Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit

6CCM223B Geometry of surfaces

Summer 2023

Section A

All ten questions in Section A carry equal marks.  Answer all  ques- tions for full marks.

A 1.      Find a regular smooth curve parametrising the set

{(x,y) R2   +  = 1 } ,

and show that it is regular.

A 2.     Calculate the curvature of γ(t) =(tsin(t),tcos(t), t)at γ(0).

A 3.      Calculate the torsion of γ(t) =(sin(t), cos(t), t3 )at γ(0).

A 4.      Calculate the normal curvature of the curve γ(s) =cos(s), sin(s), 1) on the surface σ(u,v) =(u,v, √u2 + v2 ).

A 5.      σ(C)0(u)ate the principal curvatures of the surface σ(u,v) =u,v, u2  2v2 ) at

A 6.      Calculate the Gaussian curvature of the surface σ(u,v)  =(u,v,sin(uv)) at σ(0, 0).

A 7.      Calculate   the    image   G(σ(R2 ))    of   the    Gauss   map    G   of   the    surface σ : R2  → R3 : (u,v) →7 (u,v, uv).


A 8.       on th(Does)e(t)su(he)r(r)face(e ex)iσ(st) :aR2(ge){(d)0(c)aR(ng)3:(t),h ,u(1))?(a)nJ(d)ust(Q)ify(=)  

A 9.      Does there exist a hyperbolic triangle, i.e. a triangle on the pseudosphere, whose area is equal to π? Justify your answer!

A 10.      Let γ be a unit speed simple closed curve on a surface σ with constant Gaussian curvature K = 2. Assume that γ is positively oriented and that the area of the interior of γ is equal to π/2. Let κg  be the geodesic curvature of γ.  Compute

lγ κgds.

Section B

All three questions in Section B carry equal marks.   Answer TWO questions for full marks.


B 11.          (i)  State the the Frenet-Serret equations for a curve γ, including any hypothe- ses on γ. You do NOT need to define the quantities which appear in the equations.

(ii)  Explain in detail how the Frenet-Serret equations are derived, stating any definitions you use.

(iii)  Let γ be a unit speed curve in R3  with non-zero curvature κ everywhere. Use the Frenet-Serret equations to prove that γ lies in a plane if and only if the torsion τ of γ vanishes.

B 12.          (i)  Let σ : U → R3  be a surface patch and R ⊆ U.  How is the area Aσ (R) of σ(R) defined?

(ii) Let σ : U → R3  be a surface patch and Edu2 + 2Fdudv + Gdv2  its first fundamental form. Prove that

Aσ (R) = llR EG  F2 dudv

for R  U.

(iii) Let S2   =  {(x,y, z)  | x2  + y2  + z2   =  1} be  the  unit  sphere in R3   and Z = {(x,y, z) | x2 + y2  = 1} be the cylinder in R3  with radius 1 around the z-axis. Prove that the smooth map

f : S2 \ {(0, 0, ±1)}  Z  : (x,y, z) →7  , , z)

is area-preserving.

(iv)  Carefully state the theorem for surfaces relating Gaussian curvature, the Gauss map, and surface area.

B 13.         (i)  State the definitions of the Gaussian curvature K and of the mean curva-ture H of a surface.

(ii) Prove that

K = E(L)G(N)F(M)2(2)       and   H = LGE(2)F2(+) ,

where Edu2 + 2Fdudv + Gdv2  and Ldu2 + 2Mdudv + Ndv2  are the first

and second fundamental forms of the surface, respectively.

(iii)  State the  Theorema Egregium.

(iv)  Let S1  and S2  be two surfaces with surface patches

σi  : (  1, 1) × (  1, 1)  R3 .

Assume that the first fundamental forms with respect to these surface patches are identical. Suppose that the second fundamental form of S1  at σ 1 (0, 0) is L1  = 1, M1  = 0 and N1  = 0.  Can the second fundamental form of S2  at σ2 (0, 0) be L2  = 2, M2  = 1 and N2  = 2?  Justify your answer!

(v)  Give parametrizations of the following surfaces, as well as any conditions required for them to be regular:

(a) plane;

(b) generalized cylinder;

(c)  generalized cone;

(d) tangent developable.