a primeira e a segunda formas fundamentais no pseudo-

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1 A PRIMEIRA E A SEGUNDA FORMAS FUNDAMENTAIS NO PSEUDO- ESPAÇO DE LORENTZ MINKOWSKI E SUAS RELAÇÕES COM O ESPAÇO EUCLIDIANO. Silva, Ismael Teixeira (Ms) (1) Guadalupe, Irwen Valle (Dr.) (2) RESUMO Este trabalho tem por objetivo tecer comparações entre o cálculo da primeira e segunda forma fundamentais para superfícies no espaço tridimensional Euclidiano – R 3 , e no pseudo-espaço tridimensional de Lorentz-Minkowski – L 3 . Palavras-chave Aplicação de Gauss , Formas fundamentais, Geometria diferencial, Lorentz-Minkowski. ABSTRACT The aim of this work is to compare the calculation between the first and second fundamental forms for the surfaces in the Euclidian tridimensional space – R 3 , and in the tridimensional pseudo-space of Lorentz-Minkowski – L 3 . Keywords Differential geometry, Fundamental forms, Gauss Map, Lorentz-Minkowski. ___________________________________________ (1) Docente do Centro Universitário de Lavras – Unilavras. Mestre em Matemática e Estatística pela Universidade Vale do Rio Verde – Unincor. Contato: [email protected] (2) Professor orientador. Universidade Vale do Rio Verde – Unincor. Doutor (Livre Docente) em Matemática pela Universidade Estadual de Campinas – Unicamp. Contato: [email protected], [email protected].

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Artigo extraído de tese de mestrado sobre as 1a. e 2a. formas fundamentais das superfícies máximas no pseudo-espaço de Lorentz-Minkowski e suas relações com as superfícies mínimas no espaço euclidiano.

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Page 1: A PRIMEIRA E A SEGUNDA FORMAS FUNDAMENTAIS NO PSEUDO-

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A PRIMEIRA E A SEGUNDA FORMAS FUNDAMENTAIS NO PSEUDO-

ESPAÇO DE LORENTZ MINKOWSKI E SUAS RELAÇÕES COM O

ESPAÇO EUCLIDIANO.

Silva, Ismael Teixeira (Ms)(1)

Guadalupe, Irwen Valle (Dr.)(2)

RESUMO

Este trabalho tem por objetivo tecer comparações entre o cálculo da primeira e segunda forma

fundamentais para superfícies no espaço tridimensional Euclidiano – R3, e no pseudo-espaço

tridimensional de Lorentz-Minkowski – L3.

Palavras-chave

Aplicação de Gauss , Formas fundamentais, Geometria diferencial, Lorentz-Minkowski.

ABSTRACT

The aim of this work is to compare the calculation between the first and second fundamental

forms for the surfaces in the Euclidian tridimensional space – R3, and in the tridimensional

pseudo-space of Lorentz-Minkowski – L3.

Keywords

Differential geometry, Fundamental forms, Gauss Map, Lorentz-Minkowski.

___________________________________________(1) Docente do Centro Universitário de Lavras – Unilavras. Mestre em Matemática e Estatística pela Universidade Vale do Rio

Verde – Unincor. Contato: [email protected](2) Professor orientador. Universidade Vale do Rio Verde – Unincor. Doutor (Livre Docente) em Matemática pela Universidade

Estadual de Campinas – Unicamp. Contato: [email protected], [email protected].

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1 INTRODUÇÃO

Este trabalho tem por objetivo fazer um estudo comparativo da primeira e segunda formas

fundamentais no espaço tridimensional euclidiano, R3 e no pseudo-espaço tridimensional de

Lorentz-Minkowski, L3. Este último tem sua importância nas aplicações em Física, onde sua

maior expressão é na Teoria da Relatividade Especial de Albert Einstein, onde é mais comumente

formulada. Nessa configuração as três dimensões usuais do espaço são combinadas com uma

única dimensão de tempo para formar uma variedade quadridimensional para representar um

espaço-tempo.

Após definir o pseudo-espaço de Lorentz-Minkowski e apresentar vários conceitos

importantes utilizados na geometria diferencial e a plicação normal de Gauss são determinados os

coeficientes da primeira e segunda formas fundamentais e sua aplicação na geometria de

superfícies em R3 e em L3.

