曲線・曲面のパラメータ表示
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1導入
この講義では、曲線と曲面を媒介変数によって記述し、接方向、向き、弧長、面積要素を定義する。これらは後続の線積分と面積分で、幾何学的対象を一変数または二変数の積分へ変換するための基礎である。
同じ曲線または曲面は複数のパラメータ表示を持つ。したがって、表示式だけでなく、どの幾何学的量が再パラメータ化で不変であり、どの量が向きに依存するかを区別する必要がある。
2正則曲線
I=[a,b] とし、
\boldsymbol r:I\to\mathbb R^n,
\qquad
\boldsymbol r(t)=(r_1(t),\ldots,r_n(t))
を C^1 級の写像とする。C^1 級とは、各成分が連続微分可能であることを意味する。\boldsymbol r(I) をパラメータ表示された曲線と呼ぶ。
\boldsymbol r'(t)\ne\boldsymbol0 がすべての t\in I で成立するとき、\boldsymbol r を正則なパラメータ表示という。導関数
\boldsymbol r'(t)=(r_1'(t),\ldots,r_n'(t))
は曲線の接ベクトルである。正則性は、パラメータの進行が内部で停止せず、接方向が定まることを保証する。
2.1具体例 1:単位円
\boldsymbol r(t)=(\cos t,\sin t),
\qquad 0\le t\le2\pi
とすると、
\boldsymbol r'(t)=(-\sin t,\cos t),
\qquad \|\boldsymbol r'(t)\|=1
である。したがって、この表示は正則であり、t の増加方向が単位円の反時計回りの向きを定める。端点 t=0 と t=2\pi は同じ点を表すが、内部では同じ点を重複して通過しない。
3再パラメータ化と向き
\psi:[\alpha,\beta]\to[a,b] を C^1 級の全単射とし、\psi'(s)\ne0 とする。このとき、
\boldsymbol\rho(s)=\boldsymbol r(\psi(s))
は同じ曲線像を表す再パラメータ化である。連鎖律により、
\boldsymbol\rho'(s)=\boldsymbol r'(\psi(s))\psi'(s)
となる。\psi'(s)>0 なら向きを保存し、\psi'(s)<0 なら向きを反転する。
パラメータの速さを変更しても曲線像と弧長は変化しない。一方、後続講義で定義する仕事線積分は、向きを反転すると符号が反転する。したがって、「同じ点集合」と「同じ向き付き曲線」は異なる概念である。
4弧長
C^1 曲線 \boldsymbol r:[a,b]\to\mathbb R^n の弧長を
L(\boldsymbol r)=\int_a^b\|\boldsymbol r'(t)\|\,dt
と定義する。\|\boldsymbol r'(t)\| はパラメータ t に対する速さである。向きを保存する再パラメータ化では、一変数の変数変換公式により弧長は不変である。向きを反転する場合も絶対値によって同じ弧長を得る。
単位円の例では \|\boldsymbol r'(t)\|=1 であるため、
L=\int_0^{2\pi}1\,dt=2\pi
となる。
区分的 C^1 曲線とは、パラメータ区間を有限個の小区間へ分割したとき、各小区間で C^1 級となる連続曲線である。その弧長は各曲線片の弧長の総和として定義する。後続の線積分も各曲線片で定義して総和する。
5正則曲面パッチ
5.1外積
\boldsymbol a=(a_1,a_2,a_3)、\boldsymbol b=(b_1,b_2,b_3) の外積を
\boldsymbol a\times\boldsymbol b
=\bigl(a_2b_3-a_3b_2,\ a_3b_1-a_1b_3,\ a_1b_2-a_2b_1\bigr)
と定義する。このベクトルは \boldsymbol a と \boldsymbol b の両方に垂直であり、そのノルム \|\boldsymbol a\times\boldsymbol b\| は二つのベクトルが張る平行四辺形の面積である。また、\boldsymbol a\times\boldsymbol b=\boldsymbol0 であることと、\boldsymbol a,\boldsymbol b が一次従属であることは同値である。外積は各変数について線型であり、この性質を双線型性という。さらに、\boldsymbol b\times\boldsymbol a=-\boldsymbol a\times\boldsymbol b という反交換則が成分公式から成立する。
D\subset\mathbb R^2 を有界Jordan領域とし、
\boldsymbol r:D\to\mathbb R^3,
\qquad
\boldsymbol r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))
を \overline D の近傍で C^1 級とする。偏導関数
\boldsymbol r_u=\frac{\partial\boldsymbol r}{\partial u},
\qquad
\boldsymbol r_v=\frac{\partial\boldsymbol r}{\partial v}
は、u 方向と v 方向の接ベクトルである。
D の内部で
\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\ne\boldsymbol0
