Straffheit (Differentialgeometrie)

Straffheit ist ein Begriff aus dem mathematischen Teilgebiet der Differentialgeometrie, insbesondere der zweidimensionalen Flächentheorie. Eine zweidimensionale, kompakte, orientierbare Fläche ohne Rand nennt man straff, wenn das Integral ihrer absoluten Gauß-Krümmung so klein wie möglich ist.

Es sei ${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}} eine zweidimensionale, kompakte, orientierbare Fläche ohne Rand und ${\displaystyle K\colon M\rightarrow \mathbb {R} }${\displaystyle K\colon M\rightarrow \mathbb {R} } bezeichne die Gauß-Krümmung. Nach dem Satz von Gauß-Bonnet ist das Flächenintegral von ${\displaystyle K}${\displaystyle K} über ${\displaystyle M}${\displaystyle M} gleich dem ${\displaystyle 2\pi }${\displaystyle 2\pi }-Fachen der Euler-Charakteristik, das heißt

${\displaystyle \int _{M}K,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot \chi (M)}${\displaystyle \int _{M}K,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot \chi (M)}.

Man setze ${\displaystyle M_{+}:=\{x\in M\mid K(x)>0\}}${\displaystyle M_{+}:=\{x\in M\mid K(x)>0\}} und ${\displaystyle M_{-}:=M\setminus M_{+}}${\displaystyle M_{-}:=M\setminus M_{+}}. Weiter sei ${\displaystyle {\tilde {M}}}${\displaystyle {\tilde {M}}} die Oberfläche der konvexen Hülle von ${\displaystyle M}${\displaystyle M} und ${\displaystyle {\tilde {K}}}${\displaystyle {\tilde {K}}} die Gauß-Krümmung auf ${\displaystyle {\tilde {M}}}${\displaystyle {\tilde {M}}}, die fast überall definiert und ${\displaystyle \geq 0}${\displaystyle \geq 0} ist. Dann ist

${\displaystyle \int _{\tilde {M}}{\tilde {K}},円\mathrm {d} A=2\pi \cdot 2=4\pi }${\displaystyle \int _{\tilde {M}}{\tilde {K}},円\mathrm {d} A=2\pi \cdot 2=4\pi }

und ${\displaystyle {\tilde {K}}}${\displaystyle {\tilde {K}}} muss auf ${\displaystyle {\tilde {M}}\setminus M_{+}}${\displaystyle {\tilde {M}}\setminus M_{+}} verschwinden (hier werden einige Details übergangen, da die konvexe Hülle nur schwache Differenzierbarkeitseigenschaften hat). Daher ist

${\displaystyle \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A\geq \int _{M_{+}\cap {\tilde {M}}}K,円\mathrm {d} A=\int _{\tilde {M}}{\tilde {K}},円\mathrm {d} A=4\pi }${\displaystyle \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A\geq \int _{M_{+}\cap {\tilde {M}}}K,円\mathrm {d} A=\int _{\tilde {M}}{\tilde {K}},円\mathrm {d} A=4\pi }

und die einfache Rechnung

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{M}|K|,円\mathrm {d} A&=\int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A-\int _{M_{-}}K,円\mathrm {d} A\\&=2\cdot \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A-\left(\int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A+\int _{M_{-}}K,円\mathrm {d} A\right)\\&=2\cdot \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A-\int _{M}K,円\mathrm {d} A\\&\geq 2\cdot 4\pi -2\pi \cdot \chi (M)\\&=2\pi \cdot (4-\chi (M))\end{aligned}}}${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{M}|K|,円\mathrm {d} A&=\int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A-\int _{M_{-}}K,円\mathrm {d} A\\&=2\cdot \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A-\left(\int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A+\int _{M_{-}}K,円\mathrm {d} A\right)\\&=2\cdot \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A-\int _{M}K,円\mathrm {d} A\\&\geq 2\cdot 4\pi -2\pi \cdot \chi (M)\\&=2\pi \cdot (4-\chi (M))\end{aligned}}}

ergibt eine untere Schranke für das Integral der absoluten Krümmung ${\displaystyle |K|}${\displaystyle |K|} über ${\displaystyle M}${\displaystyle M}.

