れんぞく法線方向ほうせんほうこう選択せんたくできる場合ばあい、その曲面きょくめん可能かのうであるという。

E,DR2 をパラメータ領域りょういきとし、φ:EDC1 きゅう微分同相写像びぶんどうそうしゃぞうとする。さいパラメータρ=rφ定義ていぎすると、連鎖律れんさりつ外積がいせき双線型性そうせんけいせいにより

ρs×ρt=detDφ(ru×rv)φ

成立せいりつする。detDφ>0 ならきを保存ほぞんし、detDφ<0 ならきを反転はんてんする。面積要素めんせきようそ絶対値ぜったいち使用しようするためきに依存いぞんしないが、流束りゅうそく法線方向ほうせんほうこう使用しようするためきの反転はんてん符号ふごう反転はんてんする。

8計算手順けいさんてじゅん

  1. パラメータ領域りょういき曲線きょくせんまたは曲面きょくめんぞう明示めいじする。
  2. 曲線きょくせんでは r0曲面きょくめんでは ru×rv0確認かくにんする。
  3. 内部ないぶ不要ふよう多重被覆たじゅうひふくがないことを確認かくにんする。
  4. きが必要ひつよう場合ばあいは、パラメータの進行方向しんこうほうこうまたは法線方向ほうせんほうこう明示めいじする。
  5. 弧長こちょうには r面積めんせきには ru×rv使用しようする。

9注意ちゅうい

  • せつベクトルが0になるてんでは、正則曲線せいそくきょくせんとして接方向せつほうこう定義ていぎできない。
  • 曲面きょくめんふたつのせつベクトルが平行へいこうになるてんでは、正則曲面せいそくきょくめんパッチの条件じょうけん成立せいりつしない。
  • おな曲線像きょくせんぞうでも、きが反対はんたいなら曲線きょくせんとしてはことなる。
  • 曲面表示きょくめんひょうじ内部ないぶ多重被覆たじゅうひふくしている場合ばあい面積分めんせきぶん重複部分ちょうふくぶぶん複数回ふくすうかいかぞえる。

10関連講義かんれんこうぎ

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Parametrized Curves and Surfaces

data/lecture/math/multivariable-calculus/tangent-planes-chain-rule-and-jacobian.lecture.n.md data/lecture/math/multivariable-calculus/multiple-integrals-and-change-of-variables.lecture.n.md

1Introduction

This lecture uses parameters to describe curves and surfaces and defines tangent directions, orientation, arc length, and surface area elements. In the subsequent lectures on line and surface integrals, these constructions convert geometric objects into one- or two-variable integrals.

The same curve or surface can have several parameterizations. We must therefore distinguish the geometric quantities that are invariant under reparameterization from those that depend on orientation.

2Regular Curves

Let I=[a,b] and let

r:IRn,r(t)=(r1(t),,rn(t))

be of class C1, meaning that each component is continuously differentiable. The image r(I) is a parametrized curve.

If r(t)0 for every tI, then r is a regular parameterization. The derivative

r(t)=(r1(t),,rn(t))

is a tangent vector to the curve. Regularity ensures that the motion does not stop in the interior of the parameter interval and that a tangent direction is defined.

2.1Example 1: The Unit Circle

Let

r(t)=(cost,sint),0[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]t[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]2π.

Then

r(t)=(-sint,cost),r(t)=1.

Thus the parameterization is regular, and increasing t gives the counterclockwise orientation of the unit circle. The endpoints t=0 and t=2π represent the same point, but no point is repeated in the interior.

3Reparameterization and Orientation

Let ψ:[α,β][a,b] be a C1 bijection with ψ(s)0. Then

ρ(s)=r(ψ(s))

is a reparameterization with the same curve image. By the chain rule,

ρ(s)=r(ψ(s))ψ(s).

It preserves orientation when ψ(s)>0 and reverses orientation when ψ(s)<0.

Changing the speed of a parameter does not change the curve image or its arc length. In contrast, the work line integral defined in the next lecture changes sign when orientation is reversed. Thus, the same point set and the same oriented curve are different concepts.

