4 次元多面体から空間のかたちをみるー空間が曲がっているとはどういうことか 河野俊丈 2016 年 7 月 7 日学術俯瞰講義 図形から拡がる数理科学

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数学 ⅡB < 公理 > 公理を論拠に定義を用いて定理を証明する 1 大小関係の公理 順序 (a > b, a = b, a > b 1 つ成立 a > b, b > c a > c 成立 ) 順序と演算 (a > b a + c > b + c (a > b, c > 0 ac > bc) 2 図

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代数 幾何 < ベクトル > 1 ベクトルの演算 和 差 実数倍については 文字の計算と同様 2 ベクトルの成分表示 平面ベクトル : a x e y e x, ) ( 1 y1 空間ベクトル : a x e y e z e x, y, ) ( 1 1 z1

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" 01 JJM 予選 4 番 # 四角形 の辺 上に点 があり, 直線 と は平行である.=,=, =5,=,= のとき, を求めよ. ただし,XY で線分 XY の長さを表すものとする. 辺 と辺 の延長線の交点を, 辺 と辺 の延長線の交点を G とする. 5 四角形 は直線 に関して線対称な

p tn tn したがって, 点 の 座標は p p tn tn tn また, 直線 l と直線 p の交点 の 座標は p p tn p tn よって, 点 の座標 (, ) は p p, tn tn と表され p 4p p 4p 4p tn tn tn より, 点 は放物線 4 p 上を動くこと

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座標軸以外の直線のまわりの回転体の体積 ( バウムクーヘン分割公式 ) の問題の解答 立体の体積の求め方 図 1 の立体の体積 V を求める方法を考えてみる 図 1 図 1 のように 軸の から までの長さを 等分する そして とおく とすると となる 図 1 のように のときの 軸に垂直な平面 に

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補足 中学で学習したフレミング左手の法則 ( 電 磁 力 ) と関連付けると覚えやすい 電磁力は電流と磁界の外積で表される 力 F 磁 電磁力 F li 右ねじの回転の向き電 li ( l は導線の長さ ) 補足 有向線分とベクトル有向線分 : 矢印の位

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. 角の二等分線と調和平均 平面上に点 を端点とする線分 と を重ならないようにとる, とし とする の二等分線が線分 と交わる点を とし 点 から に垂直に引いた直線が線分 と交わる点 とする 線分 の長さを求めてみよう 点 から に垂直な直線と および との交点をそれぞれ, Dとする つの直角三

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相加平均 相乗平均 調和平均が表す比 台形 の上底 下底 の長さをそれぞれ, とするとき 各平均により 台形の高さ はどのように比に分けられるだろうか 相乗平均は 相似な つの台形になるから台形の高さ を : の 比に分ける また 相加平均は は : の比に分けます 調和平均は 対角線 と の交点を

テンソル ( その ) テンソル ( その ) スカラー ( 階のテンソル ) スカラー ( 階のテンソル ) 階数 ベクトル ( 階のテンソル ) ベクトル ( 階のテンソル ) 行列表現 シンボリック表現 [ ]

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平成 30 年度入学試験問題 数学 注意事項試験開始後, 問題冊子及び解答用紙のページを確かめ, 落丁, 乱丁あるいは印刷が不鮮明なものがあれば新しいものと交換するので挙手すること 1. 試験開始の合図があるまで問題冊子を聞かないこと 試験開始後は, すべての解答用紙に受験番号 氏名を記入すること

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数学 t t t t t 加法定理 t t t 倍角公式加法定理で α=β と置く. 三角関数

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二等辺三角形の性質 (2) 次の図の の大きさを求めなさい () = P=Q P=R Q 68 R P (2) (3) 五角形 は正五角形 = F 50 F (4) = = (5) === = 80 2 二等辺三角形の頂角の外角を 底角を y で表すとき y を の式で表しなさい y 2-5-2

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数学 Ⅲ 無限等比級数の問題解答 問 1 次の無限級数の和を求めよ (1) (5) (2) (6) (7) (3) ( 解 )(1) 初項 < 公比 < の無限等比級数より収束し (4) (2) (3) その和は ( 答 ) であるから 初項 < 公比 となっている よって 収束し その和は よって