2 O ESPAÇO TRIDIMENSIONAL DE LORENTZ-MINKOWSKI – L3

Definição: Seja R3 = {(x1, x2, x3) | x1, x2, x3 Î R}, o espaço real tridimensional. Dados os

vetores x = (x1, x2, x3) e y = (y1, y2, y3) em R3, definimos o pseudo-produto

escalar de x e y por:

áx, yñ1 = – x1y1 + x2y2 + x3y3.

Milani, Shojaeifard (2006) apresentam o pseudo-produto escalar em L3 como áx, yñ1 =

x1y1 + x2y2 – x3y3, porém, a mudança de posição do sinal (–) em nada modifica a geometria das

superfícies geradas nesta métrica.

Chamaremos (R3, áx, yñ1) de pseudo-espaço tridimensional de Lorentz-Minkowski e

escreveremos L3 = R31 para denotar (R3, áx, yñ1 ).

Como o pseudo-produto escalar pode ser positivo, negativo ou nulo, este não pode ser,

portanto, um produto interno.

Seja v = (v1, v2, v3) Î L3. A forma quadrática áv, vñ1 define, segundo Walrave (1995), o

vetor como sendo tipo espaço, tempo ou luz.

Definição: Seja v um vetor em um espaço L3. Dizemos que v é:

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a) Tipo espaço (spacelike), se áv, vñ1 > 0.

Exemplo: v = (2, 3, 1)

áv, vñ1 = –22 + 32 + 12 = 6 > 0.

b) Tipo luz (lightlike), se áv, vñ1 = 0.

Exemplo: v = (5, 3, 4)

áv, vñ1 = –52 + 32 + 42 = 0.

c) Tipo tempo (timelike), se áv, vñ1 < 0.

Exemplo: v = (3, 2, 2)

áv, vñ1 = –32 + 22 + 22 = –1 < 0.

O índice 1 em á,ñ1 indica um sinal negativo na assinatura da métrica, ou seja, enquanto a

assinatura da métrica em R3 é (+, +, +), a assinatura de L3 é (–, +, +), para garantir dois vetores

ortogonais tipo espaço e um vetor tipo tempo ortogonal aos dois primeiros na base ortonormal de

L3.

2.1 Norma e base ortonormal

Definição: Se v = (v1, v2, v3) Î L3, definimos a norma de v por:

Dois vetores u e v em L3 são ortogonais se áv, vñ1 = 0 e um vetor u em L3 que verifica áu,

uñ1 = ±1 é chamado de vetor unitário.

Definição: Uma base {v1, v2, v3} em L3 é chamada de base ortonormal se os vetores v1, v2

e v3 são mutuamente ortogonais.

Corolário: Se v é um vetor tipo tempo em L3 e u ¹ 0 é ortogonal a v, então u é um vetor

tipo espaço.

2.2 O produto vetorial no espaço L3.

Definição: Seja u, v Î L3, define-se o produto vetorial de u = (u1, u2, u3) e v = (v1, v2, v3),

nesta ordem, como sendo o único vetor u Ù v Î L3 definido por:

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Onde {e1, e2, e3} é uma base ortonormal de L3.

Por analogia às propriedades do produto vetorial em R3 definidas em Steinbruch, Winterle

(1987), o produto vetorial em L3 verifica:

i. u Ù v = – (v Ù u), u, v Î L3.

ii. (au + bv) Ù w = (au Ù w) + (bv Ù w), a, b Î R.

iii. u Ù v = 0 se, e somente se u, v são linearmente dependentes.

iv. (u Ù v) Ù w = áv, wñ u – áu, wñ v

2.3 O produto misto no espaço L3.

Rodrigues (2006) demonstra que o produto misto de três vetores u, v, w Î L3, onde u =

(u1, u2, u3), v = (v1, v2, v3) e w = (w1, w2, w3) é dado por:

i. áu, u Ù vñ1 = áv, u Ù vñ1 = 0

ii.

