Gaußsche Krümmung

In der Theorie der Flächen im dreidimensionalen euklidischen Raum ( $\mathbb {R} ^{3}$ ), einem Gebiet der Differentialgeometrie, ist die gaußsche Krümmung (das gaußsche Krümmungsmaß), benannt nach dem Mathematiker Carl Friedrich Gauß, der wichtigste Krümmungsbegriff neben der mittleren Krümmung.

Definition

Gegeben seien eine reguläre Fläche im $\mathbb {R} ^{3}$ und ein Punkt dieser Fläche. Die gaußsche Krümmung der Fläche in diesem Punkt ist das Produkt der beiden Hauptkrümmungen $k_{1}$ und $k_{2}$ .

$K\,=\,k_{1}\cdot k_{2}={\frac {1}{r_{1}}}\cdot {\frac {1}{r_{2}}}$

Dabei sind $r_{1}$ und $r_{2}$ die beiden Hauptkrümmungsradien.

Beispiele

Im Falle einer Kugel(oberfläche) mit Radius ist die gaußsche Krümmung gegeben durch $K=1/r^{2}$ .

In einem beliebigen Punkt auf der gekrümmten Fläche eines geraden Kreiszylinders ist die gaußsche Krümmung gleich 0.

In einem beliebigen Punkt auf der gekrümmten Fläche eines geraden Kreiskegels ist die gaußsche Krümmung gleich 0.

Berechnung

Sind , , bzw. , , die Koeffizienten der ersten bzw. zweiten Fundamentalform, so gilt folgende Formel:

$K={\frac {LN-M^{2}}{EG-F^{2}}}$

Ist die betrachtete Fläche der Graph einer Funktion über dem Parameterbereich , also $X(u,v)=(u,v,f(u,v))$ für alle $(u,v)\in U$ , so gilt für die gaußsche Krümmung:

$K={\frac {f_{uu}f_{vv}-f_{uv}^{2}}{{(1+f_{u}^{2}+f_{v}^{2})}^{2}}}$

Hierbei bezeichnen $f_{u}$ und $f_{v}$ die ersten und $f_{uu}$ , $f_{uv}$ und $f_{vv}$ die zweiten partiellen Ableitungen von .

Ist die Fläche als Nullstellenmenge $f^{-1}(0)$ einer Funktion $f:\mathbb {R} ^{3}\to \mathbb {R}$ mit regulärem Wert $0\in \mathbb {R}$ gegeben, dann berechnet sich die Gaußsche Krümmung aus der Formel

$K={\frac {{\nabla f}^{T}\cdot \operatorname {adj} (H_{f})\cdot \nabla f}{|\nabla f|^{4}}}.$

Dabei ist $|\nabla f|$ der Betrag des Gradienten und $\operatorname {adj} (H_{f})$ die Adjunkte der Hesse-Matrix von .

Eigenschaften

Vorzeichen

In elliptischen Punkten ist die gaußsche Krümmung positiv ( K>0 ), in hyperbolischen Punkten negativ ( K<0 ) und in parabolischen Punkten oder Flachpunkten verschwindet sie.

Eigenschaft der inneren Geometrie

Die gaußsche Krümmung hängt nur von der inneren Geometrie der gegebenen Fläche ab. Dieser Satz ist ein Korollar aus der Formel von Brioschi:

$K={\frac {1}{(EG-F^{2})^{2}}}\left({\begin{vmatrix}-{\frac {1}{2}}E_{vv}+F_{uv}-{\frac {1}{2}}G_{uu}&{\frac {1}{2}}E_{u}&F_{u}-{\frac {1}{2}}E_{v}\\F_{v}-{\frac {1}{2}}G_{u}&E&F\\{\frac {1}{2}}G_{v}&F&G\end{vmatrix}}-{\begin{vmatrix}0&{\frac {1}{2}}E_{v}&{\frac {1}{2}}G_{u}\\{\frac {1}{2}}E_{v}&E&F\\{\frac {1}{2}}G_{u}&F&G\end{vmatrix}}\right)$

Dabei sind , und die Koeffizienten der ersten Fundamentalform. Die Bezeichnungen $E_{u}$ , $F_{{uv}}$ usw. stehen für erste und zweite partielle Ableitungen nach den Parametern und , mit denen die gegebene Fläche parametrisiert wird. Diese Gleichung ist unter anderem eine der notwendigen Integrationsbedingungen der Gauß-Weingarten-Gleichungen.

Eine weitere Formel zur Berechnung der gaußschen Krümmung lautet:

$K=-{\frac {1}{2{\sqrt {EG-F^{2}}}}}\left(\left({\frac {E_{v}-F_{u}}{\sqrt {EG-F^{2}}}}\right)_{v}+\left({\frac {G_{u}-F_{v}}{\sqrt {EG-F^{2}}}}\right)_{u}\right)-{\frac {1}{4\left(EG-F^{2}\right)^{2}}}{\begin{vmatrix}E&E_{u}&E_{v}\\F&F_{u}&F_{v}\\G&G_{u}&G_{v}\end{vmatrix}}$

Im Falle einer orthogonalen Parametrisierung ( F=0 ) reduziert sich diese Formel auf

$K=-{\frac {1}{2{\sqrt {EG}}}}\left(\left({\frac {E_{v}}{\sqrt {EG}}}\right)_{v}+\left({\frac {G_{u}}{\sqrt {EG}}}\right)_{u}\right)$

Wenn die Fläche isotherm parametrisiert ist, d.h., es gilt 0<E=G und F=0 , dann schreibt sich

$K=-{\frac {1}{2E}}\Delta \log E$

mit dem Laplaceoperator

$\Delta ={\frac {\partial ^{2}}{\partial u^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}}{\partial v^{2}}}$ .

Totalkrümmung

Die Innenwinkelsumme eines Flächendreiecks auf einer negativ gekrümmten Fläche ist kleiner als 180°.

Das Oberflächenintegral

$\iint _{T}K\,dA$

der Gaußschen Krümmung über eine Teilmenge einer Fläche bezeichnet man als deren Totalkrümmung. Bei Vielecken, deren Kanten Geodätische sind, besteht ein Zusammenhang zwischen der Totalkrümmung und der Innenwinkelsumme. Beispielsweise gilt für die Innenwinkelsumme $\alpha +\beta +\gamma$ eines geodätischen Dreiecks:

$\alpha +\beta +\gamma =\pi +\iint _{T}K\,dA.$

Die Totalkrümmung eines geodätischen Dreiecks entspricht also der Abweichung der Innenwinkelsumme von π: Die Innenwinkelsumme eines sich auf einer positiv gekrümmten Fläche befindenden Dreiecks überschreitet π, auf einer negativ gekrümmten Fläche liegt die Innenwinkelsumme unterhalb von π. Beträgt die Gaußkrümmung null, so beträgt die Innenwinkelsumme wie im ebenen Fall exakt π.

Eine Verallgemeinerung dieses Sachverhaltes ist der Satz von Gauß-Bonnet, der einen Zusammenhang zwischen der Gaußschen Krümmung einer Fläche und der geodätischen Krümmung der zugehörigen Randkurve beschreibt.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de