4Arc Length

The arc length of a C1 curve r:[a,b]Rn is

L(r)=abr(t)dt.

The quantity r(t) is the speed with respect to t. Under an orientation-preserving reparameterization, the one-variable change-of-variables formula shows that arc length is invariant. An orientation-reversing reparameterization gives the same length because of the absolute value.

For the unit circle, r(t)=1, so

L=02π1dt=2π.

A piecewise C1 curve is a continuous curve for which the parameter interval can be divided into finitely many subintervals on each of which the curve is of class C1. Its arc length is the sum of the lengths of these curve segments. The line integrals in the next lecture are likewise defined on each segment and then summed.

5Regular Surface Patches

5.1The Cross Product

For a=(a1,a2,a3) and b=(b1,b2,b3), define

a×b=(a2b3-a3b2,a3b1-a1b3,a1b2-a2b1).

This vector is perpendicular to both a and b, and its norm a×b is the area of the parallelogram spanned by them. Moreover, a×b=0 if and only if a and b are linearly dependent. The cross product is linear in each variable; this property is called bilinearity. The component formula also gives the anticommutative law b×a=-a×b.

Let DR2 be a bounded Jordan region, and let

r:DR3,r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))

be of class C1 on a neighborhood of D_. The partial derivatives

ru=ru,rv=rv

are tangent vectors in the u- and v-directions.

If

ru×rv0

throughout the interior of D and r is one-to-one there, then its image is a regular surface patch. The nonzero cross-product condition is equivalent to linear independence of the tangent vectors and determines the tangent plane

r(u0,v0)+sru(u0,v0)+trv(u0,v0).

Interior injectivity prevents the same portion of a surface from being counted repeatedly. Because the boundary of a bounded Jordan region has area zero, overlap confined to the boundary contributes no area. An interior multiple covering is counted according to its multiplicity in an integral.

6The Surface Area Element

Under the linear approximation, a small rectangle in the parameter plane maps to a parallelogram with edges rudu and rvdv. Its area is

ru×rvdudv.

Therefore the surface area element is

dS=ru×rvdudv.

The cross product itself is normal to the tangent plane, and its magnitude is the local area-scaling factor.

6.1Example 2: A Graph Surface

Let f be of class C1 and parameterize z=f(x,y) by

r(x,y)=(x,y,f(x,y)).

Then

rx=(1,0,fx),ry=(0,1,fy),

and

rx×ry=(-fx,-fy,1).

Hence

dS=1+fx2+fy2dxdy.

For the plane z=0, both partial derivatives vanish, so this reduces to dS=dxdy.

7Surface Orientation and Reparameterization

The vector ru×rv selects one normal direction. Interchanging u and v reverses the sign of the cross product and selects the opposite orientation. A surface is orientable if a continuous normal direction can be selected over the entire surface.

Let E,DR2 be parameter domains and let φ:ED be a C1 diffeomorphism. Define the reparameterization ρ=rφ. The chain rule and bilinearity of the cross product give

ρs×ρt=detDφ(ru×rv)φ.

Thus detDφ>0 preserves orientation, whereas detDφ<0 reverses it. The surface area element uses an absolute value and is independent of orientation, but flux uses a normal direction and changes sign when orientation is reversed.

8Computational Procedure

  1. State the parameter domain and the image of the curve or surface.
  2. Check r0 for a curve or ru×rv0 for a surface.
  3. Check that there is no unintended multiple covering in the interior.
  4. When orientation is relevant, state the direction of increasing parameter or the selected normal direction.
  5. Use r for arc length and ru×rv for surface area.

9Cautions

  • At a point where the tangent vector vanishes, a tangent direction is not defined by a regular curve parameterization.
  • At a point where the two surface tangent vectors are parallel, the regular surface-patch condition fails.
  • Two parameterizations with the same curve image but opposite orientations define different oriented curves.
  • If a surface parameterization covers an interior portion more than once, a surface integral counts that portion with multiplicity.

10Related Lectures

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