Man nennt eine zweidimensionale, kompakte, orientierbare Fläche ${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}} ohne Rand straff, wenn diese untere Schranke angenommen wird, das heißt, wenn^[1]

${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot (4-\chi (M))}${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot (4-\chi (M))}.

Für eine zweidimensionale, kompakte, orientierbare Fläche ${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}} ohne Rand sind folgende Aussagen äquivalent:^[2]

• ${\displaystyle M}${\displaystyle M} ist straff, das heißt ${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot (4-\chi (M))}${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot (4-\chi (M))}.
• ${\displaystyle \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A=4\pi }${\displaystyle \int _{M_{+}}K,円\mathrm {d} A=4\pi }
• Jede Ebene ${\displaystyle E\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle E\subset \mathbb {R} ^{3}} zerlegt ${\displaystyle M}${\displaystyle M} in höchstens zwei Zusammenhangskomponenten, das heißt, sind ${\displaystyle H_{1}}${\displaystyle H_{1}} und ${\displaystyle H_{2}}${\displaystyle H_{2}} die beiden offenen Halbräume mit ${\displaystyle M\setminus E=H_{1}\cup H_{2}}${\displaystyle M\setminus E=H_{1}\cup H_{2}}, so ist ${\displaystyle M\cap H_{i}}${\displaystyle M\cap H_{i}} für jedes ${\displaystyle i\in \{1,2\}}${\displaystyle i\in \{1,2\}} leer oder zusammenhängend.

Die dritte Eigenschaft nennt man die Zwei-Stück-Eigenschaft oder kurz TPP, nach der englischen Bezeichnung two-piece-property. Diese äquivalente Eigenschaft verwendet keine differentialgeometrischen Begriffe und erlaubt daher eine Verallgemeinerung der Straffheit auf allgemeinere Flächen. Offenbar hat die Oberfläche jeder konvexen Menge die TPP. Man kann Straffheit daher als Verallgemeinerung der Konvexität ansehen.^[3]

Die Kugeloberfläche mit Radius ${\displaystyle r}${\displaystyle r} hat bekanntlich konstante Gauß-Krümmung ${\displaystyle {\tfrac {1}{r^{2}}}}${\displaystyle {\tfrac {1}{r^{2}}}} und Euler-Charakteristik 2. Daher ist

${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=\int _{M}{\frac {1}{r^{2}}},円\mathrm {d} A={\frac {1}{r^{2}}}\cdot 4\pi r^{2}=4\pi =2\pi \cdot 2=2\pi \cdot (4-\chi (M))}${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=\int _{M}{\frac {1}{r^{2}}},円\mathrm {d} A={\frac {1}{r^{2}}}\cdot 4\pi r^{2}=4\pi =2\pi \cdot 2=2\pi \cdot (4-\chi (M))}.

Die Kugeloberfläche ist daher straff. Das ist viel einfacher mittels der TPP zu sehen, da die Kugel konvex ist, denn offenbar hat jede konvexe Oberfläche die TPP.

Die Torusoberfläche mit Radien ${\displaystyle R}${\displaystyle R} und ${\displaystyle r}${\displaystyle r}, die durch

${\displaystyle F\colon [0,2\pi ]^{2}\rightarrow \mathbb {R} ^{3},\quad (\theta ,\varphi )\mapsto {\begin{pmatrix}(R+r\cos(\theta ))\cos(\varphi )\\(R+r\cos(\theta ))\sin(\varphi )\\r\sin(\varphi ))\end{pmatrix}}}${\displaystyle F\colon [0,2\pi ]^{2}\rightarrow \mathbb {R} ^{3},\quad (\theta ,\varphi )\mapsto {\begin{pmatrix}(R+r\cos(\theta ))\cos(\varphi )\\(R+r\cos(\theta ))\sin(\varphi )\\r\sin(\varphi ))\end{pmatrix}}}

parametrisiert ist, hat an der Stelle ${\displaystyle F(\theta ,\varphi )}${\displaystyle F(\theta ,\varphi )} die Krümmung^{[4] [5]}

