Geometría diferencial de hipersuperficies

En matemáticas, la geometría diferencial de hipersuperficies propone definiciones y métodos para analizar la geometría de hipersuperficies o variedades diferenciales de n dimensiones inmersas en una variedad riemanniana o el espacio euclídeo.

Aquí se tratará de las superficies en ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n+1}}$, dotado de una métrica euclídea, es decir ${\displaystyle \mathbb {E} ^{d}}$.

Ecuación paramétrica de una hipersuperficie

Puesto que una superficie en ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n+1}}$ es una variedad diferenciable de dimensión n, en un entorno V de una superficie las coordenadas de cualquier punto de V pueden escribirse en función de dos parámetros:

${\displaystyle \mathbf {x} (u^{1},\dots ,u^{n})=(x^{1}(u^{1},\dots ,u^{n}),\dots ,x^{n+1}(u^{1},\dots ,u^{n}))\,}$

En general una hipersuperficie puede representarse de forma no paramétrica mediante la ecuación:

${\displaystyle f(x^{1},\dots ,x^{n})=0}$

Que si f es suficientemente regular es equivalente localmente a las ecuaciones paramétricas anteriores.

Plano tangente

Dada una superficie ${\displaystyle H\,}$ de ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n+1}}$ y un punto${\displaystyle P_{0}=(x_{0}^{1},\dots ,x_{0}^{n})\in S\,}$ se define como el único hiperplano de ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n+1}}$ que contiene al punto ${\displaystyle P_{0}\,}$ y (localmente) y la aproxima hasta términos de primer orden. La ecuación analítica de este hiperplano puede expresarse con ayuda de la ecuación paramétrica de la hipersuperificie:

${\displaystyle \Pi _{S,P_{0}}=\left\{\mathbf {x} =(x^{1},\dots ,x^{n})\in \ {\mathbb {R}}|\mathbf {x} =\mathbf {x} (u_{0}^{1},\dots ,u_{0}^{n})+\sum _{i}\alpha _{i}{\frac {\partial \mathbf {x} (u_{0}^{1},\dots ,u_{0}^{n})}{\partial u^{i}}},\alpha _{i}\in \mathbb {R} \right\}}$

Más sencillamente el hiperplano anterior puede escribirse como el conjunto ${\displaystyle (x^{1},\dots ,x^{n})\,}$ que satisface la siguiente ecuación:

${\displaystyle {\begin{vmatrix}x^{1}-x_{0}^{1}&\dots &x^{n}-x_{0}^{n}\\{x'}_{1}^{1}(P_{0})&\dots &{x'}_{1}^{n}(P_{0})\\\dots &\dots &\dots \\{x'}_{n}^{1}(P_{0})&&{x'}_{n}^{n}(P_{0})\end{vmatrix}}=0}$

Aquí, se ha usado la simplificación de notación ${\displaystyle {x'}_{j}^{i}={\frac {\partial x^{i}}{\partial u^{j}}}}$,... etc

Vector normal a la superficie

Un vector director del hiperplano tangente es un vector normal a la hipersuperficie, usualmente existen dos elecciones posibles para un vector normal unitario (ambas relacionadas por un cambio de signo). Si se expresa la hipersuperificie mediante la superficie ${\displaystyle \scriptstyle f(x^{1},\dots ,x^{n})=0}$, el vector unitario normal se calcula simplemente como:

${\displaystyle \mathbf {n} ={\frac {\nabla f}{\left\Vert \nabla f\right\|}}={\frac {(f'_{1},\dots ,f'_{n})}{\sqrt {{f'}_{1}^{2}+\dots +{f'}_{n}^{2}}}}}$

Primera forma fundamental

La primera forma fundamental I es la métrica inducida por la métrica euclídea en la hipersuperficie. Dicha métrica es un tensor 2-covariante, simétrico y definido sobre el espacio tangente a cada punto de la hipersuperficie H. De hecho (H, I) constituye una variedad de Riemann con tensor métrico I. La primera forma fundamental permite estimar longitudes sobre la hipersuperficie y ángulos de intersección entre curvas. Las componentes de la primera forma fundamental suelen designarse por ${\displaystyle \scriptstyle g_{ij}}$:

${\displaystyle (I_{kl}(u^{i}))=(g_{kl}(u^{i}))={\begin{pmatrix}g_{11}(u^{i})&\dots &g_{1n}(u^{i})\\\dots &\dots &\dots \\g_{n1}(u^{i})&\dots &g_{nn}(u^{i})\end{pmatrix}}}$

La forma cuadrática anterior es positiva, lo que implica que ${\displaystyle \det(g)>0}$. La primera forma anterior puede escribirse como una combinación lineal de productos tensoriales de las 1-formas coordenadas ${\displaystyle du^{i}\,}$ conforme a:

${\displaystyle I(u^{k})=g_{ij}(u^{k})\ du^{i}\otimes du^{j}}$

Estas pueden calcularse explícitamente a partir de la parametrización:

${\displaystyle g_{ij}(u^{k})={\frac {\partial \mathbf {x} '}{\partial u^{i}}}\cdot {\frac {\partial \mathbf {x} '}{\partial u^{j}}}=\mathbf {x} '_{i}\cdot \mathbf {x} '_{j}}$

Véase también

• Geometría diferencial de superficies

Bibliografía

• Girbau, J.: "Geometria diferencial i relativitat", Ed. Universitat Autònoma de Catalunya, 1993. ISBN 84-7929-776-X.
• Spiegel, M. & Abellanas, L.: "Fórmulas y tablas de matemática aplicada", Ed. McGraw-Hill, 1988. ISBN 84-7615-197-7.
• M. do Carmo: "Differential geometry of curves and surfaces".
• John M. Lee (1997), Riemannian Manifolds: An Introduction to Curvature, Graduate Texts in Mathematics 176, Springer-Verlag, ISBN 0-387-98271-X. 

Enlaces externos

• Portal:Matemática. Contenido relacionado con Matemática.
• Enciclopedia en-línea de Springer-Verlag [1]