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    Batista, Ricardo Alexandre  Tópicos de geometria diferencial / Ricardo AlexandreBatista. - Rio Claro : [s.n.], 2011  91 f. : il., figs.

      Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual Paulista,Instituto de Geociências e Ciências Exatas  Orientador: João Peres Vieira

      1. Geometria diferencial. 2. Aplicação de Gauss. 3.Curvatura gaussiana. 4. Superfícies mínimas. 5. TeoremaEgregium de Gauss. 6. Teorema de Gauss Bonnet. I. Título.

     

    516.36B333t

    Ficha Catalográfica elaborada pela STATI - Biblioteca da UNESPCampus de Rio Claro/SP

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    α :  I  → R3   I  =]a, b[    R     R3  

       

    α   :  I  →  R3

     

    α′(t) ̸= 0  

    t ∈ I  

       α :  I  →  R3  

     

    t0, t1 ∈ I     t0 ≤ t1    α    t0     t1    

    t1 − t0      t1t0

    ∥α′(t)∥ dt =  t1 − t0.

       

    α  :  I  →  R3  

    s ∈ I     ∥α′′(s)∥ =  kα(s)    α     s  

     

    kα(s) ̸= 0    α′′(s) = kα(s)nα(s)    

    nα(s)    α′′(s)

       s

     

    tα(s) =  α′(s)

     

      α  

      s  

    t′α(s) = kα(s)nα(s)

     bα(s) = tα(s) ∧ nα(s)    s

       α  :  I  →  R3  

    s  

      α′′(s) ̸= 0, s

     ∈ I 

       τ α(s)    b

    α

    (s) = τ α(s)nα(s)  

     

    α  

      s 

     

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      k(s), s ∈   I  ⊂   R    α(s)    

    s  

      k(s) 

     

    α(s)  

      α(s0) = p0     α′(s0) = v0    v0  

     R

     α(s)

       β (s)

     

     L

       T 

       R

    2  

    α(s) = (L ◦ T )(β (s))

       

     

    R3

     

       S  ⊂ R3    p ∈ S  

     

    V   

      p    R

    3  

    χ :  U  →  V  ∩ S   

      U 

     R

    3  

    V  ∩ S   

      χ  

     

    χ  

     

    q ∈U   

      dχq   : R2→R3

     

       χ

     

     

     p  

      V  ∩  S   

      p  

      S   

     

         

     p

     ∈ S 

     

      S   

     p

       

    S   

      p ∈   S   

     

    α′(t0)    α   ]a, b[ →   S  ⊂  R3  α(t0) = p  

     

     

     V 

       W 

       T   : V  → W   

     

    V   

      T   

      T   

      T   = {

    v ∈

     V   :T (v) = 0}

     

      T   

      T   = T (V ) = {T (v) : v ∈ V } ⊂ W   

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       χ :  U  ⊂ R2 → S   

    S   

      q  ∈ U   

      dχq(R2) ⊂ R3

     

    2  

      p =  χ(q ) 

       

    S   

    dχq   : R2

    →R

    3  

    dχq    R2

     

     

    dχq(R2)

     

      dχq(R2)

       

    S   

      p  

     T  pS     dχq(R

    2)  

      p =  χ(q ) 

       

    χ :  U ⊂R2→S   

      S 

     

    q  ∈ U   

      T  pS     χu(q )     χv(q )    p =  χ(q )  

       

    dχq  : R2 → R3

     

    (a, b) →

    ∂x∂u

    (q )   ∂x∂v

    (q )∂y∂u

    (q )   ∂y∂v

    (q )

    ∂z∂u (q )   ∂z∂v (q )

      a

    b    

    χu(q ) =

      ∂x∂u

    (q ),   ∂y∂u

    (q ),   ∂z∂u

    (q )

     

      χv(q ) =

      ∂x∂v

    (q ),   ∂y∂v

    (q ),   ∂z∂v

    (q )

     

    dχq

      {e1, e2}    R2   χu(q ) = dχq(e1)     χv(q ) = dχq(e2)    

    dχq(R2)

       {χu(q ), χv(q )}    T  pS  = dχq(R2)

       

     

     χ :  U  ⊂  R2 → S     S   

      p ∈ χ(U ) ⊂ S     N ( p) =

    χu∧χv∥χu∧χv∥   (q )    χ(q ) = p     χu ∧ χv    χu     χv

     N   :   χ(U ) →   R3  

     p ∈ χ(U )  

      N ( p)

     

       V  ⊂ S     S      N   : V  → R3  

     

    v ∈ V   

      v  

      N 

     

    V  

       

     

     

    N   

      S  

     N 

       S 

       T  pS     p ∈ S  

     

    {v, w

    } ⊂  T 

     pS 

     

     ⟨v ∧ w, N ⟩  >  0

     

      T  pS   

     T  pS 

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       S 1     S 2    f   :   S 1

     →  S 2

      p ∈   S 1    χ     χ̄    S 1     S 2  

     

    χ :  U  → S 1,   χ̄ :  Ū  →  S 2  

     p ∈ χ(U ) 

      f ( p) ∈ χ̄(Ū ) 

      f (χ(U )) ⊂ χ̄(Ū )  

      h = χ̄−1 ◦ f  ◦ χ :  U  →  Ū   

    f   

      S 1    S 2    f   

    f −1  

       

    S 1     S 2    f   :   S 1 →   S 2    

    f   

      p  

      S 1  

      w1 

     w2 ∈ T  pS 1    

    < w1, w2  >=< df  p(w1), df  p(w2) > .

     f   : S 1 → S 2    S 1     S 2  

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    S   

     p  

      S   

     

    S   

     N 

     

      S   

       

    S  ⊂ R3  

    N   

      N   :

    S  → R3  

    S 2 = {(x , y , z  ) ∈ R3 : x2 + y2 + z 2 = 1} 

     N   : S  → S 2   Gauss    S  

     

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     dN  p

     

    N   

      p ∈  S   

      T  pS     T N ( p)S 2

     

    T  pS      T N ( p)S 2

     

     

    dN  p  

     T  pS 

     

    dN  p   :  T  pS  →  T  pS     

    α(t)  

      S   

      α(0) = p  

      N oα(t) =

    N (t)  

      S 

    2  

    N   

      α(t)

     

    N ′(0) =   dN  p(α′(0))    T  pS   

     

    N   

      α(t)  

      t = 0  

      dN  p  

    N   

      N ( p)  

      p

     

    curvatura

       

    dN  p   :  T  pS  →  T  pS     

        dN  p    dN  p  

     < dN  p(v), w >=< v, dN  p(w) >    {v, w}    T  pS 

     

    χ(u, v)  

      S   

      p   {χu, χv}    T  pS 

     

    α(t) =   χ(u(t), v(t))  

      S   

      α(0) =   p  

    dN  p(χu)u′(0) + dN  p(χv)v′(0) = dN  p(χuu′(0) + χvv′(0)) = dN  p(α′(0)) =   ddtN (u(t), v(t))

    |t=0  = N uu′(0) + N vv′(0)  

    dN  p(χu) =  N u     dN  p(χv) =  N v    dN  p  

     < N u, χv  >=< χu, N v  >

     

    N  =

      χu∧χv∥χu∧χv∥

    < N, χu  >= 0 ⇒< N v, χu  > +  < N, χuv  >= 0  

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    < N, χv  >= 0 ⇒< N u, χv  > +  < N, χvu  >= 0    

    (3.2)    (3.1)

    < N v

    , χu

     > −

     < N u

    , χv

     >= 0  

      < χu

    , N v

     >=< N v

    , χu

     >=< N u

    , χv

     >

     

    dN  p    dN  p

     Q

       T  pS     Q(v) =< dN  p(v), v >     v ∈ T  pS 

       

