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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。

0θ<2π,0απ0 \leq \theta < 2\pi ,0 \leq \alpha \leq \pi 範囲にある実数 θ\theta, α\alpha に対して, 3 次元直交座標系 xyzxyz における点 P(cosθ,sinθ,1)P(\cos\theta,\sin\theta,1) と点 Q(cos(θ+α),sin(θ+α),1)Q(\cos(\theta + \alpha),\sin(\theta + \alpha),-1) の 2 点を通る直線 LL を考える。

I.

直線 LL を, 媒介変数 tt の一次式として表せ。ただし, t=0t = 0 の時に点 QQ を, t=1t = 1 の時に点 PP を表すように定めよ。

II.

θ\theta0θ<2π0 \leq \theta < 2\pi の範囲で変化させたときに直線 LL が描く曲面 SSx,y,zx,y,z の方程式として求めよ。また, 曲面 SSと平面 y=0y=0 の交線を CC とする。CCx,zx,z の方程式として求め, その概形を図示せよ。

次に, 曲面 SS のガウス曲率を考える。一般に曲面上の点 RR の位置ベクトル rr が媒介変数 u,vu,v を用いて,

r(u,v)=(x(u,v),y(u,v),z(u,v))\begin{align} r(u,v) = (x(u,v),y(u,v),z(u,v)) \end{align}

で与えられるとき, ガウス曲率 KK は次式のように表される。

K=(ruue)(rvve)(ruve)2(ruru)(rvrv)(rurv)2\begin{align} K = \frac{(r_{uu}\cdot e)(r_{vv}\cdot e) - (r_{uv} \cdot e)^2}{(r_{u}\cdot r_{u})(r_{v}\cdot r_{v})- (r_{u} \cdot r_{v})^2} \end{align}

ここで, ru,rvr_{u},r_{v}ruu,ruv,rvvr_{uu},r_{uv},r_{vv} は媒介変数 u,vu,v に関する r(u,v)r(u,v) の一階偏微分, 二階偏微分を表している。また, (ab)\big( a \cdot b \big) は 3 次元ベクトル a,ba,b の内積, ee は点 RR における法線方向の単位ベクトルを表している。

III.

曲面 SSxx 軸の交点のうち領域 x>0x>0 にあるものを点 WW とする。0α<π0 \leq \alpha < \pi を満たす α\alpha に対し, 点 WW における曲面 SS のガウス曲率を計算せよ。

IV.

0α<π0 \leq \alpha < \pi を満たす α\alpha に対し, 曲面 SS の任意の点においてガウス曲率が 00 以下であることを示せ。

题目描述

0θ<2π0\le\theta<2\pi0απ0\le\alpha\le\pi,在三维直角坐标系中取

P=(cosθ,sinθ,1),Q=(cos(θ+α),sin(θ+α),1),P=(\cos\theta,\sin\theta,1),\qquad Q=(\cos(\theta+\alpha),\sin(\theta+\alpha),-1),

并令直线 LL 经过 P,QP,Q

  1. 用参数 tt 的一次式表示 LL,要求 t=0t=0 对应 QQt=1t=1 对应 PP
  2. 固定 α\alpha、令 θ\theta 遍历 [0,2π)[0,2\pi),求这些直线扫成的曲面 SSx,y,zx,y,z 方程。再求 SS 与平面 y=0y=0 的交线 CCx,zx,z 平面中的方程,并画出概形。
  3. 采用题中给出的参数曲面高斯曲率公式。对 0α<π0\le\alpha<\pi,取 SS 与正 xx 轴的交点 WW,计算 WW 处的高斯曲率。
  4. 0α<π0\le\alpha<\pi,证明曲面 SS 任意点处的高斯曲率均不大于 00

Kai

I

r=(1t)Q+tP\boldsymbol r=(1-t)Q+tP より、

x=(1t)cos(θ+α)+tcosθ,y=(1t)sin(θ+α)+tsinθ,z=2t1,tR.\boxed{\begin{aligned} x&=(1-t)\cos(\theta+\alpha)+t\cos\theta,\\ y&=(1-t)\sin(\theta+\alpha)+t\sin\theta,\\ z&=2t-1,\qquad t\in\mathbb R. \end{aligned}}

II

x2+y2=(1t)2+t2+2t(1t)cosαx^2+y^2=(1-t)^2+t^2+2t(1-t)\cos\alphat=(z+1)/2t=(z+1)/2 を代入すると、

S: x2+y2sin2α2z2=cos2α2.\boxed{S:\ x^2+y^2-\sin^2\frac\alpha2\,z^2=\cos^2\frac\alpha2.}

固定した ttθ\theta 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=0y=0 とおいて

C: x2sin2α2z2=cos2α2.\boxed{C:\ x^2-\sin^2\frac\alpha2\,z^2=\cos^2\frac\alpha2.}

α=0\alpha=0 では x=±1x=\pm10<α<π0<\alpha<\pi では頂点 (x,z)=(±cos(α/2),0)(x,z)=(\pm\cos(\alpha/2),0)、漸近線 z=±x/sin(α/2)z=\pm x/\sin(\alpha/2) を持つ双曲線、α=π\alpha=\pi では z=±xz=\pm x となる。

三つの場合の断面C

III

a=cos(α/2)>0,b=sin(α/2)a=\cos(\alpha/2)>0,b=\sin(\alpha/2) とおくと W=(a,0,0)W=(a,0,0)。曲面の方程式より単位法線は e=(1,0,0)\boldsymbol e=(1,0,0) と取れる。

WW に対応するパラメータは t=1/2,θ=α/2(mod2π)t=1/2,\theta=-\alpha/2\pmod{2\pi} であり、そこで

rθ=(0,a,0),rt=(0,2b,2),rθte=2b,rtt=0.\boldsymbol r_\theta=(0,a,0),\qquad \boldsymbol r_t=(0,-2b,2),\qquad \boldsymbol r_{\theta t}\cdot\boldsymbol e=2b,\qquad \boldsymbol r_{tt}=0.

したがって曲率公式から

K(W)=4b2a2(4b2+4)4a2b2=b2a2=tan2α2.\boxed{K(W)=\frac{-4b^2}{a^2(4b^2+4)-4a^2b^2} =-\frac{b^2}{a^2}=-\tan^2\frac\alpha2.}

IV

すべての点で rtt=0\boldsymbol r_{tt}=0 なので、曲率公式の分子は (rθte)20-(\boldsymbol r_{\theta t}\cdot\boldsymbol e)^2\le0。一方、分母は

D=(rθrθ)(rtrt)(rθrt)2=(62cosα)(22cosα)(t1/2)2+2(1+cosα)>0\begin{aligned} D&=(\boldsymbol r_\theta\cdot\boldsymbol r_\theta) (\boldsymbol r_t\cdot\boldsymbol r_t)-(\boldsymbol r_\theta\cdot\boldsymbol r_t)^2\\ &=(6-2\cos\alpha)(2-2\cos\alpha)(t-1/2)^2+2(1+\cos\alpha)>0 \end{aligned}

である(0α<π0\le\alpha<\pi)。よって K0\boxed{K\le0}