3 GEOMETRIA DIFERENCIAL DE SUPERFÍCIES TIPO ESPAÇO EM L3.

Definição: Gray (1999) afirma que uma superfície regular é uma aplicação X : U Ì R2 ®

M (M = R3 ou M = L3) de um conjunto aberto U Ì R2 para M tal que:

i. X é diferenciável, isto é, se escrevermos X(u,v) = (x(u,v), y(u,v), z(u,v)), (u,v) Ì U, as

funções x(u,v), y(u,v), z(u,v) possuem derivadas parciais contínuas de todas as ordens em

U.

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ii. Para cada ponto q Î U a diferencial dX(q) : R2 ® M é um-a-um (condição de

regularidade).

A aplicação X é chamada parametrização e as variáveis u e v são chamadas de parâmetros

da superfície X. O conjunto imagem S = X(u,v) Ì M é chamado traço de X.

Definição: Seja X : U Ì R2 ® M uma superfície parametrizada, então, fixando-se q = (u0,

v0) Î U, as curvas

u ® X(u, v0) e v ® X(u0, v)

são chamadas curvas coordenadas de X em q (FIGURA 1).

Esta curva tem em X(q) o vetor tangente ¶X/¶u = Xu, onde as derivadas são calculadas no

ponto q = (u0, v0).

FIGURA 1 CURVAS COORDENADAS DE UMA SUPERFÍCIE REGULAR EM M.

3.1 O Plano tangente

Definição: Seja X : U Ì R2 ® M uma superfície parametrizada. Um vetor w Î M é

chamado vetor tangente a X em q = (u0, v0) se w = a’(t0), onde a(t) = X(u(t),

v(t)) é uma curva da superfície, tal que (u(t0), v(t0)) = (u0, v0).

Definição: O plano tangente a X em q = (u0, v0) é o conjunto de todos os vetores tangentes

a X em q, obtidos como combinação linear de Xu(u0, v0) e Xv(u0, v0), denotado

por TqX (FIGURA 2).

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FIGURA 2 PLANO TANGENTE A X EM Q = (U0, V0) Î X(U).

Definição: Uma superfície X : U Ì R2 ® M é chamada superfície tipo espaço se o plano

tangente em todo ponto é tipo espaço, isto é, áv, vñ1 > 0 para cada v Î TqX.

Observação: Toda superfície clássica em R3 com a métrica euclidiana é tipo espaço.

3.2 O vetor normal unitário

Seja X : U Ì R2 ® M uma superfície tipo espaço. Se Xu e Xv são vetores tipo espaço do

plano tangente TqX, então existe uma única direção normal a este plano e portanto existem dois

vetores unitários normais a X em q como sendo o vetor

Se o domínio da superfície X é um aberto U Ì R2 então, variando (u, v) Î U, temos uma

aplicação diferenciável N : U® M, denominada aplicação normal de Gauss, definida por

Se M = R3, a imagem de N(u, v) está contida na esfera unitária S2(1), centrada na origem.

Por outro lado, se M = L3, temos que áXu Ù Xv, Xuñ1 = áXu Ù Xv, Xvñ1 = 0, e assim, Xu Ù

Xv, por definição anterior, é um vetor tipo tempo. O vetor normal à superfície é perpendicular ao

plano tangente, Por conseqüência, o vetor normal unitário N(q) é um vetor tipo tempo de L3 cuja

imagem está contida no pseudo-espaço hiperbólico definido por:

H2(–1) = {(x, y, z) Î L3; –x2 + y2 + z2 = –1, x > 0}.

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3.3 A primeira forma fundamental

Definição: Seja X : U Ì R2 ® M uma superfície tipo espaço. A forma quadrática Iq : TqX

® R dada por

v ® Iq = áv, vñ = || v ||2 > 0

v Î TqX é chamada primeira forma fundamental da superfície regular X Ì M em q Î X,

denotada por Iq.

Expressa-se a primeira forma fundamental na base {Xu,Xv} associada à parametrização

X(u,v) em q=(u0, v0).Visto que um vetor tangente α(t)=X(u(t),v(t)), t Î I = (–x, x), com

q=(u0,v0), temos:

Iq=áα’(t₀), α’(t₀)ñq

Iq = áXuu’+Xvv’, Xuu’ + Xvv’ñq

Iq = áXu, Xuñq (u’)2 + 2áXu, Xvñq u’v’ + áXv, Xvñq (v’)2

Iq = E(u’)2 + 2Fu’v’ + G(v’)2

onde,

E(u0, v0) = áXu, Xuñq

F(u0, v0) = áXu, Xvñq

G(u0, v0) = áXv, Xvñq

são os coeficientes da primeira forma fundamental.