    ∏ p    T  pS   

    ∏ p(v) = − < dN  p(v), v >

     S 

       p

     

       C 

       p ∈ S     k  

    C   

      p  

      cosθ  =< n, N >  

      n  

      C  

      N   

     

    kn  =  k cos θ    C  ⊂ S   

     C  ⊂ S     α(s)    s  

     

    C   

      α(0) = p  

      N (s)  

     

    N   

      α(s)  

      < N (s), α′(s) >= 0  

    < N ′(s), α′(s) >  +  < N (s), α′′(s) >= 0  

    < N (s), α′′(s) >   − < N ′(s), α′(s) >

      ∀s

     ∏ p(α

    ′(0)) = −   < dN  p(α′(0)), α′(0)   >= −   < N ′(0), α′(0)   >=< N (0), α′′(0)   >=< N (0), k(0)n(0)   >=   k(0)   < N (0), n(0)   >=   k(0)cos θ

     

      θ  

     

    n(0) 

      N (0)

     

    ∏ p(α

    ′(0)) = kn( p)

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    ∏ p  

    v ∈ T  pS     p  v

     

       

    A  :  V  → V   

     {e1, e2}    V     A(e1) = λ1e1     A(e2) = λ2e2    e1     e2    

    λ1     λ2    A  

        {e1, e2}    A    

    λ1     λ2    λ1 ≥   λ2    

    Q(v) =< A v , v >  

     V 

       v ∈  V     v  = xe1 +  ye2  

    x2 + y2 = 1  

    Q(v) =< Av, v >=< xA(e1) + yA(e2), xe1 + ye2  >=< xλ1e1 + yλ2e2, xe1 + ye2  >=

    λ1x2 + λ2y

    2

     λ1 ≥ λ2

    Q(v) = λ1x2 + λ2y

    2 ≥ λ2(x2 + y2) = λ2 

    Q(v) = λ1x2 + λ2y

    2 ≤ λ1(x2 + y2) = λ1  

    λ2

     ≤ Q(v)

     ≤ λ1    v    V   

      Q(1, 0) =  λ1 ≥  Q(0, 1) =  λ2    λ2    λ1    

    Q(v)

     

    A = −dN  p    

     p ∈ S   

      {e1, e2}    T  pS     −dN  p(e1) =k1e1    −dN  p(e2) = k2e2

     

    k1     k2 (k1 ≥ k2)    

    ∏ p    T  pS   

      p

       

    k1  

    k2    p  

     

    e1     e2    p 

     

     

    T   : V  → V   

     dN  p

     −k1   00   −k2

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     dN  p    (−k1)(−k2) =   k1k2  

     

    dN  p    −(k1 + k2)  

        p ∈   S 

       dN  p   :   T  pS  →   T  pS   

     dN P     K     S     p  

     

    dN  p  

     k1     k2    K  = k1k2     H  =

      k1+k22

     

       

     

     

     

    χ :  U  ⊂  R2 → S   

     N 

       S 

       χ(U )

       N ( p) =   χu∧χv∥χu∧χv∥(q )    p =  χ(q ) ∈ χ(U )

     

    χ(u, v)  

      p  

      S   

    α(t) =   χ(u(t), v(t))  

      S   

      α(0) =   χ(q ) =   p  

    q  = (u(0), v(0))

     α(t)

       p

       α′(0) =   χu(q )u′(0) + χv(q )v′(0)     dN  p(α′(0)) =

    N ′(0) = N u(q )u′(0)+ N v(q )v′(0)  

      N (t) = N (χ(u(t), v(t)))  

     N (u(t), v(t))

     

    < N , N >= 1  

      < N u, N > +  < N, N u  >= 0    < N u, N >=

    0  

      < N v, N >= 0    N u     N v    T  pS   

     

    N u  = a11χu + a21χv  

    N v  = a12χu + a22χv  

     

    dN  p(α′(0)) =   N u(q )u′(0) + N v(q )v′(0) = (a11χu(q ) + a21χv(q ))u′(0) + (a12χu(q ) +

    a22χv(q ))v′(0) = (a11u′(0) + a12v′(0))χu(q ) + (a21u′(0) + a22v′(0))χv(q )

     

    dN  p

      u′(0)

    v′(0)

    =

      a11   a12

    a21   a22

      u′(0)

    v′(0)

     

    {χu(q ), χv(q )

    }   dN  p    (aij)     i, j  = 1, 2

      {χu(q ), χv(q )}  

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    ∏ p(α

    ′(0)) =   − < dN  p(α′(0)), α′(0)  >=   − < N u(q )u′(0) + N v(q )v′(0), χu(q )u′(0) + χv(q )v′(0)  >

    =   −u′(0)2

    < N u(q ), χu(q ) > −u′(0)v′(0) < N u(q ), χv(q ) >−v′(0)u′(0) < N v(q ), χu(q ) > −v′(0)2 < N v(q ), χv(q ) >

     

    < N, χu  >= 0 =< N, χv  >

    •   < N u, χu  > +  < N, χuu  >= 0  

    < N, χuu  >= − < N u, χu  >  

    •   < N u, χv  > +  < N, χvu  >= 0  

    < N, χuv  >=< N, χvu  >= − < N u, χv  >  

    •   < N v, χu  > +  < N, χuv  >= 0  

    < N, χuv  >= − < N v, χu  >  

    •   < N v, χv  > +  < N, χvv  >= 0  

    < N, χvv  >=

     − < N v, χv  >  

     ∏ p(α

    ′(0)) =   < N ( p), χuu(q ) > u′(0)2 + 2  < N ( p), χuv(q ) > u′(0)v′(0)

    + < N ( p), χvv(q ) > v′(0)2

     

     p =  χ(q )  

    < N ( p), χuu(q ) >= e(q )

    < N ( p), χuv(q ) >= f (q )

    < N ( p), χvv(q ) >= g(q )

    ∏ p(α

    ′(0)) =   e(q )u′(0)2 + 2f (q )u′(0)v′(0) + g(q )v′(0)2

     

    dN ( p

    )  

      det(

    aij)

     

    N u( p) = a11χu(q ) + a21χv(q )

  • 8/19/2019 Url - Geometria Diferencial

    29/93

       

    N v( p) = a12χu(q ) + a22χv(q )

     

    E (q ) =< χu(q ), χu(q ) >

    F (q ) =< χu(q ), χv(q ) >

    G(q ) =< χv(q ), χv(q ) >

     

    −e(q ) =   < N 

    u( p), χ

    u(q ) >

    =   < a11χu(q ) + a21χv(q ), χu(q ) >

    =   a11  < χu(q ), χu(q ) >  +a21  < χv(q ), χu(q ) >,

     

    −e(q ) = a11E (q ) + a21F (q )  

    −f (q ) =   < N u( p), χv(q ) >=   < a11χu(q ) + a21χv(q ), χv(q ) >

    =   a11  < χu(q ), χv(q ) >  +a21  < χv(q ), χv(q ) >,  

    −f (q ) = a11F (q ) + a21G(q )  

    −f (q ) =   < N v( p), χu(q ) >=   < a12χu(q ) + a22χv(q ), χu(q ) >

    =   a12  < χu(q ), χu(q ) >  +a22  < χv(q ), χu(q ) >,

     

    −f (q ) = a

    12E (q ) + a

    22F (q )

     

    −g(q ) =   < N v( p), χv(q ) >=   < a12χu(q ) + a22χv(q ), χv(q ) >

    =   a12  < χu(q ), χv(q ) >  +a22  < χv(q ), χv(q ) >,

     

    −g(q ) = a12F (q ) + a22G(q )    

    (3.9) 