【】 1次関数の意味

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公式集 数学 Ⅱ B 頭に入っていますか? 8 和積の公式 A + B A B si A + si B si os A + B A B si A si B os si A + B A B os A + os B os os A + B A B os A os B si si 9 三角関数の合成 si

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Math-Aquarium 例題 図形と計量 図形と計量 1 直角三角形と三角比 P 木の先端を P, 根元を Q とする A 地点の目の位置 A' から 木の先端への仰角が 30,A から 7m 離れた AQB=90 と なる B 地点の目の位置 B' から木の先端への仰角が 45 であ るとき,

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STEP 数学 Ⅰ を解いてみた から直線 に下ろした垂線の足を H とすると, H in( 80 ) in より, S H in H 同様にして, S in, S in も成り立つ よって, S in 三角形の面積 ヘロンの公式 in in 辺の長

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2006年3月25日 日本数学会市民講演会                           円周からなる図形  坪井 俊

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平成 25 年度京都数学オリンピック道場 ( 第 1 回 ) H 正三角形 ABC の外接円の,A を含まない弧 BC 上に点 P をとる. このとき, AP = BP + CP となることを示せ. 解説円周角の定理より, 4APC = 4ABC = 60, であるから, 図のよ

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平成 0 年度高校 1 年 ( 中入 ) シラバス予定 授業計画月単元 項目内容時数 10 節三角形への応用数学 Ⅱ 1 章方程式 式と証明 1 節整式 分数式の計算 1 正弦定理 2 余弦定理 三角形の面積 4 空間図形の計量 参 内接円の半径と三角形の面積 発展 ヘロンの公式 1 整式の乗法と因

点におけるひずみの定義 ( その1)-(ε, ε,γ ) の定義ひずみは 構造物の中で変化しているのが一般的である このために 応力と同様に 構造物内の任意の点で定義できるようにした方がよい また 応力と同様に 一つの点に注目しても ひずみは向きによって値が異なる これらを勘案し あ

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第3章図形と方程3章図形と方程式18 三平方の定理 直角三角形の斜辺の長さの 2 乗は 残る 2 辺の長さの 2 乗の和に 等しい このことから 一般の直角三角形でも その斜辺 ( 一番長い辺 ) を一辺とする正方形の面積 S 1 は 残りの 2 辺を一辺とする正方形の面積 S 2 と S 3 の和

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クレジット : UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 ライセンス : 利用者は 本講義資料を 教育的な目的に限ってページ単位で利用することができます 特に記載のない限り 本講義資料はページ単位でクリエイティブ コモンズ表示 - 非営利 - 改変禁止ライセンスの下に提供されています http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ 本講義資料内には 東京大学が第三者より許諾を得て利用している画像等や 各種ライセンスによって提供されている画像等が含まれています 個々の画像等を本講義資料から切り離して利用することはできません 個々の画像等の利用については それぞれの権利者の定めるところに従ってください

4 次元多面体から空間のかたちをみるー空間が曲がっているとはどういうことか 河野俊丈 2016 年 7 月 7 日学術俯瞰講義 図形から拡がる数理科学

今回の講義のテーマ (1) 地図の上で実際の曲線の長さをどう測るか? ー計量とは何か (2) 曲面の曲がり具合をどう表すか? ーガウス曲率 (3) 2 次元の幾何構造のモデルー非ユークリッド幾何学の発見 (4) 空間内から曲率を測れるか? ー内在的微分幾何学への流れ (5) 3 次元球面の幾何と 4 次元正多胞体

エラトステネスによる地球の大きさの測定 By Erzbischof From Wikimedia Commons. https://commons.wikimedia.org/wiki/file:eratosthenes.svg (ref. 20160720) CC BY-SA 3.0 http://www.phil-fak.uniduesseldorf.de/philo/galer ie/antike/eratosth.html Eratosthenes, BC275-BC194 アレクサンドリアとその南にあるシエネでの南中時の太陽の高度差から地球の大きさを求めた.

