Esempi di superfici.

Documenti analoghi
Vi prego di segnalare ogni inesattezza o errore tipografico a

Geometria Differenziale 2017/18 Esercizi 3

Cenni di geometria differenziale delle superfici.

Coniche - risposte 1.9

DEFINIZIONE. u (u; v); α 3. v (u; v); α 3. ha rango 2 in ogni punto della parametrizzazione. DEFINIZIONE

1 Rette e piani nello spazio

Esercizi 5 soluzioni

Esercizi sulle funzioni f : R 2 R. Soluzioni

a.a Geometria 2. Esercizi 9. Interpolazione. Curve composte. 1/2, b 3, b = 1

S t (t, s) A, S s (t, s) B, N(t, s) A B A B.

GEOMETRIA B Esercizi

LEZIONE 37. x 2 a 2 + y2. b 2 = 2z, x 2. a 2 y2. b 2 = 2z. Esempio Sia S il cilindro luogo dei punti P = (x, y, z) soddisfacenti l equazione

Soluzioni. 1. Disegnare il grafico della funzione f : R 2 R, nei casi:

Prova scritta di Geometria differenziale - 27/2/2012

x = x. Si ha quindi: Macerata 6 marzo 2015 classe 3M COMPITO DI MATEMATICA SOLUZIONE QUESITO 1 Considera il fascio di parabole di equazione: ( )

Analisi Matematica II Corso di Ingegneria Gestionale Compito del xy + 2x + 2y + 2xy + 2x + 2y + sin

Esercizi di Complementi di Matematica (L-Z) a.a. 2015/2016

Geometria 4 (nuovo ordinamento) Esame scritto del 1/4/2004

Politecnico di Milano Ingegneria Industriale Analisi e Geometria 1 Terzo Appello 8 Settembre 2014

Anno Accademico 2017/2018

Prova scritta di Geometria differenziale - 27/9/2012

Geometria Differenziale

ULTERIORI ESERCIZI SUL CALCOLO DIFFERENZIALE

Fissiamo nello spazio un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O, x, y, z, u.

Geometria 3 A.A Esercizi. Irriducibilità di polinomi di più variabili. Discriminante.

Le quadriche. Fissiamo nello spazio un sistema di riferimento cartesiano ortogonale O, x, y, z, u.

Geometria Differenziale

Il grafico di una funzione reale a due variabili è un sottoinsieme del prodotto cartesiano :

Gruppo esercizi 1: Vettori e matrici [E.1] Date le due matrici e il vettore

Prima parte: DOMINIO E INSIEMI DI LIVELLO

Es. 1 Es. 2 Es. 3 Es. 4 Totale Teoria. Punteggi degli esercizi: Es.1: 8 punti; Es.2: 8 punti; Es.3: 8 punti; Es.4: 8 punti.

Geometria Differenziale: soluzioni test

Geometria 3 A.A Esercizi. Irriducibilità di polinomi di più variabili. Discriminante.

Esame scritto di Geometria 2

Esercizi Riepilogativi Svolti

Corso di Matematica B - Ingegneria Informatica Testi di Esercizi. A1. Siano u, v, w vettori. Quali tra le seguenti operazioni hanno senso?

DEFINIZIONE E UNA CLASSIFICAZIONE PER LE FUNZIONI n

0.1 Arco di curva regolare

Soluzioni foglio 6. Pietro Mercuri. 24 ottobre 2018

Curve. Riccarda Rossi. Analisi Matematica B. Università di Brescia. Riccarda Rossi (Università di Brescia) Curve Analisi Matematica B 1 / 66

Mutue posizioni della parabola con gli assi cartesiani

Universita degli Studi di Ancona Laurea in Ingegneria Meccanica ed Informatica a Distanza Anno Accademico 2005/2006. Matematica 2 (Analisi)

DERIVATE SUCCESSIVE E MATRICE HESSIANA

Esercizi su curvatura e torsione.

Esericizi Quadriche e Coniche nello spazio

Geometria analitica: curve e superfici

Geometria Anali-ca. DOCENTE: Vincenzo Pappalardo MATERIA: Matematica LA PARABOLA

Sol. Sia P = (x, y) un punto che soddisfa l equazione Y 2 = X 3 + ax + b. Ricordiamo che per definizione P = (x, y) è un punto regolare di E se

MMAC - Lauree Magistrali Scienze Chimiche - 12 Maggio sol

VETTORIALE E PRODOTTO MISTO. PIANI E RETTE DI

Analisi Matematica II Politecnico di Milano Ingegneria Industriale

Studio generale di una quadrica

CLASSE 3^ A LICEO SCIENTIFICO 25 Febbraio 2015 Geometria analitica: la parabola (recupero per assenti)

GEOMETRIA PIANA. 1) sia verificata l uguaglianza di segmenti AC = CB (ossia C è punto medio del segmento AB);

Geometria 3 A.A Esercizi. Irriducibilità di polinomi di più variabili. Discriminante.