      (3.12)

      a11   a21

    a12   a22

      E (q )   F (q )

    F (q )   G(q )

    = −

      e(q )   f (q )

    f (q )   g(q )

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    30/93

       

      ∥χu(q ) ∧ χv(q )∥2 = ∥χu(q )∥2 ∥χv(q )∥2 sen2θ    θ  χu(q )     χv(q )  

    ∥χu(q ) ∧ χv(q )∥2 =   ∥χu(q )∥2 ∥χv(q )∥2 (1 − cos2θ)=   ∥χu(q )∥

    2

    ∥χv(q )∥2

    − (∥χu(q )∥ ∥χv(q )∥ cosθ)2

    =   ∥χu(q )∥2 ∥χv(q )∥2 − < χu(q ), χv(q ) >2

      ∥χu(q ) ∧ χv(q )∥2 = E (q )G(q ) − F 2(q )    E (q )G(q ) − F 2(q ) >  0  

      E (q )   F (q )

    F (q )   G(q )

     

      a11   a21a12   a22

    = −   e(q )   f (q )

    f (q )   g(q )

      E (q )   F (q )F (q )   G(q )

    −1  

     ( )−1

     ( )

     

    det

      a11   a12

    a21   a22

      =   det

      a11   a21

    a12   a22

    =   det  e(q )   f (q )

    f (q )   g(q )   1

     

      E (q )   F (q )F (q )   G(q )

    =

      e(q )g(q ) − f 2(q )E (q )G(q ) − F 2(q )

     

    K (q ) =  e(q )g(q ) − f 2(q )E (q )G(q ) − F 2(q )  

     a11     a22    (3.13)

        a11   a21

    a12   a22

    = −

      e(q )   f (q )

    f (q )   g(q )

      E (q )   F (q )

    F (q )   G(q )

    −1

        E (q )   F (q )

    F (q )   G(q )

    −1=

      1

    E (q )G(q ) − F 2(q )

      G(q )   −F (q )−F (q )   E (q )

    t,

     ( )t

     ( )

     

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    31/93

       

      a11   a21

    a12   a22

    = −   1

    E (q )G(q ) − F 2(q )

      e(q )   f (q )

    f (q )   g(q )

      G(q )   −F (q )−F (q )   E (q )

     

     

    a11 =  f (q )F (q ) − e(q )G(q )

    E (q )G(q ) − F 2(q )  

    a22  = f (q )F (q ) − g(q )E (q )

    E (q )G(q ) − F 2(q )  

      −k1    −k2    dN  p    k1     k2  

    dN  p(v) = −λv  = −λI (v)    v ∈  T  pS     v ̸= 0    I   

     (dN  p + λI )(v) = 0    v ∈ T  pS     v ̸= 0  

    ker(dN  p + λI ) ̸= 0    dN  p + λI   

     

    det

      a11 + λ a12

    a21   a22 + λ

    = 0,

     

    (a11 + λ)(a22 + λ) − a21a12  = 0  

    λ2 + (a11 + a22)λ + a11a22 − a21a12 = 0  

    λ2 + (a11 + a22)λ + K (q ) = 0  

     

    k1     k2

    H (q ) =  k1 + k2

    2  =

     −(a11 + a22)2

      =  e(q )G(q ) − 2f (q )F (q ) + g(q )E (q )

    2(E (q )G(q ) − F 2(q ))  

     

    H (q )  

      a11 + a22 = −2H (q )    (3.18)  

    λ2 − 2H (q )λ + K (q ) = 0

     

    H 2(q ) − K (q ) = (k1 − k2)2

    4  ≥ 0

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    32/93

       

     

    λ =  H (q ) ±√ 

    H 2(q ) − K (q )  

    H (q ) +√ 

    H 2(q ) − K (q )     H (q ) −√ H 2(q ) − K (q )      

     

    < u∧v,w >= (u , v , w)  

      u 

      w    R

    3  

    < u ∧ v,w >  

      u ∧ v 

      w  

      u ∧ v  

     u

       v

       (u , v , w)

       3 × 3

     

      v 

      w  �⃗�

     i,⃗   j,⃗  k

     

      R3

     

       χ(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z (u, v))

     

     K (u, v) = a2 > 0

       χ̄(u, v) = (ax(u, v), ay(u, v), az (u, v))

     

    K̄ (u, v) =   a−2K (u, v) = 1  

      χ̄(u, v)  

     K̄ (u, v) = 1

       χ(u, v)

     

     K (u, v) = a2 > 0

     

       

    K̄ (q ) =  ē(q )ḡ(q ) −  f̄ 2(q )Ē (q ) Ḡ(q ) −  F̄ 2(q )

     

    Ē (q ) =<  χ̄u, χ̄u  >=< aχu, aχu  >= a2 < χu, χu  >= a

    2E (q )

    F̄ (q ) =<  χ̄u, χ̄v  >=< aχu, aχv  >= a2 < χu, χv  >= a

    2F (q )

    Ḡ(q ) =<  χ̄v, χ̄v  >=< aχv, aχv  >= a2 < χv, χv  >= a

    2G(q )

    ē(q ) =<  N̄ ( p), χ̄uu  >

    f̄ (q ) =<  N̄ ( p), χ̄uv  >

    ḡ(q ) =<  N̄ ( p), χ̄vv  >

     

    N̄ ( p) =  χ̄u ∧ χ̄v∥χ̄u ∧ χ̄v∥(q )

    =

      aχu

    ∧aχv

    ∥aχu ∧ aχv∥(q )=

      χu ∧ χv∥χu ∧ χv∥(q ) = N ( p)

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    33/93

       

     

    ē(q ) =<  N̄ ( p), χ̄uu  >=< N ( p), aχuu  >= ae(q )

    f̄ (q ) =<  N̄ ( p), χ̄uv  >=< N ( p), aχuv  >= af (q )

    ḡ(q ) =<  N̄ ( p), χ̄vv  >=< N ( p), aχvv  >= ag(q )

     

    K̄ (u, v) =  ē(q )ḡ(q ) −  f̄ 2(q )Ē (q ) Ḡ(q ) −  F̄ 2(q )

    =  ae(q )ag(q ) − (af (q ))2a2E (q )a2G(q ) − (a2F (q ))2

    =  a2e(q )g(q ) − a2f 2(q )a4E (q )G(q ) − a4F 2(q )

    =

      a2(e(q )g(q )

    −f 2(q ))

    a4(E (q )G(q ) − F 2(q ))=   a−2K (u, v)

     K (u, v) =   a2 >   0

     

      K̄ (u, v) = 1  

      K̄ (u, v) = 1

     

    K (u, v) = a2 > 0

     

       

    χ(u, v) = (f (u)cos v, f (u)sen v, g(u))  

      f (u)   >   0   f ′(u)2 + g ′(u)2 = 1

     

      u

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    E (u, v) =   < χu(u, v), χu(u, v) >

    =  

    =   f ′(u)2

    cos

    2

    v + f ′(u)2

    sen

    2

    v + g′(u)2

    =   f ′(u)2 + g′(u)2

    = 1

    F (u, v) =   < χu(u, v), χv(u, v) >

    =   =   −f ′(u)f (u)cos v sen v + f ′(u)f (u)cos v sen v= 0

    G(u, v) =   < χv(u, v), χv(u, v) >

    =   =   f (u)2 sen2 v + f (u)2 cos2 v

    =   f (u)2

    e(q ) =   < N (u, v), χuu(u, v) >

    =   <  χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥ , χuu(u, v) >

    =   (χu(u, v), χv(u, v), χuu(u, v))∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥  

    χuu(u, v) = (f ′′(u)cos v, f ′′(u)sen v, g′′(u))

     