De outra forma, seja v Î Tq tal que v = aXu(q) + bXv(q), onde a, b, Î R. Logo,

Iq=áv, vñq = áaXu(q) + bXv(q), aXu(q) + bXv(q)ñq

Iq = a2áXu, Xuñq + 2abáXu, Xvñq + b2áXv, Xvñ

Iq = a2 Eq + 2abFq + b2G

em que E, F e G, coeficientes da primeira forma fundamental, são funções das variáveis u e v e

possuem, de acordo com Tenenblat(1990), as seguintes propriedades:

E(u, v) > 0 e G(u, v) > 0, para todo (u, v), pois os vetores tangentes Xu e Xv são não nulos.

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i. E(u, v) G(u, v) – F2 (u, v) > 0.

De fato, como

|| Xu Ù Xv ||2 + áXu, Xvñ2 = || Xu ||2 || Xv ||2, temos que

EG – F2 = || Xu ||2 || Xv ||2 – áXu, Xvñ2 = || Xu Ù Xv ||2 > 0

Se M = L3, aplicando a propriedade (ii) do produto misto em L3, temos:

áu Ù v, u Ù v ñ = áXu, Xvñ2 – áXu, XuñáXv, Xvñ = F2 – EG

Porém, como Xux Xv é tipo tempo, temos:

–(áXu, Xvñ2 – áXu, XuñáXv, Xvñ) = áXu, Xvñ2 – áXu, XuñáXv, Xvñ = EG – F2 > 0.

Logo, para qualquer superfície tipo espaço em M = R3 ou M = L3, a forma quadrática

EG – F2 = || Xu Ù Xv ||2 > 0.

Caso EG – F2 £ 0, a superfície não é tipo espaço e é denominada superfície Lorentziana

(VAN DE WOESTIJNE, 1990).

Geometricamente, a primeira forma fundamental se apresenta como ferramenta para se

calcular medidas sobre a superfície – comprimento de curvas, ângulos de vetores tangentes e

áreas de regiões – sem fazer menção ao espaço ambiente que esta se encontra (TENENBLAT,

1990).

4 APLICAÇÃO NORMAL DE GAUSS E A SEGUNDA FORMA FUNDAMENTAL

Definição: Seja X : U Ì R2 ® M (M = R3 ou M = L3) uma superfície tipo espaço de M. O

sinal e da superfície X é:

+1, se áN, Nñ = 1

–1, se áN, Nñ = –1

4.1 A geometria da aplicação normal de Gauss

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Definição: Seja X(u, v) uma superfície tipo espaço de M (M = R3 ou M = L3) orientada

pelo vetor unitário normal N. Se X(u, v) tem sinal e, isto é, sinaláN, Nñ = e, as

superfícies X(u, v) são dadas por:

X(u, v) = S2(1), se e = 1

X(u, v) = H2(–1), se e = –1

onde S2(1) é a esfera unitária e H2(–1) o pseudo-espaço hiperbólico.

A aplicação N : U Ì R2 ® M é chamada aplicação normal de Gauss de X(u, v), onde a

diferencial dNq de N em q Î U é uma aplicação linear de TqX em TN(q)M. Como TqX e TN(q)M

são os mesmos espaços vetoriais, dNq pode ser obtida como uma aplicação linear.

A diferencial dNq = TqX ® TqX da aplicação de Gauss é uma aplicação linear auto-

adjunta, em particular, dNq(xu) = Nu e dNq(xv) = Nv. Logo,

áNu, xvñ = áxu, Nuñ

o que equivale a dizer que

áNu, xvñ = –áN, xuvñ = áNv xuñ

O fato de dNq : TqX ® TqX ser uma aplicação linear auto-adjunta nos permite associar a

dNq uma forma quadrática Q em TqX dada por Q(v) = ádNq(v), vñ, v Î TqX.

Definição: A forma quadrática

IIq = á–dNq(v), vñ

É chamada segunda forma fundamental da superfície tipo espaço X(u, v) em

q.