が成立し、\boldsymbol r が内部で一対一であるとき、その像を正則曲面パッチという。外積が0でない条件は二つの接ベクトルが一次独立であることと同値であり、接平面
\boldsymbol r(u_0,v_0)
+s\boldsymbol r_u(u_0,v_0)
+t\boldsymbol r_v(u_0,v_0)
を定める。
内部の一対一性は、同じ曲面部分を重複して数えることを防止する。有界Jordan領域の境界は面積0であるため、境界上だけの重複は面積への寄与を持たない。内部で多重被覆すると、積分でも重複度に応じて数えられる。
6面積要素
パラメータ平面の微小長方形は、一次近似によって辺 \boldsymbol r_u\,du と \boldsymbol r_v\,dv を持つ平行四辺形へ写される。その面積は
\|\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\|\,du\,dv
である。したがって、曲面の面積要素を
dS=\|\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\|\,du\,dv
と定義する。外積そのものは接平面に垂直であり、その大きさが局所的な面積倍率を表す。
6.1具体例 2:グラフ曲面
f を C^1 級とし、z=f(x,y) を
\boldsymbol r(x,y)=(x,y,f(x,y))
と表示すると、
\boldsymbol r_x=(1,0,f_x),
\qquad
\boldsymbol r_y=(0,1,f_y)
であり、
\boldsymbol r_x\times\boldsymbol r_y=(-f_x,-f_y,1)
となる。したがって、
dS=\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\,dx\,dy
である。平面 z=0 では f_x=f_y=0 であるため、dS=dx\,dy に一致する。
7曲面の向きと再パラメータ化
\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v は曲面の法線方向を一つ選択する。u と v を交換すると外積の符号が反転し、反対の向きを定める。曲面全体で連続な法線方向を選択できる場合、その曲面は向き付け可能であるという。
E,D\subset\mathbb R^2 をパラメータ領域とし、\boldsymbol\varphi:E\to D を C^1 級の微分同相写像とする。再パラメータ化を \boldsymbol\rho=\boldsymbol r\circ\boldsymbol\varphi と定義すると、連鎖律と外積の双線型性により
\boldsymbol\rho_s\times\boldsymbol\rho_t
=\det D\boldsymbol\varphi\,
(\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v)\circ\boldsymbol\varphi
が成立する。\det D\boldsymbol\varphi>0 なら向きを保存し、\det D\boldsymbol\varphi<0 なら向きを反転する。面積要素は絶対値を使用するため向きに依存しないが、流束は法線方向を使用するため向きの反転で符号が反転する。
8計算手順
- パラメータ領域と曲線または曲面の像を明示する。
- 曲線では \boldsymbol r'\ne\boldsymbol0、曲面では \boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\ne\boldsymbol0 を確認する。
- 内部で不要な多重被覆がないことを確認する。
- 向きが必要な場合は、パラメータの進行方向または法線方向を明示する。
- 弧長には \|\boldsymbol r'\|、面積には \|\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\| を使用する。
9注意
- 接ベクトルが0になる点では、正則曲線として接方向を定義できない。
- 曲面の二つの接ベクトルが平行になる点では、正則曲面パッチの条件が成立しない。
- 同じ曲線像でも、向きが反対なら向き付き曲線としては異なる。
- 曲面表示が内部で多重被覆している場合、面積分は重複部分を複数回数える。
10関連講義
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
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
\boldsymbol r:I\to\mathbb R^n,
\qquad
\boldsymbol r(t)=(r_1(t),\ldots,r_n(t))
be of class C^1, meaning that each component is continuously differentiable. The image \boldsymbol r(I) is a parametrized curve.
If \boldsymbol r'(t)\ne\boldsymbol0 for every t\in I, then \boldsymbol r is a regular parameterization. The derivative
\boldsymbol r'(t)=(r_1'(t),\ldots,r_n'(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
\boldsymbol r(t)=(\cos t,\sin t),
\qquad 0\le t\le2\pi.