    (χu(u, v), χv(u, v), χuu(u, v)) =

    f ′(u)cos v   −f (u)sen v f ′′(u)cos vf ′(u)sen v f (u)cos v f ′′(u)sen v

    g′(u) 0   g′′(u)

    =   f ′(u)f (u)g′′(u)cos2 v − f ′′(u)f (u)g′(u)sen2 v

    −f ′′(u)f (u)g′(u)cos2 v + f ′(u)f (u)g′′(u)sen2 v

    =   f ′(u)f (u)g′′(u) − f ′′(u)f (u)g′(u)=   f (u)(f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u))

     

    χu(u, v) ∧ χv(u, v) =

    ⃗ i   ⃗  j   ⃗ k

    f ′(u)cos v f ′(u)sen v g′(u)

    −f (u)sen(v)   f (u)cos v   0

    = (−

    f (u)g′(u)cos v,

    −f (u)g′(u)sen v, f ′(u)f (u)cos2 v + f ′(u)f (u)sen2 v)

    = (−f (u)g′(u)cos v, −f (u)g′(u)sen v, f ′(u)f (u))  

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    35/93

       

    ∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥   =√ 

    f (u)2g′(u)2 cos2 v + f (u)2g′(u)2 sen2 v + f ′(u)2f (u)2

    =

    √ f (u)2g′(u)2 + f ′(u)2f (u)2

    = √ f (u)2(g′(u)2 + f ′(u)2)=   f (u)

     

    e(u, v) =  f (u)(f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u))

    f (u)

    =   f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u)f (u, v) =   < N (u, v), χuv(u, v) >

    =   <  χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥

    , χuv(u, v) >

    =  (χu(u, v), χv(u, v), χuv(u, v))

    ∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥  

    χuv(u, v) = (−f ′(u)sen v, f ′(u)cos v, 0)  

    (χu(u, v), χv(u, v), χuv(u, v)) =

    f ′(u)cos v   −f (u)sen v   −f ′(u)sen vf ′(u)sen v f (u)cos v f ′(u)cos v

    g′(u) 0 0

    =   −f ′(u)f (u)g′(u)sen v cos v + f ′(u)f (u)g′(u)sen v cos v= 0

     

    f (u, v) = 0.

    g(u, v) =   < N (u, v), χvv(u, v) >

    =   <  χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥ , χvv(u, v) >

    =  (χu(u, v), χv(u, v), χvv(u, v))

    ∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥  

    χvv(u, v) = (−f (u)cos v, −f (u)sen v, 0)  

    (χu(u, v), χv(u, v), χvv(u, v)) =

    f ′(u)cos v   −f (u)sen v   −f (u)cos vf ′(u)sen v f (u)cos v   −f (u)sen v

    g′(u) 0 0

    =   f (u)2g′(u)sen2 v + f (u)2g′(u)cos2 v

    =   f (u)2g′(u)

      ∥χu(u, v) ∧ χv(u, v)∥ =  f (u)  

    g(u, v) =   f 2

    (u)g′(u)f (u)

    =   f (u)g′(u)

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    36/93

       

     

    K (u, v) =  e(u, v)g(u, v) − f 2(u, v)E (u, v)G(u, v) − F 2(u, v)

    =

      (f ′(u)g′′(u)

    −f ′′(u)g′(u))(f (u)g′(u))

    −02

    1f (u)2 − 02=

      (f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u))(f (u)g′(u))f (u)2

    =  (f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u))g′(u)

    f (u)

     

    f ′(u)2 + g′(u)2 = 1  

    2f ′(u)f ′′(u) + 2g′(u)g′′(u) = 0

     

    f ′(u)f ′′(u) + g ′(u)g′′(u) = 0

     

    g′(u)g′′(u) = −f ′(u)f ′′(u)  

    (f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u))g′(u) =   f ′(u)g′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u)2=   −f ′(u)f ′(u)f ′′(u) − f ′′(u)g′(u)2=

      −f ′(u)2f ′′(u)

    −f ′′(u)g′(u)2

    =   −f ′′(u)(f ′(u)2 + g′(u)2)=   −f ′′(u)

     

    K (u, v) = −f ′′(u)

    f (u)  

     

     

       

    χ(u, v) = (f (u)cos v, f (u)sen v, g(u))  

     f (u) >  0

       f ′(u)2 + g′(u)2 = 1

     (3.22)

     

    K (u, v) = −f ′′(u)

    f (u)  

     K (u, v) = 0

       ∀  (u, v)  f ′′(u) = 0

       f ′(u) = a

       f (u) = au + b

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    37/93

       

     f ′(u)2 + g ′(u)2 = 1

       g′(u) = ±√ 1 − a2   |a| ≤ 1  

    g(u) = ±√ 1 − a2u + c  

      c  

    χ(u, v) = ((au + b)cos v, (au + b)sen v, ±√ 

    1 − a2u + c)

     

    x   =   x1

    y   =   y1

    z    =   z 1 + c

     

    χ(u, v) = ((au + b)cos v, (au + b)sen v, ±√ 1 − a2u)  

    z 1 = −√ 

    1 − a2u  

    x1   =   x2

    y1   =   y2z 1   =   −z 2

     

    χ(u, v) = ((au + b)cos v, (au + b)sen v,√ 

    1 − a2u)

     a = 0

       χ(u, v) = (b cos v, b sen v, u)

       b > 0

       f (u) = b > 0

     

     

    x22b2

      +  y22b2

      = 1

      |a| = 1    χ(u, v) = ((±u+b)cos v, (±u+b)sen v, 0)    

    Ox2y2  

      z 2 = 0  

    0  

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    38/93

       

    X    =   x3

    Y    =   y3

    Z    =   z 3−

     b√ 

    1 − a2

    a  

    x23a2

    1 − a2+

      y23a2

    1 − a2= z 23

     K (u, v) = 1

       (u, v)

     

     

     f ′′

    (u) + f (u) = 0  

    λ2 + 1 = 0  

      λ = ±i  

      f ′′(u) +  f (u) = 0

     

    eiu = cos u + i sen u

     f ′′(u) +  f (u) = 0

       f (u) =   A cos u +  B sen u

     

    A2 + B 2 =  a2 >  0  

      (Aa

    )2 + ( Ba

    )2 = 1  

      Aa

      = cos b 

      Ba

      = − sen b  

     

    f (u) =   a cos b cos u − a sen b sen u=   a(cos u cos b − sen u sen b)=   a cos(u + b), a ̸= 0.

     

    f ′(u)2 + g′(u)2 = 1  

    g′(u)2 = 1 − (−a sen(u + b))2= 1 − a2 sen2(u + b)

     

    g′(u) = ±√ 

    1 − a2 sen2(u + b)  

    g(u) = ±  √ 1 − a2 sen2(u + b)du + c  

    χ(u, v) = (a cos(u+b)cos v, a cos(u+b)sen v, ±  √ 

    1 − a2 sen2(u + b)du+c) 

      a ̸= 0  

    ũ =  u + b   v = ṽ

     

    χ(ũ, ṽ) = (a cos ũ cos ṽ, a cos ũ sen ṽ, ±  √ 

    1 − a2 sen2 ũdũ + c), a ̸= 0

     

    x   =   x1y   =   y1

    z    =   z 1 + c

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    39/93

       

     

    χ(ũ, ṽ) = (a cos ũ cos ṽ, a cos ũ sen ṽ, ±  √ 

    1 − a2 sen2 ũdũ), a ̸= 0

      z 1  = −  √ 1 − a2 sen2 ũdũ  x1   =   x2

    y1   =   y2

    z 1   =   −z 2  

    χ(ũ, ṽ) = (a cos ũ cos ṽ, a cos ũ sen ṽ,   √ 

    1 − a2 sen2 ũdũ), a ̸= 0

     

      √ 1 − a2 sen2 ũdũ

     

     a = ±1    a ̸= 0  

     

    a = −1  

      a = 1  

    x2   =   −x3y2   =   −y3z 2   =   z 3

     

    a = 1

     

    χ(ũ, ṽ) = (cos ũ cos ṽ, cos ũ sen ṽ,

      √ 1 − sen2 ũdũ).