Seja X(u, v) uma parametrização em um ponto q Î U de uma superfície tipo espaço X, e

seja a curva a(t) = X(u(t), v(t)) uma curva parametrizada em X, com q = (u(0), v(0)). Para

simplificar a notação, convecionaremos que todas as funções que aparecem abaixo indicam seus

valores no ponto q.

O vetor tangente a α(t) em q é α’=Xuu’ + Xvv’ e dN(α’) = N’(u(t), v(t)) = Nuu’+ Nvv’.

Portanto, a expressão da segunda forma fundamental na base {Xu ,Xv} é dada por:

IIq(α’) = á–dN(α’),α’ñ = –ádN(α’),α’ñ

IIq(α’) = –áNuu’+ Nvv’, Xuu’+ Xvv’ñ

IIq(α’) = áNu, Xuñ(u’)2 + (áNu, Xvñ + áNv, Xuñ)u’v’ + áNv, Xvñ(v’)2

Sendo áN, Xuñ = áN, Xvñ = 0, temos:

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e = –áNu, Xuñ = áN, Xuuñ

f = –áNu, Xvñ = áN, Xuvñ = áN, Xvuñ = –áNv, Xuñ

g = –áNv, Xvñ = áN, Xvvñ

portanto, obtemos:

IIq(α′)=e(u’)2 + 2fu’v’ + g(v’)2

onde e, f e g são chamados de coeficientes da segunda forma fundamental da superfície

parametrizada X(u,v).

De modo mais simples, pode-se escrever os coeficientes da segunda forma

fundamental em função de outros parâmetros:

e = –áNu, Xuñ = áN, Xuuñ

mas, se || Xu Ù Xv ||2 = EG – F2, temos que:

Verifica-se que a segunda forma fundamental independe da curva escolhida.

Seja v = aXu(u0, v0) + bXv(u0, v0), e considere uma curva qualquer a(t) = X(u(t), v(t)) Ì

X(u, v) tal que q = (u(t0), v(t0)) e a’(t) = v, isto é, (u(t0), v(t0)) = (u0, v0) = (u’(t0), v’(t0)) = (a, b).

Como

a’(t) = u’(t)Xu(u(t), v(t)) + v’(t)Xv(u(t), v(t)) e

a”(t) = u”(t)Xu(u(t), v(t)) + (u’(t)2Xuu(u(t), v(t)) + 2u’(t)v’(t)Xuv(u(t), v(t)) + (v’(t)2Xvv(u(t)) +

v”(t)Xv(u(t), v(t)),

temos que

IIq = áa”(t0), N(uo, v0)ñ

IIq = (a2áXuu, Nñ + 2abáXuv, Nñ + b2áXvv, Nñ)

onde esta última expressão não depende da curva a(t).

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Utilizando-se as expressões dos coeficientes e, f e g retro-mencionadas, podemos

escrever:

IIq = a2e + 2abf + b2g

4.2 Exemplos de aplicações

A) O catenóide em R3

A superfície obtida pela revolução da curva catenária em torno do eixo Ox, denominada

catenóide (FIGURA 3), pode ser dada em R3, segundo Do Carmo (2005) pela parametrização:

X(u, v) = (u, cosh(u)cos(v), cosh(u)sen(v))

FIGURA 3 CATENÓIDE EM R3 E SUAS PROJEÇÕES.

i) Derivadas de ordem superior:

Xu = (1, –cosh(u)cos(v), senh(u)sen(v))

Xv = (0, –cosh(u)sen(v),cosh(u)cos(v))

Xuu = (0, cosh(u)cos(v), cosh(u)sen(v))

Xvv = (0, –cosh(u)cos(v), –cosh(u)sen(v))

Xuv = (0, –senh(u)sen(v),senh(u)cos(v))

ii) I forma fundamental:

E = áXu, Xuñ = 1 + senh2(u)cos2(v) + sinh2(u)sen2(v) = 1 + senh2(u)

E = cosh2(u)

F = áXu, Xvñ = senh(u)cos(v)cosh(u)sen(v) – senh(u)cos(v)cosh(u)sen(v)

Page 12: A PRIMEIRA E A SEGUNDA FORMAS FUNDAMENTAIS NO PSEUDO-

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F = 0

G = áXu, Xuñ = 0 + cosh2(u)sen2(v) + cosh2(u)cos2(v)

G = cosh2(u)

Iq = a2E + 2abF + b2G

Iq = a2 cosh2(u) + 2ab×0 + b2 cosh2(u)

Iq = (a2 + b2) cosh2(u), a,b Î R.

iii) II forma fundamental

EG – F2 = cosh2(u)cosh2(u) – 0 = cosh4(u)

e = –1

f = 0

g = 1

IIq = a2e + 2abf + b2g

IIq = a2(–1) + 2ab×0 + b2×1

IIq = b2 – a2, a,b Î R.

