Формула Гаусса — Бонне
Формула Гаусса — Бонне связывает эйлерову характеристику поверхности с её гауссовой кривизной и геодезической кривизной её границы.
Формулировка
Пусть — компактное двумерное ориентированное риманово многообразие с гладкой границей . Обозначим через гауссову кривизну и через геодезическую кривизну . Тогда
где — эйлерова характеристика .
В частности, если у нет границы, получаем
Если поверхность деформируется, то её эйлерова характеристика не меняется, в то время как гауссова кривизна может меняться поточечно. Тем не менее, согласно формуле Гаусса — Бонне, интеграл гауссовой кривизны остаётся тот же.
История
Частный случай этой формулы для геодезических треугольников был получен Фридрихом Гауссом[1], Пьер Оссиан Бонне[2] и Жак Бине независимо обобщили формулу на случай диска ограниченного произвольной кривой; Бине не опубликовал статьи на эту тему, но Бонне упоминаеет об этом на странице 129 своей "Mémoire sur la Théorie Générale des Surfaces". Для неодносвязных областей формула появляется в работе Вальтера фон Дика[3]. Современная формулировка дана Вильгельмом Бляшке[4].
Вариации и обобщения
- Формула Гаусса — Бонне естественно обобщается на области с кусочно-гладкой границей. Если в точке излома касательный вектор разворачивается на угол в сторону области (может быть положительное или отрицательное число), то формула обобщается до такой:
- Обобщённая формула Гаусса — Бонне — обобщение формулы на старшие размерности.
- Неравенство Кон-Фоссена — обобщение на некомпактные поверхности.
- Согласно формуле Гаусса — Бонне, любой треугольник на полной поверхности неотрицательной гауссовой кривизны имеет сумму углов хотя бы . Теорема сравнения Топоногова уточняет это неравенство.
См. также
Ссылки
- C. F. Gauss, Disquisitiones generales circa superficies curvas, Commentationes Societatis Regiae Scientiarum Gottingesis Recentiores. Volume VI, pp. 99–146.
- Bonnet, 1848 'Mémoire sur la Théorie Générale des Surfaces', J. École Polytechnique 19 (1848) pp. 1—146
- von Dyck W. Beiträge zur analysis situs. Math Ann, 32: 457–512 (1888)
- Wilhelm Blaschke, Vorlesungen über Differentialgeometrie und geometrische Grundlagen von Einsteins Relativitätstheorie, 1921
- С. Е. Степанов, Теорема Гаусса—Бонне, СОЖ, 2000, No 9, с. 116—121.
- Wu, Hung-Hsi. "Historical development of the Gauss-Bonnet theorem." Science in China Series A: Mathematics 51.4 (2008): 777-784.