     

    f (ũ) = cos ũ > 0    √ 

    1 − sen2 ũdũ   =  √ 

    cos2 ũdũ

    =

       cos ũdũ = sen ũ

     

    χ(ũ, ṽ) = (cos ũ cos ṽ, cos ũ sen ṽ, sen ũ)

     x23 + y

    23 + z 

    23  = 1

     

    K (u, v) = −1  

    f ′′(u) − f (u) = 0

     λ2 − 1 = 0    ±1  

     

    f ′′(u) − f (u) = 0  

      eu 

    e−u  

     

    f (u) = aeu + be−u

     f ′(u)2 + g′(u)2 = 1

       g′(u) =

     ±√ 1 − (aeu − be−u)2  g(u) = ±

      √ 1 − (aeu − be−u)2du + c

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    40/93

       

     c

     

    g(u)  

     

      √ 1 − (aeu − be−u)2du

     a = 1

     

    b = 0

     f (u) = eu

     g(u) = ±

      √ 1 − e2udu + c    u ≤ 0

     

    x   =   x1

    y   =   y1

    z    =   z 1

     

    χ(u, v) = (eu cos v, eusinv, ±  √ 

    1 − e2udu)    u ≤ 0.

     z 1  = −

      √ 1 − e2udu  

    x1   =   x2

    y1   =   y2

    z 1   =  −

    z 2

     

    χ(u, v) = (eu cos v, eu sen v,

      √ 1 − e2udu), u ≤ 0

     

    w =  eu  

      √ 1 − e2udu   =

     √ 1 − w2

    w  dw

    =    1 − w2w√ 1 − w2

    dw

    =

       (

     1

    w − w)   1√ 

    1 − w2 dw

    =

       1

    w√ 

    1 − w2 dw − 

      w√ 1 − w2 dw

     

    A =

       1

    w√ 

    1 − w2 dw     B  = 

      w√ 1 − w2 dw

     x =  w−1

     

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    41/93

       

    A   =

       w−1√ 

    1 − w2 dw

    =   −  x√ 1

    −x−2

    dx

    x2

    =   −x−1√ 

    1 − x−2 dx

    =

      −   x

    −1 1 −   1

    x2

    dx

    =

      −   x

    −1 x2 − 1

    x2

    dx

    =   −  x−1√ x2−1x

    dx

    =   − 

      1√ x2 − 1dx

    =   − cos h−1x=   − cos h−1w−1=   − cos h−1(e−u)

     

    y = 1 − w2  

    B   =

       w√ 

    1 − w2 dw

    =  −   12√ y dy

    =   −12

       y−

    12 dy

    =   −12

    y12

    1

    2=   −√ y=   −√ 1 − w2=   −√ 1 − e2u

    .

        √ 1 − e2udu = − cos h−1(e−u) +

    √ 1 − e2u + d

     

    χ(u, v) = (eu cos v, eu sen v,√ 

    1 − e2u − cos h−1(e−u) + d), u ≤ 0,

     d

     

    x2   =   x3y2   =   y3

    z 2   =   z 3 + d

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    42/93

       

     

    χ(u, v) = (eu cos v, eu sen v,√ 

    1 − e2u − cos h−1(e−u)), u ≤ 0,

     

     α(u) = (eu,

    √ 1 − e2u − cos h−1(e−u)), u ≤ 0

     

    α(u)      

      Oxz   

     

    z  =√ 

    1 − x2 − cos h−1( 1x

    )  

      0 < x ≤ 1

       

     H 

     

      H   

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    χ  

      N   

    λ  

      χλ  

    χ  

      χλ = χ + λN 

     

    χλ  

    χ  

      λ

     

    χ

     N 

       

    k1     k2  

     

    χ :  U  → R3

     

    C     |k1|    |k2|  

    ≤ C   

      λ  

      |λ| <   1C 

     

      χλ  

     χ

     

     

    χλ  

     

    N λ  

    χλ  

    χλ(u, v)  

      N   

      χ  

    χ(u, v)  

      (u, v) ∈ U    

    χλ  

      k1(1−λk1)  

    k2(1−λk2)  

     

    χ  

      k1     k2  

     

     

    χλ  

      K 1−2λH +λ2K   

    H −λK 1−2λH +λ2K 

     

     χλ

     

     

    χλ  

    χλ :  U  →  χλ(U )  

     

    χλu ∧ χλv ̸= 0  

    χλ  

    χ 

      N   

     (χλ)−1 : χλ(U )

     → U 

       (χλ)−1(χλ( p)) = χ−1(χλ( p)

    −λN ( p))

      p ∈ U     (χλ)−1  

    χλ ◦ (χλ)−1(χλ( p)) = χλ(χ−1(χλ( p) − λN ( p))) = χλ(χ−1(χ( p))) = χλ( p)  

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    44/93

       

    (χλ)−1 ◦ χλ( p) = (χλ)−1(χλ( p)) = χ−1(χλ( p) − λN ( p)) = χ−1(χ( p)) = p  

    χλ

     χλu ∧ χλv ̸= 0

     

    χλu  =  χu + λN u

    χλv  = χv + λN v

     

    N u = a11χu + a21χv

    N v  = a12χu + a22χv

     

    χλu  = χu + λ(a11χu + a21χv) = (1 + λa11)χu + λa21χv

    χλv  = χv + λ(a12χu + a22χv) = λa12χu + (1 + λa22)χv

     

    χλu ∧ χλv   = [(1 + λa11)(1 + λa22) − λ2a12a21]χu ∧ χv= [(a11a22 − a12a21)λ2 + (a11 + a22)λ + 1]χu ∧ χv= [(k1k2)λ

    2 − (k1 + k2)λ + 1]χu ∧ χv= [(1

    −λk1)(1

    −λk2)]χu

    ∧χv

     ̸= 0

     

    χu ∧ χv  ̸= 0    |ki| ≤   C, i  = 1, 2    |λ|   <   1C 

     

      λki ≤ |λki|   <  1    

    1 − λki  > 0, i = 1, 2

     

    N λ =  χλu ∧ χλv∥χλu ∧ χλv∥

    =  [(1 − λk1)(1 − λk2)]χu ∧ χv|(1 − λk1)(1 − λk2)| ∥χλu ∧ χλv∥

    =  (1

    −λk

    1)(1

    −λk

    2)

    (1 − λk1)(1 − λk2) .  χu

    ∧χv

    ∥χu ∧ χv∥=

      χu ∧ χv∥χu ∧ χv∥

    =   N 

     

    χλ = χ + λN  

      N λ = N   

    N λu   = N u  = a11χu + a21χv

    N λv   = N v  = a12χu + a22χv

     

    χλu  = (1 + λa11)χu + λa21χv

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    45/93

       

    χλv  = λa12χu + (1 + λa22)χv

     

      1 + λa11   λa21

    λa12   1 + λa22

      χu

    χv

    =

      χλu

    χλv

     

      χu

    χv

    =

      1

    det

      1 + λa11   λa21

    λa12   1 + λa22

      1 + λa22   −λa21−λa12   1 + λa11

      χλu

    χλv

    =  1

    (1 − λk1)(1 − λk2)   1 + λa22   −λa21−λa12   1 + λa11

      χλ

    uχλv

    =  1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a21−a12   a11

      χλu

    χλv

     