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B) O catenóide em L3

O catenóide de primeiro tipo em L3 (FIGURA 4), também denominado por Yang, Kim

(2006) catenóide elítico, é obtido pela rotação da catenária em torno de um eixo tipo tempo. Pode

ser parametrizado, segundo Van de Woestijne (1990) como:

X(u, v) = (u, –sen(v)senh(u), cos(v)senh(u))

FIGURA 4 CATENÓIDE DE PRIMEIRO TIPO EM L3 E SUAS PROJEÇÕES.

i) Derivadas de ordem superior:

Xu = (1, –sin(v)cosh(u), cos(v)cosh(u))

Xuu = (0, –sin(v)sinh(u), cos(v)sinh(u))

Xv = (0, –sinh(u)cos(v), –sinh(u)sin(v))

Xvv = (0, sinh(u)sin(v), –sinh(u)cos(v))

Xuv = (0, –cosh(u)cos(v), –cosh(u)sin(v))

ii) I forma fundamental:

E = áXu, Xuñ1 = –1 + sen2(v)cosh2(u) + cos2(v)cosh2(u) = –1 + cosh2(u)

E = senh2(u)

F = áXu, Xvñ1 = sen(v)cosh(u)senh(u)cos(v) – sen(v)cosh(u)senh(u)cos(v)

F = 0

G = áXv, Xvñ1 = –0 + senh2(u)cos2(v) + sen2(v)senh2(u)

G = senh2(u)

Iq = a2E + 2abF + b2G

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Iq = a2 si\enh2(u) + 2ab×0 + b2 senh2(u)

Iq = (a2 + b2)senh2(u), a,b Î R.

iii) II forma fundamental

EG – F2 = senh2(u)senh2(u) – 0 = senh4(u)

e = –1

f = 0

g = 1

IIq = a2e + 2abf + b2g

IIq = a2(–1) + 2ab×0 + b2×1

IIq = b2 – a2, a,b Î R.

C) O helicóide em R3

Considere uma hélice cilíndrica dada por a(t) = (acos(t), asen(t), bt), t Î R, a > 0 e b¹0.

Por cada ponto da hélice pode-se traçar uma reta paralela ao plano xy e que intersecta o eixo Oz.

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A superfície gerada por essas retas, que muito se assemelha a uma escada em espiral é

denominada helicóide (FIGURA 5) ou, segundo Picado (2006), um helicóide é a superfície

descrita por uma hélice de avião quando este se move em linha reta com velocidade constante. É

uma superfície regrada obtida pela isometria do catenóide, cuja parametrização pode ser dada

segundo Do Carmo (2005) por:

X(u, v) = (senh(u)cos(v), senh(u)sen(v), v)

FIGURA 5 HELICÓIDE EM R3 E SUAS PROJEÇÕES.

i) I forma fundamental:

E = cosh2(u); F = 0; G = cosh2(u)

Iq = (a2 + b2)cosh2(u), a,b Î R.

Comparando os resultados obtidos acima com aqueles obtidos para o catenóide em R3,

percebe-se que EC = EH = cosh2(u), FC = FH = 0 e GC = GH = cosh2(u), caracterizando, então que

as superfícies são localmente isométricas (FIGURA 6).

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FIGURA 6 DEFORMAÇÃO ISOMÉTRICA DO CATENÓIDE EM HELICÓIDE NA

MÉTRICA R3.

ii) II forma fundamental:

e = 0; f = –1; g = 0

IIq = –2ab, a,b Î R.

