東京大学 工学系研究科 2016年8月実施 数学 第4問
Author
祭音Myyura
Description
出典:公式2017年度数学試験、第4問。
0≤θ<2π,0≤α≤π 範囲にある実数 θ, α に対して, 3 次元直交座標系 xyz における点 P(cosθ,sinθ,1) と点 Q(cos(θ+α),sin(θ+α),−1) の 2 点を通る直線 L を考える。
直線 L を, 媒介変数 t の一次式として表せ。ただし, t=0 の時に点 Q を, t=1 の時に点 P を表すように定めよ。
II.
θ を 0≤θ<2π の範囲で変化させたときに直線 L が描く曲面 S を x,y,z の方程式として求めよ。また, 曲面 Sと平面 y=0 の交線を C とする。C を x,z の方程式として求め, その概形を図示せよ。
次に, 曲面 S のガウス曲率を考える。一般に曲面上の点 R の位置ベクトル r が媒介変数 u,v を用いて,
r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))
で与えられるとき, ガウス曲率 K は次式のように表される。
K=(ru⋅ru)(rv⋅rv)−(ru⋅rv)2(ruu⋅e)(rvv⋅e)−(ruv⋅e)2
ここで, ru,rvとruu,ruv,rvv は媒介変数 u,v に関する r(u,v) の一階偏微分, 二階偏微分を表している。また, (a⋅b) は 3 次元ベクトル a,b の内積, e は点 R における法線方向の単位ベクトルを表している。
III.
曲面 S と x 軸の交点のうち領域 x>0 にあるものを点 W とする。0≤α<π を満たす α に対し, 点 W における曲面 S のガウス曲率を計算せよ。
IV.
0≤α<π を満たす α に対し, 曲面 S の任意の点においてガウス曲率が 0 以下であることを示せ。
题目描述
对 0≤θ<2π、0≤α≤π,在三维直角坐标系中取
P=(cosθ,sinθ,1),Q=(cos(θ+α),sin(θ+α),−1),
并令直线 L 经过 P,Q。
- 用参数 t 的一次式表示 L,要求 t=0 对应 Q、t=1 对应 P。
- 固定 α、令 θ 遍历 [0,2π),求这些直线扫成的曲面 S 的 x,y,z 方程。再求 S 与平面 y=0 的交线 C 在 x,z 平面中的方程,并画出概形。
- 采用题中给出的参数曲面高斯曲率公式。对 0≤α<π,取 S 与正 x 轴的交点 W,计算 W 处的高斯曲率。
- 对 0≤α<π,证明曲面 S 任意点处的高斯曲率均不大于 0。
Kai
r=(1−t)Q+tP より、
xyz=(1−t)cos(θ+α)+tcosθ,=(1−t)sin(θ+α)+tsinθ,=2t−1,t∈R.
x2+y2=(1−t)2+t2+2t(1−t)cosα に t=(z+1)/2 を代入すると、
S: x2+y2−sin22αz2=cos22α.
固定した t で θ を一周させると対応する円周全体が得られるため、これは求める曲面そのものである。y=0 とおいて
C: x2−sin22αz2=cos22α.
α=0 では x=±1、0<α<π では頂点 (x,z)=(±cos(α/2),0)、漸近線 z=±x/sin(α/2) を持つ双曲線、α=π では z=±x となる。

III
a=cos(α/2)>0,b=sin(α/2) とおくと W=(a,0,0)。曲面の方程式より単位法線は e=(1,0,0) と取れる。
W に対応するパラメータは t=1/2,θ=−α/2(mod2π) であり、そこで
rθ=(0,a,0),rt=(0,−2b,2),rθt⋅e=2b,rtt=0.
したがって曲率公式から
K(W)=a2(4b2+4)−4a2b2−4b2=−a2b2=−tan22α.
すべての点で rtt=0 なので、曲率公式の分子は −(rθt⋅e)2≤0。一方、分母は
D=(rθ⋅rθ)(rt⋅rt)−(rθ⋅rt)2=(6−2cosα)(2−2cosα)(t−1/2)2+2(1+cosα)>0
である(0≤α<π)。よって K≤0。