     N λ = N 

     

      N λu

    N λv =

      a11   a21

    a12

      a22

      χu

    χv  

     

      a11   a12

    a21   a22

     dN  p    −k1    −k2  

     

      N λuN λv

    =   a11   a21

    a12   a22   1

    (1 − λk1)(1 − λk2)   1 00 1 + λ   a22   −a21−a12   a11   χλu

    χλv

    =  1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      a11   a21

    a12   a22

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a21−a12   a11

      χλu

    χλv

     

      1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      a11   a21

    a12   a22

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a21−a12   a11

    t

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    46/93

       

     dN λ p    −kλ1    −kλ2  

      1(1 − λk1)(1 − λk2)

      a11   a21

    a12   a22   1 0

    0 1 + λ   a22   −a21−a12   a11

    t

    =  1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a12−a21   a11

      a11   a12

    a21   a22

     

    v  

      a11   a12

    a21   a22

     (−k1)     (−k2)    v  

    1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a12−a21   a11

      a11   a12

    a21   a22

     

    −k11−λk1  

    −k21−λk2

      −k1    −k2  

      a11   a12

    a21   a22

    v = −k1v

     

    1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a12−a21   a11

      a11   a12

    a21   a22

    v

    =   −k1(1 − λk1)(1 − λk2)

      1 00 1

    v + λ

      a22   −a12−a21   a11

    v

     

    v =

      a

    b

     

      a11   a12

    a21   a22

      a

    b

    = −k1

      a

    b

     

    a11a + a12b = −k1a  

    a21a + a22b = −k1b  

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    47/93

       

        a22   −a12−a21   a11

      a

    b

      =

      a22a − a12b−a21a + a11b

    (3.25);(3.26)=

      a22a + k1a + a11ak1b + a22b + a11b

    =

      (k1 + a22 + a11)a

    (k1 + a22 + a11)b

    =

      (−k1 − k2 + k1)a

    (k1 − k1 − k2)b

    =

     −k2a−k2b

    =   −k2   ab =   −k2v

     

    1

    (1 − λk1)(1 − λk2)

      1 0

    0 1

    + λ

      a22   −a12−a21   a11

      a11   a12

    a21   a22

    v

    =  −k1

    (1 − λk1)(1 − λk2) [v + λ(−k2v)] =  −k1

    (1 − λk1)(1 − λk2) (1−λk2)v =  −k1(1 − λk1)v

     χλ

     kλ1  =

      k1

    (1 − λk1)     kλ2   =

      k2

    (1 − λk2)  

    K λ =  k1

    (1 − λk1)k2

    (1 − λk2)=

      k1k2

    1 − λk2 − λk1 + λ2k1k2=

      k1k2

    1 − λ(k1 + k2) + λ2k1k2=

      K 

    1 − 2λH  + λ2K  

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    48/93

       

    H λ =

    k1

    (1 − λk1) +  k2

    (1 − λk2)2

    =

    k1(1

    −λk2) + k2(1

    −λk1)

    (1 − λk1)(1 − λk2)2

    =  k1 − λk1k2 + k2 − λk1k2

    2(1 − λk1)(1 − λk2)=

      k1 + k2 − 2λk1k22(1 − λ(k2 + k1) + λ2k1k2)

    =  2H  − 2λK 

    2(1 − 2λH  + λ2K )=

      H  − λK 1 − 2λH  + λ2K 

     

       

    χ  

     H  ̸= 0    λ =   1

    2H    χλ

     4H 2 > 0

     

     χ

       K >  0

       K  ̸=  H 2  

     

    λ = ±   1√ K 

     

      χλ  

    ∓12

    √ K  ̸= 0

     

       

    λ =   12H   

    K λ =  K 

    1 − 2λH  + λ2K =

      K 

    1 − 2   12H 

    H  + (   12H 

    )2K 

    =  K 

    1 − 1 +   K 4H 2

    =  K 

    K 4H 2

    = 4H 2

    .

     

    λ =

      1

    √ K   

    H λ =  H  − λK 

    1 − 2λH  + λ2K =

    H  −   1√ K 

    1 − 2   1√ K 

    H  + (   1√ K 

    )2K 

    =

    H √ K −K √ K 

    1 −   2H √ K 

     +  K K 

    =

    H √ K −K √ K 

    2

    −  2H √ 

    =

    H √ K −K √ K 

    2√ K −2H √ K 

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    49/93

       

    =  H 

    √ K  − K 

    2√ 

    K  − 2H =   −1

    2

    (K  − H √ K )(√ 

    K  − H )=   −

    1

    2

    −H √ K 

    (√ K −H )√ K√ K

    =   −12

    K  − H √ K K −H 

    √ K √ 

    =   −12

    √ K 

    .

     

    λ = −   1√ K 

       

     

       

    S   

      P   

      S   

     K 

       > 0

     

     

    X   

      R3

     

     

     

    X  ⊂  R3  

    f   :  R3 →  R  

     

    P  

      Q  

      X   

      f (Q) ≤ f (R) ≤ f (P )  

      R  

      X   

     f 

       X 

       P 

       Q

     

     

    6.4

       

    f   :  R3 →  R  

      f (v) = ∥v∥2  

    f   

      S 

     P 

       S 

       f 

     

     

    P       

      S   

     

    ∥ 

      ∥  

      S   

     P 

     

    S   

      P   

     ∥

       ∥

     

      1∥    ∥2  

     χ(u, v) =

    ∥    ∥ cos   u∥    ∥ cos v, ∥     ∥ cos   u∥     ∥ sen v, ∥    ∥ sen   u∥    ∥

     

    cos   u∥ 

      ∥   > 0

     

    γ (t)  

      S   

     P 

       t = 0

     

    f (γ (t))  

      t = 0  

    d

    dtf (γ (t)) |t=0   = 0     d

    2

    dt2f (γ (t)) |t=0 ≤  0.

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    50/93

       

     f ′(γ (t))γ ′(t) |t=0   = 0     f ′′(γ (t))(γ ′(t))2 + f ′(γ (t))γ ′′(t) |t=0 ≤  0

     

    f (v) = ∥v∥2 =< v, v >  

    f ′(v) = 2 < v′, v > 

      f ′′(v) = 2(< v′′, v > +  < v′, v′  >).

    0 = f ′(γ (0))γ ′(0) = 2 < γ ′(0), γ (0)  > γ ′(0)

     

    0 ≥ f ′′(γ (0))(γ ′(0))2 + f ′(γ (0))γ ′′(0) =2(< γ ′′(0), γ (0) >  +  < γ ′(0), γ ′(0) >)(γ ′(0))2 + 2  < γ ′(0), γ (0)  > γ ′′(0).

     γ (t)

     

    γ ′(t)  ̸= 0    t    < γ ′(t), γ ′(t)   >= 1    γ ′(0)  ̸ = 0  < γ ′(0), γ ′(0)  >= 1

     

    < γ ′(0), γ (0)  >= 0   (< γ ′′(0), γ (0) >  +1)(γ ′(0))2 ≤ 0

     

    < γ ′(0), γ (0)  >= 0 

      < γ ′′(0), γ (0) >  +1 ≤ 0  

       

    =   γ (0)  

     

    S   

      P   

      S   

      P 

      Y     S     P     N   

    N  = ±  ∥ 

      ∥

     

    kn(P ) =< γ ′′(0), N >

     

    γ   

      P   

    kn(P ) ≤ −1∥    ∥    N  = 

    ∥    ∥  

    kn(P )

     ≥

      1

    ∥    ∥  

      N  = −

     

    ∥    ∥  

    N   =  ∥ 

      ∥     k1    k2    P   

    k2 ≤ kn(P ) ≤ k1 ≤   −1∥    ∥  

    N   =   −  ∥    ∥     k1    k2    P   1∥

     

      ∥ ≤  k1 ≤ kn(P ) ≤ k2   Y     P     ≤   −1∥    ∥    ≥   1∥    ∥  

    K  = k1k2 ≥   1∥ 

      ∥2   > 0     P 

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    χ :  U  ⊂ R2 → R3  

      D ⊂  U     h  :  D →  R    D  D

     

      ∂D  

      χ(D)  

      h  

    ϕ :  D×] − ϵ, ϵ[→ R3  

    ϕ(u , v , t) = χ(u, v) + th(u, v)N (u, v)  

      (u, v) ∈ D 

      t ∈] − ϵ, ϵ[.