D) O helicóide de primeiro tipo em L3

Superfície conjugada ao catenóide de primeiro tipo em L3 (FIGURA 7), o helicóide de

primeiro tipo, ou helicóide elítico é uma superfície regrada cuja parametrização pode ser dada,

segundo Van de Woestijne (1990) por:

X(u, v) = (–v, –cosh(u)cos(v), –cosh(u)sen(v))

FIGURA 7 HELICÓIDE DE PRIMEIRO TIPO EM L3 E SUAS PROJEÇÕES.

i) I forma fundamental

E = s=senh2(u); F = 0; G = senh2(u)

Iq = (a2 + b2)senh2(u), a, b Î R.

Comparando os resultados obtidos para o catenóide e helicóide de primeiro tipo em L3,

percebe-se que a isometria entre o catenóide e o helicóide em L3 também acontece (FIGURA 8).

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FIGURA 8 DEFORMAÇÃO ISOMÉTRICA DO CATENÓIDE DE PRIMEIRO TIPO EM

HELICÓIDE DE PRIMEIRO TIPO EM L3

ii) II forma fundamental

e = 0; f = 1; g = 0

IIq = 2ab, a, b Î R.

5 CONCLUSÃO

A mudança na métrica acarreta uma completa modificação na geometria das superfícies.

Pôde-se perceber que o pseudo-produto escalar em L3 resulta nas modificações significativas da

métrica, o que por sua vez resulta nas diferenças observadas na geometria das superfícies em R3 e

L3.

Dentre as diferenças mais significativas, observa-se que o catenóide em R3 não possui

pontos de singularidade, o que não ocorre com a superfície equivalente em L3 conforme se vê nas

figuras 3 e 4.

Quanto ao helicóide, percebe-se que em R3, este é construído regrando-se a a reta paralela

ao plano xy ao longo do eixo Oz, enquanto que em L3, a reta é regrada entre dois cilindros

concêntricos de diâmetros diferentes, determinando um “furo” no centro da superfície, como se

vê nas figuras 5 e 7.

Uma outra conclusão importante é a manutenção da isometria entre o catenóide e o

helicóide no pseudo-espaço L3, representadas nas figuras 6 e 8.

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Com o desenvolvimento da aplicação normal de Gauss, verificou-se que a forma de

calculá-la não difere de R3 para L3, porém, as diferenças nos coeficientes da primeira e segunda

formas fundamentais, conseqüência da alteração na geometria das superfícies, faz com que

apresentem diferentes resultados que vão refletir diretamente em outras de suas propriedades

geométricas.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

DO CARMO, M. P. Geometria Diferencial de Curvas e Superfícies. 1ª. edição. Rio de

Janeiro: Editora SBM, 2005, 610 p.

GRAY, A. Modern Differential geometry of curves and surfaces with MathematicaÒ. 2nd

edition. New York (USA): CRC Press, 1999, 1053p.

MILANI, V.; SHOJAEIFARD, A. A new classification of surfaces of revolution in 3-

dimensional Minkowski Space. Transaction of the American Mathematical Society. 3-July

2006:1-11, 2006.

PICADO, J. Apontamentos de Geometria Diferencial. Apostila. Coimbra(Pt): Departamento

de Matemática da Universidade de Coimbra, 2003, 192p.

RODRIGUES, A. Geometria Diferencial de Curvas e Superfícies Tipo Espaço em L3. 2006.

71 f. Dissertação (Mestrado em Matemática e Estatística) - Universidade Vale do Rio Verde -

Unincor, Três Corações (MG).

STEINBRUCH, A.; WINTERLE, P. Geometria Analítica. 2ª. edição. São Paulo: Editora Mc

Graw-Hill, 1987, 302 p.

TENENBLAT, K. Introdução à Geometria Diferencial. 1ª. reimpressão. Brasília: Editora

UnB, 1990, 278 p.

Page 19: A PRIMEIRA E A SEGUNDA FORMAS FUNDAMENTAIS NO PSEUDO-

19

WALRAVE, J. Curves and surfaces in Minkowski Space. Thesis (Doctorate). 1995. 112f. K.

U. Leuven (Belgium), Faculteit Der Wetenschappen.

YANG, S.D; KIM, Y.W. A family of maximal surfaces in Lorentz-Minkowski three space.

American Mathematical Society, v. 134, n. 11, p. 3379-3390, November 2006.