FACOLTA DI INGEGNERIA

Classe 3Cmm Esercizi di Matematica 8 Novembre Si dia una definizione di vettore. 2. Cosa si intende per trasformazione geometrica?

Secondo Compitino di Matematica II per Edili (5 cfu). Soluzioni. 7 Giugno 2006

Un fascio di coniche è determinato da una qualsiasi coppia di sue coniche distinte.

f(x) = sin cos α = k2 2 k

sen n x( tan xn n n=1

COMPITO IN CLASSE DI MATEMATICA Funzioni di due variabili Classe 5ª D. Fila A

Analisi Matematica II Corso di Ingegneria Gestionale Compito del f(x, y) = 3x 2 x 2 y + y + 1

GEOMETRIA DIFFERENZIALE - GENNAIO 2012

ESERCIZI DI ANALISI II Ingegneria Civile e dei Trasporti (M-Z) a.a. 2006/2007

ESERCIZI SULLE CURVE

Questi sono alcuni esercizi indicativi. Vedere anche [Franchetta-Morelli]. CONICHE. 9x 2 2 4( 4x 2 2)

Corso di laurea: Ingegneria aerospaziale e meccanica Programma di Fondamenti di Analisi Matematica II a.a. 2013/14 Docente: Fabio Paronetto

Analisi Matematica II Corso di Ingegneria Gestionale Compito del (x y) log

T.(a) T.(b) Es.1 Es.2 Es.3 Es.4 Totale. Cognome: Nome: Matricola:

, per cui le due curve f( x)

Corso di Laurea in Matematica - Esame di Geometria 1. Prova scritta del 15 settmbre 2011 Versione 1

Studio del segno delle derivate. Lezione 11 del 6/12/2018

Simmetrie e quadriche

Es. 1 Es. 2 Es. 3 Es. 4 Totale Teoria. Punteggi degli esercizi: Es.1: 8 punti; Es.2: 8 punti; Es.3: 8 punti; Es.4: 6 punti.

Esempio di grafico di una funzione reale di due variabili reali

Geometria iperbolica - Primo foglio Andrea Petracci

Geometria Differenziale 2017/18 Esercizi I

Analisi Matematica II Corso di Ingegneria Biomedica Compito A del f(x, y) = arctan xy + x + y

Geometria 3 A.A Esercizi

1. Disegnare nel piano di Gauss i seguenti insiemi di numeri complessi:

Soluzione di Adriana Lanza

Geometria Differenziale: Parte 3

Il sistema di riferimento cartesiano

H precedente. Procedendo come sopra, si costruisce la matrice del cambiamento di base

8 novembre Soluzione esame di geometria - 12 crediti Ingegneria gestionale - a.a COGNOME... NOME... N. MATRICOLA...

2 Forma canonica metrica delle ipequadriche

ax 1 + bx 2 + c = 0, r : 2x 1 3x = 0.

Gennaio 17. January 24, 2017

Geometria BAER Canale I Esercizi 12

1 Cambiamenti di coordinate nel piano.

CU. Proprietà differenziali delle curve

L algebra lineare nello studio delle coniche

viene detto il sostegno della curva. Se σ è iniettiva, diciamo che la superficie è semplice. Le equazioni

Compito di matematica Classe III ASA 12 febbraio 2015

Gli argomenti denotati con un asterisco tra parentesi (e solo quelli) sono stati dimostrati.

Politecnico di Milano Ingegneria Industriale Analisi e Geometria 1 Secondo Appello 9 Luglio 2014

Secondo parziale di Matematica per l Economia (esempio)

Transcript:

Esempi di superfici.. Grafici di funzioni. Sia Ω IR un dominio in IR e sia f: Ω IR una funzione C. Il suo grafico è una supeficie parametrizzata in IR 3 della forma u v f(u, v) La superficie S è regolare in ogni punto, in quanto i vettori S u (u, v) = f u, S v (u, v) = sono linearmente indipendenti per ogni (u, v) Ω. (Con F u, F v, indichiamo le derivate parziali di una funzione F = F (u, v), rispetto a u e rispetto a v). Il versore normale ad S è dato da e il piano tangente in un punto S(u, v ) = f v N(u, v) = f u f v (u, v), () + f u + fv x y z ha equazione cartesiana N(u, v ) X = N(u, v ) S(u, v ). I coefficienti della prima e della seconda forma fondamentale di S sono dati rispettivamente da e = N S uu = E = S u S u = + f u, F = S u S v = f u f v, G = S v S v = + f v, f uu, f = N S uv = + f u + fv f uv, N S vv = + f u + fv f vv. + f u + fv La matrice associata alla seconda forma fondamentale è multipla della matrice hessiana di f ( ) e f = f g + f u + fv ( fuu f uv f uv f vv ). () Per la formula (), nei punti S(u, v ), corrispondenti a punti critici di f, dove f u (u, v ) = f v (u, v ) =, il piano tangente ad S è un piano orizzontale. Per la formula (), tali punti sono ellittici se corrispondono a punti critici non degeneri, di massimo o di minimo per f. La curvatura media e la curvatura gaussiana di S sono date rispettivamente da K = f uuf vv fvv ( + fu + fv ), H = ( + fu)f vv f u f v f uv + ( + fv )f uu (. + fu + fv ) 3 (Ricordiamo che tutte le derivate di f coinvolte nelle varie formule e dunque anche i coefficienti E, F, G, e, f, g delle forme quadratiche fondamentali, la curvatura gaussiana e la curvatura media di S sono funzioni di (u, v)).

Esaminiamo adesso alcuni esempi di superfici che sono grafici di funzioni di due variabili: vedremo che solo nelle vicinanze dei punti ellittici e dei punti iperbolici (dove la seconda forma quadratica è non degenere ) il comportamento locale della superficie è ben determinato. Nelle vicinanze dei punti planari o parabolici si possono avere invece comportamenti diversi. Esempio.. (Paraboloide) Sia f: IR IR la funzione f(u, v) = u + v. Il grafico di f è la superficie data da u v u + v Il grafico della funzione f(u, v) = u + v. Al variare di u, v IR, il piano tangente è un piano passante per S(u, v) e parallelo ai vettori S u (u, v) =, S v (u, v) = u v ; il versore normale è dato da N(u, v) = u v + 4u + 4v I coefficienti della prima e della seconda forma fondamentale di S sono dati rispettivamente da E = S u S u = + 4u, F = S u S v = 4uv, G = S v S v = + 4v e = N S uu = + 4u + 4v, f = N S uv =, N S vv = + 4u + 4v La curvatura media e la curvatura gaussiana di S sono date rispettivamente da H = 4( + u + v ) ( + 4u + 4v ) 3/, K = 4 ( + 4u + 4v ). Poiché la curvatura gaussiana è positiva in ogni punto, tutti i punti di S sono ellittici e non ammettono tangenti asintotiche. In altre parole tutte le curve su S, passanti per uno stesso punto P, hanno la concavità rivolta dalla stessa parte.

Prendiamo ad esempio il punto P = S. Il piano tangente ad S in P è il piano orizzontale z =. La superficie sta tutta dalla stessa parte di tale piano e lo tocca solo nel punto di tangenza. Poiché per u = v = E F = f =, e = G g, il punto P è un punto ombelicale: tutte le curve su S, passanti per P, hanno la stessa curvatura normale in P. Consideriamo adesso queste due curve su S: Il piano tangente al paraboloide nel punto S(, ). γ(t) = t t t, γ(t) = cos t sin t e confrontiamo la curvatura con la curvatura normale nei due casi. La curva γ è ottenuta intersecando S con il piano verticale x = y, la seconda intersecando S con il piano orizzontale z =. Il versore normale a γ e la sua curvatura sono dati rispettivamente da n(t) = t t, + 8t k = γ γ γ 3 = ( + 8t ) 3/ ; la sua curvatura normale è data da k N (γ) = N γ (t) γ (t) = ( + 8t ) 3/ e coincide con la curvatura. Questo non è un caso, ma dipende dal fatto che lungo tutta la curva il versore normale alla curva e la normale N alla superficie coincidono. n(γ(t)) = N(γ(t)). Ne segue che la curvatura e la curvatura normale di γ hanno lo stesso modulo ed anche lo stesso segno. Il versore normale a γ e la curvatura sono dati rispettivamente da n(t) = cos t sin t, k(t). 3