     

    t ∈] − ϵ, ϵ[  

      χt : D → R3  

    χt(u, v) = ϕ(u , v , t)

     

    ∂χt

    ∂u

      = χu + thN u + thuN 

    ∂χt

    ∂v  = χv +  thN v + thvN.

     

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    E t =< χtu, χtu  >,

    F t =< χtu, χtv  >

     

    Gt =< χtv, χtv  >

     

    E t =   < χtu, χtu  >

    =   < χu + thN u + thuN, χu + thN u + thuN >

    =   < χu, χu  > +  < χu,thN u  > +  < thN u, χu  > +  < thN u,thN u  >

    + < thuN,thuN >

    =   E  + 2th < χu, N u  > +t2h2 < N u, N u  > +t

    2h2u

    F t =   < χtu, χtv  >

    =   < χu + thN u + thuN, χv +  thN v + thvN >

    =   < χu, χv  > +  < χu,thN v  > +  < thN u, χv  > +  < thN u,thN v  >

    + < thuN,thvN >

    =   F  + th(< χu, N v  > +  < N u, χv  >) + t2h2 < N u, N v  > +t

    2huhv

    Gt =   < χtv, χtv  >

    =   < χv + thN v + thvN, χv + thN v + thvN >

    =   < χv, χv  > +  < χv,thN v  > +  < thN v, χv  > +  < thN v,thN v  >

    + < thvN,thvN >

    =   G + 2th < χv, N v  > +t2h2 < N v, N v  > +t

    2h2v

    −e   =   < χu, N u  >−2f    =   < χu, N v  > +  < χv, N u  >−g   =   < χv, N v  >

     

    H  =

     Eg

    −2F f  + Ge

    2(EG − F 2)   .  

    E t =   E  − 2the + t2h2 < N u, N u  > +t2h2uF t =   F  − 2thf  + t2h2 < N u, N v  > +t2huhvGt =   G − 2thg + t2h2 < N v, N v  > +t2h2v

     

    E tGt − (F t)2 =   EG − F 2 − 2th(Eg − 2F f  + Ge) + R= (EG − F 2) − 2th[2H (EG − F 2)] + R

    = (EG

    −F 2

    )(1 − 4thH 

    ) +R

     limt→0

    R

    t

    = 0

       R

       t2

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    53/93

       

     

    χtu ∧ χtv2 = E tGt − (F t)2 = (EG − F 2)(1 − 4thH ) + R  

    limt→0R

    t

    = 0.

     

    ϵ > 0  

      χt  

     

    limt→0

    χtu ∧ χtv2 = limt→0

    (EG − F 2)(1 − 4thH ) + R=   EG − F 2 + lim

    t→0R

    =   EG − F 2 + limt→0

    t(R

    t )

    =   EG − F 2 > 0  

    ϵ > 0  

      χtu∧

    χtv ̸= 0

     A(t)

       χt( D̄)

     

    A(t) =∫ ∫ ̄

    D

    √ E tGt − (F t)2dudv

    =∫ ∫ ̄

    D

    √ (EG − F 2)(1 − 4thH ) + Rdudv

    =∫ ∫ ̄

    D

     (EG − F 2)(1 − 4thH ) +   R

    EG−F 2 (EG − F 2)dudv=

    ∫ ∫ ̄D

    √ (EG − F 2)(1 − 4thH  +  R̄)dudv

     R̄ =   R

    (EG−F 2)

     

    A(t) =  

    √ 1 − 4thH  +  R̄√ EG − F 2dudv

     ϵ

       A

     

     t = 0

     

    A′(0) = limt→0

    A(t) − A(0)t

    = limt→0

     D̄

    √ 1 − 4thH  +  R̄ −

    √ 1 +  R̄

    √ EG − F 2

    t  dudv

    =∫ ∫ ̄

    D

    limt→0 (

    √ 1 − 4

    thH  +

     R̄−

    √ 1 +

     R̄)t√ EG − F 2dudv

     

    limt→0

    √ 1 − 4thH  +  R̄ −

    √ 1 +  R̄

    t  =

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    = limt→0

    √ 1 − 4thH  +  R̄ −

    √ 1 +  R̄

    √ 1 − 4thH  +  R̄ +

    √ 1 +  R̄

    t√ 

    1 − 4thH  +  R̄ +√ 

    1 +  R̄

    = limt→

    0

    1 − 4thH  +  R̄ − 1 −  R̄

    t√ 1 − 4thH  +  R̄ + √ 1 +  R̄

    = limt→0

    −4hH √ 1 +  R̄ +

    √ 1 +  R̄

    = limt→0

    −4hH 2√ 

    1 +  R̄

    =  −4hH 

    2=   −2hH 

     limt→0

    R̄ = limt→0

    R

    (EG

    −F 2)

     = 0  

      limt→0

    R = 0

     

    A′(0) =  

    −2hH √ 

    EG − F 2dudv

     

    γ     R

    3  

    t ∈]−ϵ, ϵ[  

     χt :   D →   R3   D   =   int(π)    π  

     

    U   

      γ  = χt ◦ π

     

    A(t) =

     D̄

    √ 1 − 4thH  +  R̄

    √ EG − F 2dudv

     χ =  χo

     γ 

     

     A

       t   = 0

     

    A′(0) = 0

     0 =

    ∫ ∫ ̄D

     2hH √ 

    EG − F 2dudv    h :  D̄ → R  

    h :  D̄ → R    h(q ) = H (q )    q  ∈  D̄     hH  = H 2  0 =

    ∫ ∫ ̄D

     2H 2√ 

    EG − F 2dudv  

    √ EG − F 2 > 0

       2H 2

    √ EG − F 2 ≥ 0

     

     H  ≡ 0

       

     

       

    γ   

      R3

       

       S 

       γ 

     

    S   

       

    χ  

      S   

     A′(0) = 0

       H  ≡  0

     

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    x =   1a

     cosh az   

    Oxz   

      Oz   

      a  

      a   = 1  

     

    χ(u, v) = (cosh u cos v, cosh u sen v, u), 0 < v

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    56/93

       

    F    =   < χu, χv  >

    =   − senh u cosh u sen v cos v + senh u cosh u sen v cos v= 0

    G  =

      < χv

    , χv

     >

    = cosh2 u sen2 v + cosh2 u cos2 v + 0

    = cosh2 u(sen2v + cos2v)

    = cosh2 u

    e   =   < N,χuu  >

    =   −    u cosh u cos2 v −    u cosh u sen2 v=   −

     

      u cosh u(sen2 v + cos2 v)

    =   −  

      u cosh u

    =  −

      1

    coshu

     cosh u

    =   −1f    =   < N,χuv  >

    =  

      u senh u sen v cos v −  

      u senh u sen v cos v

    = 0

    g   =   < N,χvv  >

    =  

      u cosh u cos2 v +  

      u cosh u sen2 v

    =  

      u cosh u(sen2 v + cos2 v)

    =  

      u cosh u=   1

    cosh u cosh u

    = 1

     

    H    =   eG−2fF +gE 2(EG−F 2)

    =   (−1) cosh2 u+cosh2 u

    2(cosh2 u cosh2 u−02)=   0

    2cosh4 u

    = 0

     

       S 

     

     

       

     S 

       z 

       Oxz 

     

    S  

    χ(u, v) = (f (u)cos v, f (u)sen v, g(u)),

     

    α(u) = (f (u), 0, g(u))

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     f (u) >  0

     

    E    = 1

    F    = 0G   =   f 2(u)

    e   =   f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u)f    = 0

    g   =   f (u)g′(u)

     

    H  =   eG−2fF +gE 2(EG−F 2)

    H    =  [f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u)]f 2(u) + f (u)g′(u)

    2f 2(u)

    =   12 [f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u) +   g′(u)f (u) ]

     u

       u   =   u0    g

    ′(u0) ̸= 0  

    g′(u) ̸= 0  

      u  

      u0  

    ]α, β [

     u ∈]α, β [.    α  

     

    (f ′(u))2 + (g′(u))2 = 1.