地球の外からの視点を使わないで地球が球形であることをどのように認識できるか? 大円で囲まれた三角形 ( 測地三角形 ) の内角の和は 180 度よりも大きい. 飛行機の航路は球の大円 ( 測地線 ) 地球上で距離を測るためには, 地図に表したときの縮尺 ( それぞれの点で縦方向, 横方向の縮小率と両者の角度の3つの情報が必要 ) これを 計量 とよぶ. UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

計量とは各点で内積を与えること 地図に座標を導入する. 座標についての基本ベクトルの内積を実際の長さを表すように定める. 内積の基本性質 について線型 を地図上の関数とみなす.

曲線の曲率とは? 速度ベクトル By Ikaxer From Wikimedia Commonshttps://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3% 82%A4%E3%83%AB:Transition_curve.gif (ref. 20160720) CC BY-SA 速度ベクトルの大きさが 1 になるようにパラメーター表示 線路の曲がり具合は曲率半径 R で表される 曲線の曲率は長さ 1 の青い矢印の始点の移動距離と右の円上の終点の移動距離の比 半径 R の円の曲率 K は逆数 1/R

曲面のガウス曲率 ガウス写像 曲面に垂直で長さ 1 のベクトルによって球面への写像を構成. ガウス写像によってうつされる部分の面積比がガウス曲率. 向きが逆になるときは負号をつける. 平面の曲率は 0 平面をまるめても曲率は 0

ガウス曲率と 3 角形の内角の和 3 角形の内角の和 <180 度 3 角形の内角の和 >180 度 3 角形の内角の和 =180 度 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND Gauss 1777-1855

http://www.ms.utokyo.ac.jp/~kohno/models/history. html (ref. 2017/5/2) ガウス曲率が負の一定値をとる曲面の模型 ( 東大数理所蔵 ) 制作 : ヤマダ精機

http://faculty.ms.u-tokyo.ac.jp/~topology/models/ncurved.html (ref. 2017/5/2) トラクトリクスの回転面

幾何構造へのアプローチ まずドーナツ面の幾何構造を考えよう トーラスは右のような展開図によって距離をさだめるとどの点のまわりも平面の円の内部と合同になる. トーラスの局所ユークリッド幾何構造 トーラスはフラットな構造をもつ

トーラスの幾何構造のモデル ユークリッド平面はトーラスの幾何構造のモデルである. トーラスからモデルとなる平面を再現するには, トーラスの一点について, そこに到達する 光源 すべてを観測すればよい. 13 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

局所ユークリッド曲面 局所的にユークリッド平面と合同な完備な曲面は次の 5 通りに分類される. 1 ユークリッド平面 2 シリンダー 3 トーラス 4 開いたメビウスの帯 5 クラインのつぼ 完備とは直線がどこまでものばせること ( 端がない ) トーラスとクラインのつぼはコンパクト ( 有限な広がり )

平面結晶群との関係 トーラス 4 つの特異点をもつオービフォールド クラインのつぼ 河野俊丈 結晶群 共立出版 2015 年 p. 131

局所ユークリッド曲面 局所的にユークリッド平面と合同な完備な曲面は次の 5 通りに分類される. 1 ユークリッド平面 2 シリンダー 3 トーラス 4 開いたメビウスの帯 5 クラインのつぼ 完備とは直線がどこまでものばせること ( 端がない ) トーラスとクラインのつぼはコンパクト ( 有限な広がり )

平面結晶群との関係 トーラス 4 つの特異点をもつオービフォールド クラインのつぼ 河野俊丈 結晶群 共立出版 2015 年 p. 131

局所ユークリッド曲面 局所的にユークリッド平面と合同な完備な曲面は次の 5 通りに分類される. 1 ユークリッド平面 2 シリンダー 3 トーラス 4 開いたメビウスの帯 5 クラインのつぼ 完備とは直線がどこまでものばせること ( 端がない ) トーラスとクラインのつぼはコンパクト ( 有限な広がり )

河野俊丈 結晶群 共立出版 2015 年 p. 80 クラインのつぼの模型

ユークリッド 原論 における公準 2 点を結ぶ直線がただ一つ存在する. 直線は両側にいくらでものばせる.... 紀元前 3, 4 世紀 平行線についての第 5 公準 1 つの線分が 2 つの直線に交わり, 同じ側の内角の和が 2 直角より小さいならば, この 2 つの直線は延長すると,2 直角より小さい角のある側において交わる. 2 直線が平行とは, それらを延長しても交わらないこと.