( γ è parametrizzata dalla lunghezza d arco). In questo caso, il versore normale alla curva n(t) e il versore cos t normale alla superficie N( γ(t)) = 5 sin t lungo γ non sono nemmeno collineari. Per cui la curvatura e la curvatura normale di γ sono necessariamente diverse: k(t) k N (t) = 5. Esempio.. (Sella) Sia f: IR IR la funzione f(u, v) = u v. Il grafico di f è la superficie data da u v u v Il grafico della funzione f(u, v) = u v. Al variare di u, v IR, il piano tangente è un piano passante per S(u, v) e parallelo ai vettori il versore normale è dato da S u (u, v) = N(u, v) =, S v (u, v) = u v u v + 4u + 4v I coefficienti della prima e della seconda forma fondamentale di S sono dati rispettivamente da E = S u S u = + 4u, F = S u S v = 4uv, G = S v S v = + 4v ; e = N S uu = + 4u + 4v, f = N S uv =, N S vv = + 4u + 4v. La curvatura media e la curvatura gaussiana di S sono date rispettivamente da H = ; 8(v u ) ( + 4u + 4v ) 3/, K = 4 ( + 4u + 4v ). 4

Poiché la curvatura gaussiana è negativa in ogni punto, tutti i punti di S sono iperbolici: fra tutte le curve su S passanti per uno stesso punto P, ce ne è con curvatura normale minima (negativa), una con curvatura normale massima (positiva) e ci sono due tangenti asintotiche distinte con curvatura normale nulla. Prendiamo ad esempio il punto P = S. Si vede facilmente che le curve γ (t) = t t e γ (t) = t, su S passanti per P, hanno la concavità rivolta l una opposta all altra. Il piano tangente ad t S in P è il piano orizzontale z =. La superficie non sta tutta dalla stessa parte di tale piano. L intersezione di S con tale piano è formata dalle due rette tangenti asintotiche ad S in P. t t e t t che giacciono sulla superficie e sono proprio le Il piano tangente alla sella nel punto S(, ). Esempio. 3. (Sella cubica) Sia f: IR IR la funzione f(u, v) = u + v 3. Il grafico di f è la superficie data da u v u + v 3 5

Il grafico della funzione f(u, v) = u + v 3 e il piano tangente alla superficie in S(, ). Ci limitiamo ad considerare il punto P = S. Con calcoli analoghi a quelli dei casi precedenti, troviamo che in P il piano tangente ad S è il piano orizzontale z = e la seconda forma quadratica fondamentale è data da e =, f = g =, K =. Il punto P è parabolico: tutte le curve su S passanti per P hanno curvatura normale non negativa e c è un unica tangente asintotica in P. In altre parole, tutte le altre sezioni normali di S in P, hanno curvatura normale positiva in P. La curva γ (t) = t è l unica sezione normale in P (data dall intersezione di S t 3 con il piano verticale x = ) con curvatura normale nulla in P. Come si vede dalla figura, in questo caso, nessun intorno di P in S sta tutto dalla stessa parte del piano tangente ad S in P. Esempio. 4. Sia f: IR IR la funzione f(u, v) = u. Il grafico di f è la superficie data da S(u, v) = u v u Il grafico della funzione f(u, v) = u e il piano tangente alla superficie in S(, ). 6

Come nell esempio precedente, il punto P = S è un punto parabolico. Il piano tangente ad S in { x = P, che è il piano orizzontale z =, aderisce alla superficie lungo tutta la retta (l asse y) che risulta z = una tangente asintotica in P. Tutte le altre curve per P hanno invece curvatura normale dello stesso segno, avendo la concavità rivolta dalla stessa parte. Esempio. 5. (Sella di scimmia) Sia f: IR IR la funzione f(u, v) = u 3 + uv. Il grafico di f è la superficie data da u v. u 3 uv Il grafico della funzione f(u, v) = u 3 + uv e il piano tangente alla superficie in S(, ). Anche in questo caso, ci limitiamo ad considerare il punto P = S. Con calcoli analoghi a quelli dei casi precedenti, troviamo che in P troviamo che in P il piano tangente ad S è il piano orizzontale z = e la seconda forma quadratica fondamentale è data da e =, f = g =, K =. Il punto P è planare: tutte le curve su S, passanti per P, hanno curvatura normale nulla in P. Tra esse ci sono le tre rette u =, u + 3v =, u 3v =, intersezione di S con il piano tangente ad S in P. Anche in questo caso, nessun intorno di P in S sta tutto dalla stessa parte di tale piano. Esempio. 6. (Paraboloide quartico) Sia f: IR IR la funzione f(u, v) = u 4 + v 4. Il grafico di f è la superficie data da u v u 4 + v 4 7

Il grafico della funzione f(u, v) = u 4 + v 4 e il piano tangente alla superficie in S(, ). Come nell esempio precedente, il punto P = S è un punto planare. Tutte le curve su S passanti per P hanno curvatura normale nulle. In questo caso però, la superficie sta tutta dalla stessa parte dello spazio tangente ad S in P. 8