Then
\boldsymbol r'(t)=(-\sin t,\cos t),
\qquad \|\boldsymbol 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=2\pi represent the same point, but no point is repeated in the interior.
3Reparameterization and Orientation
Let \psi:[\alpha,\beta]\to[a,b] be a C^1 bijection with \psi'(s)\ne0. Then
\boldsymbol\rho(s)=\boldsymbol r(\psi(s))
is a reparameterization with the same curve image. By the chain rule,
\boldsymbol\rho'(s)=\boldsymbol r'(\psi(s))\psi'(s).
It preserves orientation when \psi'(s)>0 and reverses orientation when \psi'(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 C^1 curve \boldsymbol r:[a,b]\to\mathbb R^n is
L(\boldsymbol r)=\int_a^b\|\boldsymbol r'(t)\|\,dt.
The quantity \|\boldsymbol 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, \|\boldsymbol r'(t)\|=1, so
L=\int_0^{2\pi}1\,dt=2\pi.
A piecewise C^1 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 C^1. 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 \boldsymbol a=(a_1,a_2,a_3) and \boldsymbol b=(b_1,b_2,b_3), define
\boldsymbol a\times\boldsymbol b
=\bigl(a_2b_3-a_3b_2,\ a_3b_1-a_1b_3,\ a_1b_2-a_2b_1\bigr).
This vector is perpendicular to both \boldsymbol a and \boldsymbol b, and its norm \|\boldsymbol a\times\boldsymbol b\| is the area of the parallelogram spanned by them. Moreover, \boldsymbol a\times\boldsymbol b=\boldsymbol0 if and only if \boldsymbol a and \boldsymbol 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 \boldsymbol b\times\boldsymbol a=-\boldsymbol a\times\boldsymbol b.
Let D\subset\mathbb R^2 be a bounded Jordan region, and let
\boldsymbol r:D\to\mathbb R^3,
\qquad
\boldsymbol r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))
be of class C^1 on a neighborhood of \overline D. The partial derivatives
\boldsymbol r_u=\frac{\partial\boldsymbol r}{\partial u},
\qquad
\boldsymbol r_v=\frac{\partial\boldsymbol r}{\partial v}
are tangent vectors in the u- and v-directions.
If
\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\ne\boldsymbol0
throughout the interior of D and \boldsymbol 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
\boldsymbol r(u_0,v_0)
+s\boldsymbol r_u(u_0,v_0)
+t\boldsymbol r_v(u_0,v_0).
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 \boldsymbol r_u\,du and \boldsymbol r_v\,dv. Its area is
\|\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\|\,du\,dv.
Therefore the surface area element is
dS=\|\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\|\,du\,dv.
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 C^1 and parameterize z=f(x,y) by
\boldsymbol r(x,y)=(x,y,f(x,y)).
Then
\boldsymbol r_x=(1,0,f_x),
\qquad
\boldsymbol r_y=(0,1,f_y),
and
\boldsymbol r_x\times\boldsymbol r_y=(-f_x,-f_y,1).
Hence
dS=\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\,dx\,dy.
For the plane z=0, both partial derivatives vanish, so this reduces to dS=dx\,dy.
7Surface Orientation and Reparameterization
The vector \boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v 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,D\subset\mathbb R^2 be parameter domains and let \boldsymbol\varphi:E\to D be a C^1 diffeomorphism. Define the reparameterization \boldsymbol\rho=\boldsymbol r\circ\boldsymbol\varphi. The chain rule and bilinearity of the cross product give
\boldsymbol\rho_s\times\boldsymbol\rho_t
=\det D\boldsymbol\varphi\,
(\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v)\circ\boldsymbol\varphi.
Thus \det D\boldsymbol\varphi>0 preserves orientation, whereas \det D\boldsymbol\varphi<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
- State the parameter domain and the image of the curve or surface.
- Check \boldsymbol r'\ne\boldsymbol0 for a curve or \boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\ne\boldsymbol0 for a surface.
- Check that there is no unintended multiple covering in the interior.
- When orientation is relevant, state the direction of increasing parameter or the selected normal direction.
- Use \|\boldsymbol r'\| for arc length and \|\boldsymbol r_u\times\boldsymbol r_v\| 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
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