${\displaystyle K(F(\theta ,\varphi ))={\frac {\cos(\theta )}{r(R+r\cos(\theta ))}}}${\displaystyle K(F(\theta ,\varphi ))={\frac {\cos(\theta )}{r(R+r\cos(\theta ))}}}

und die Euler-Charakteristik der Torusoberfläche ist 0. Dann rechnet man

${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }{\frac {|{\cos(\theta )}|}{r(R+r\cos(\theta ))}}\cdot {\sqrt {g(\theta ,\varphi )}},円\mathrm {d} \theta \mathrm {d} \varphi }${\displaystyle \int _{M}|K|,円\mathrm {d} A=\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }{\frac {|{\cos(\theta )}|}{r(R+r\cos(\theta ))}}\cdot {\sqrt {g(\theta ,\varphi )}},円\mathrm {d} \theta \mathrm {d} \varphi }

mit   ${\displaystyle g(\theta ,\varphi )=\mathrm {det} ((DF)^{T}\cdot DF)(\theta ,\varphi )=r^{2}(R+r\cos(\theta ))^{2}}${\displaystyle g(\theta ,\varphi )=\mathrm {det} ((DF)^{T}\cdot DF)(\theta ,\varphi )=r^{2}(R+r\cos(\theta ))^{2}}

${\displaystyle {\begin{aligned}\qquad \qquad \;&=\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }{\frac {|{\cos(\theta )}|}{r(R+r\cos(\theta ))}}\cdot r(R+r\cos(\theta )),円\mathrm {d} \theta \mathrm {d} \varphi =\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }|{\cos(\theta )}|,円\mathrm {d} \theta \mathrm {d} \varphi \\&=2\pi \cdot \int _{0}^{2\pi }|{\cos(\theta )}|,円\mathrm {d} \theta =2\pi \cdot 4=2\pi \cdot (4-\chi (M)).\end{aligned}}}${\displaystyle {\begin{aligned}\qquad \qquad \;&=\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }{\frac {|{\cos(\theta )}|}{r(R+r\cos(\theta ))}}\cdot r(R+r\cos(\theta )),円\mathrm {d} \theta \mathrm {d} \varphi =\int _{0}^{2\pi }\int _{0}^{2\pi }|{\cos(\theta )}|,円\mathrm {d} \theta \mathrm {d} \varphi \\&=2\pi \cdot \int _{0}^{2\pi }|{\cos(\theta )}|,円\mathrm {d} \theta =2\pi \cdot 4=2\pi \cdot (4-\chi (M)).\end{aligned}}}

Daher ist die Torusoberfläche ein Beispiel für eine nicht-konvexe straffe Fläche.

Es gibt zu jedem Geschlecht zweidimensionale, kompakte, orientierbare, randlose Flächen ${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}}, die straff sind.^[6]

Es sei ${\displaystyle f\colon M\rightarrow \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle f\colon M\rightarrow \mathbb {R} ^{3}} eine Immersion einer differenzierbaren, zweidimensionalen, orientierbaren Mannigfaltigkeit ${\displaystyle M}${\displaystyle M} in den dreidimensionalen euklidischen Raum. Für ${\displaystyle x\in M}${\displaystyle x\in M} sei ${\displaystyle \nu _{f}(x)\in \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle \nu _{f}(x)\in \mathbb {R} ^{3}} ein Einheitsvektor, der senkrecht zur Tangentialebene in ${\displaystyle f(x)}${\displaystyle f(x)} ist, sodass ${\displaystyle x\mapsto \nu _{f}(x)}${\displaystyle x\mapsto \nu _{f}(x)} stetig ist (dazu benötigt man die Orientierbarkeit). Die Gauß-Krümmung ${\displaystyle K_{f}(x)}${\displaystyle K_{f}(x)} ist als die Determinante der Jacobi-Matrix der Abbildung ${\displaystyle \nu _{f}\colon M\rightarrow S^{2}}${\displaystyle \nu _{f}\colon M\rightarrow S^{2}} definiert. Dann kann man ganz ähnliche Überlegungen wie oben anstellen und nennt ${\displaystyle f}${\displaystyle f} straff, wenn