     

    f ′(u)g′′(u) − f ′′(u)g′(u) = −f ′′(u)

    g′(u)  .

     

    H  = 1

    2

    g′(u)f (u)

     −  f ′′(u)

    g′(u)

     

    (g′(u))2 = 1 − (f ′(u))2  

    S   

      H  = 0 

     

    (g′(u))2

    −f (u)f ′′(u) = 0

     

    f (u)f ′′(u) = 1 − (f ′(u))2    

    f f ′′  = 1 − (f ′)2  

     

    h =   df du

     

    f ′′  =  dh

    du  = dh

    df  ·  df 

    du  = hdh

    df 

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    hf dh

    df   = 1 − h2  

     

    g′(u) ̸= 0     h2

    + (g′)2

    = 1  

      1 − h2

    = (g′)2

    > 0

        h

    1 − h2 dh = 

      df 

    f   + c

     c =  lna

       a > 0

     

    x   = 1 − h2 >   0  

      dx   = −2hdh 

     

        h1 − h2

    dh =    dx−2x  = −1

    2  lnx  =

     −1

    2  ln(1

    −h2) = ln

      1

    √ 1 − h2.

     

    ln  1√ 1 − h2 = lnf  + lna

     

    ln  1√ 1 − h2 = lnaf,

     

    1√ 1 − h

    2= af 

     

    1 − h2 = (   1af 

    )2  

    h2 = 1 − (   1af 

    )2

    =   a2f 2−1a2f 2

    ,

     

    |h| =√ 

    a2f 2 − 1af 

      , a > 0.

     h > 0

       f (u)

     

      −f (u)

     

    h    −h > 0

     

      h = √ a2f 2−1af 

     h =   df 

    du  

    df 

    du =

    √ a2f 2 − 1

    af   ,

     

    af 

    √ a2f 2 − 1 df  = du.

       af √ 

    a2f 2 − 1 df  = 

      du.

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    59/93

       

     x =  a2f 2 − 1    dx = 2a2f df     dx

    2a = af df 

      ∫   af √ a2f 2−1

    df    =∫ 

      dx2a√ x

    =   12a ∫  x− 12 dx

    = 2   12a

    x12

    =   1a

    x12

    =   1a

    √ a2f 2 − 1

      √ a2f 2 − 1

    a  = u + b,

     b

     

    a2f 2 − 1 = a2(u + b)2  

    a2f 2 = a2(u + b)2 + 1  

    f 2 =   1a2

    [a2(u + b)2 + 1]

     

    f  = |f | =√ 

    a2(u + b)2 + 1

    a  ,

     

    b

     u → u − b    b = 0

     

    f  = √ a2

    u2

    + 1a

      .

     

    g  

      (g′)2 = 1 − (f ′)2 = 1 − h2 =   1a2f 2

     

    dg

    du = ±   1√ 

    a2u2 + 1

     

    g  = ± 

      1√ a2u2 + 1

    du + c,

     

    c

     

    ∫   1√ a2u2+1

    du.

     

    u =   senhxa

     

      du =   1a

     cosh xdx

      ∫   1√ a2u2+1

    du   =∫ 

      1√ (senhx)2+1

    1a

     cosh xdx

    =   1a

    ∫   1√ 

    (coshx)2 cosh xdx

    =   1a

    ∫  dx

    =   xa

    .

     

    senh x =  au  

      x = arcsenh(au)   

      1√ a2u2 + 1

    du = 1

    a arcsenh(au).

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    60/93

       

     

    g = ±arcsenh(au) + caa

      .

     

    a(g − c) = ± arcsenh(au),  

    arcsenh(au) = ∓a(g − c),  

    au   = senh[∓a(g − c)]=   ∓ senh[a(g − c)] .

     

    f    = √ (senh[a(g − c)])2 + 1

    a=   1a

    √ (cosh[a(g − c)])2

    =   1a

     cosh[a(g − c)].

     

    S  

    α(u) = (1

    a cosh[a(g(u) − c)], 0, g(u))

     Oxz 

     

    x = 1

    a cosh[a(z  − c)].

      z     c = 0  

    x = 1

    a cosh(az )

     

    S   

      u ∈]α, β [  

     g′(u) ̸= 0.

     β α  

      S 

     u ∈ (α, ∞)

     

    α < ∞

     

      u ≤

      α  

    g′(α) = 0  

      ]α, β [  

      u0  

    g′(u) ̸= 0.

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     β

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    62/93

       

    ∥χu ∧ χv∥ =√ 

    α2 + u2ω2

    N  =  χu ∧ χv∥χu ∧ χv∥  =

     (α sen ωv, −α cos ωv,uω)√ α2 + u2ω2

    χuu = (0, 0, 0)

    χuv  = (−ω sen ωv,w cos ωv, 0)χvv  = (−uω2 cos ωv, −uω2 sen ωv, 0)

     

    E    =   < χu, χu  >

    = cos2 ωv  + sen2 ωv

    = 1

    F    =   < χu, χv  >

    =   −uω sen ωv cos ωv  + uω sen ωv cos ωv= 0

    G   =   < χv, χv  >

    =   u2ω2 sen2 ωv + u2ω2 cos2 ωv  + α2

    =   u2ω2 + α2

    e   =   < N,χuu  >

    =   < N, (0, 0, 0) >

    = 0

    f    =   < N,χuv  >

    =  −αω sen2 ωv − αω cos2 ωv√ 

    α2 + u2ω2

    =  −αω√ 

    α2 + u2ω2

    g   =   < N,χvv  >

    =  −αuω2 sen ωv cos ωv  + αuω2 sen ωv cos ωv√ 

    α2 + u2ω2

    = 0

     

    H    =   eG−2fF +gE 2(EG−F 2)

    =   0G−2f 0+0E 2(EG−F 2)

    = 0

     

       

     C 

       R

    3  

     P 

     

     

    C   

      Q

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     γ 

       C 

       γ (u) = Q

       δ (u)

     

     

    γ (u) 

      P   

    χ(u, v) = γ (u) + vδ (u)

    χu  =  γ ′(u) + vδ ′(u)

     

    χv  = δ (u).

     χ

       γ ′(u) + vδ ′(u)

       δ (u)

     

     

    γ ′ 

      δ   

      v  

     C 

       

     

       

    χ(u, v) = γ (u) + vδ (u)

     γ 

       δ (u)

     

    γ (u).

      ∥δ (u)∥  = 1  u

     

    δ ′(u) ̸= 0  

      u  

     δ ′(u) = 0

       u

     

    δ   

     

    γ 

      ∥δ (u)∥   = 1    < δ (u), δ (u)   >= 1    < δ ′(u), δ