${\displaystyle \int _{M}|K_{f}|,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot (4-\chi (M))}${\displaystyle \int _{M}|K_{f}|,円\mathrm {d} A=2\pi \cdot (4-\chi (M))}.^[7]

Die oben definierte Straffheit einer Fläche ${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle M\subset \mathbb {R} ^{3}} bedeutet die Straffheit der Immersion ${\displaystyle \mathrm {id} _{M}\colon M\rightarrow M\subset R^{3}}${\displaystyle \mathrm {id} _{M}\colon M\rightarrow M\subset R^{3}}. Natürlich gibt es auch andere Immersionen, die straff sind, etwa die Einschränkung der linearen Abbildung ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}\rightarrow \mathbb {R} ^{3},,円(x,y,z)\mapsto (ax,by,cz)}${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}\rightarrow \mathbb {R} ^{3},,円(x,y,z)\mapsto (ax,by,cz)} mit reellen Konstanten ${\displaystyle a,b,c>0}${\displaystyle a,b,c>0} auf ${\displaystyle S^{2}}${\displaystyle S^{2}}, die offenbar eine Immersion der Kugeloberfläche auf ein Ellipsoid im ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}} ist. Diese Immersion ist ebenfalls straff. Dagegen ist die Immersion ${\displaystyle \mathrm {id} _{M}}${\displaystyle \mathrm {id} _{M}} der eingedellten Kugelfläche ${\displaystyle M}${\displaystyle M} nicht straff, ebenso wenig wie eine Immersion ${\displaystyle S^{2}\rightarrow M\subset \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle S^{2}\rightarrow M\subset \mathbb {R} ^{3}}, die die Eindellung abbildet.

In diesem Zusammenhang gilt folgender Satz von Chern und Lashof: Jede straffe Immersion der Kugeloberfläche in den ${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle \mathbb {R} ^{3}} bildet auf die Oberfläche einer konvexen Menge ab.^[8]

Im zitierten Lehrbuch „Tight and taut immersions of manifolds" von T. E. Cecil und P. J. Ryan findet sich eine systematische Untersuchung straffer Immersionen und verwandter Begriffe. Dort werden weitere äquivalente Charakterisierungen mittels Eigenschaften der Abbildung ${\displaystyle f\colon M\rightarrow \mathbb {R} ^{3}}${\displaystyle f\colon M\rightarrow \mathbb {R} ^{3}} sowie Verallgemeinerungen auf höhere Dimensionen behandelt, dabei spielt auch die TPP (Zwei-Stück-Eigenschaft) eine wichtige Rolle.

1. ↑ Wolfgang Kühnel: Differentialgeometrie, ISBN 978-3-8348-0411-2, Definition 4.47
2. ↑ Wolfgang Kühnel: Differentialgeometrie, ISBN 978-3-8348-0411-2, Folgerung 4.48
3. ↑ Thomas Banchoff, Wolfgang Kühnel: Tight Submanifolds, Smooth and Polyhedral, MSRI publications, Band 32, Cambridge University Press (1997), ISBN 0-521-62047-3, Seiten 52–118
4. ↑ Tevian Dray: Differential Forms and the Geometry of General Relativity, CRC Press (2015), Kap. 18: Curvature, Formel (18.88) auf Seite 232
5. ↑ Manfredo P. do Carmo: Differentialgeometrie von Kurven und Flächen, Vieweg-Verlag, 3. Auflage (1993), ISBN 978-3-528-27255-5, Paragraph 3.3: Die Gauß-Abbildung in lokalen Koordinaten, Seite 116
6. ↑ Thomas Banchoff, Nicolaas Kuiper: Geometrical class and degree for surfaces in three-space, Journal of Differential Geometry (1981), Band 16, Seiten 559–576
7. ↑ T. E. Cecil, P. J. Ryan: Tight and taut immersions of manifolds, Pitman Publishing Inc. (1985), ISBN 0-273-08631-6, Definition auf Seite 2
8. ↑ T. E. Cecil, P. J. Ryan: Tight and taut immersions of manifolds, Pitman Publishing Inc. (1985), ISBN 0-273-08631-6, Theorem 7.16

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