非ユークリッド幾何学の発見 1830 年頃, ロバチェフスキーとボヤイによって, 平行線についての第 5 公準 は満たさないが, ユークリッド原論の他の公準は満たす幾何学の体系が存在することが示された. http://www-history.mcs.standrews.ac.uk/pictdisplay/b olyai.html (ref. 2017/05/2) J. Boyai N. Lobachevsky http://www-groups.dcs.stand.ac.uk/~history/pictdisplay/lobachevsky.html

非ユークリッド幾何学のモデル ベルトラミ, ポアンカレ, クライン,... 上半平面モデル y>0 測地線は x 軸と直交する半円または半直線 測地線に関する反転によって距離は変わらない. 半径 r の円についての反転 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

ポスリエの反転機 http://faculty.ms.utokyo.ac.jp/~topology/models/ invertors.pdf (ref. 2017/5/2)

双曲幾何のモデルポアンカレ円板 ( 双曲平面 ) 測地線は無限遠の円周と直交する円弧 三角形の内角の和は 180 度より小さい 単位円の内部に縮尺で距離を入れる.

測地 3 角形の面積 Δ 内角 の測地 3 角形の面積 領域 Δ の面積

種数 2 の曲面 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

種数 2 の曲面の双曲幾何構造 ポアンカレ円板 内角が 45 度の正 8 角形の辺をはり合わせる. 河野俊丈 曲面の幾何構造とモジュライ 日本評論社 1997 年 p. 48 図 12 (1)(2)

2 次元幾何構造のモデル 球面 三角形の内角の和は 180 度より大 曲率正 ユークリッド平面 三角形の内角の和は 180 度 曲率 0 双曲平面 三角形の内角の和は 180 度より小 曲率負 トーラス 種数 2 以上の曲面

双曲平面のタイルばり {3,7} 型 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

双曲平面のタイルばり {4,5} 型 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

双曲平面のタイルばり {5, 5} 型 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

双曲平面のタイルばり {7, 3} 型 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND

擬球と双曲平面 http://faculty.ms.u-tokyo.ac.jp/~topology/models/ncurved.html (ref. 2017/5/2) 擬球の展開図を双曲平面上に表すことができる.

ガウスの定理 Theorema Egregium 曲面のガウス曲率は, 計量によって定まる. 曲率は曲面が入っている空間からみなくても, 内在的にさだまる. 等距離地図の不可能性地球のどんな小さい部分も縮尺一定の正確な地図はつくれない! 球面の曲率は正, 平面の曲率は 0 UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND 35

内在的な微分幾何学の確立 計量から出発して, 空間の曲がり具合を表す曲率の概念がリーマンによって定式化された. 局所的に n 個の座標で定義できる図形が n 次元多様体 計量 リーマン多様体 http://www.sil.si.edu /DigitalCollections/h st/scientificidentity/fullsize/sil1 4-R003-02a.jpg 測地線 さまざまな方向の測地 3 角形の内角を見る Riemann 1826-1866 リーマンの曲率テンソル UTokyo Online Education 学術俯瞰講義 2016 河野俊丈 CC BY-NC-ND 36

3 次元球面の幾何学と正多胞体 正多胞体は 3 次元球面の正則分割を与える. シュレフリー記号 0- セル 1- セル 2- セル 3- セル 正 5 胞体 {3, 3, 3} 5 10 10 5 正 8 胞体 {4, 3, 3} 16 32 24 8 正 16 胞体 {3, 3, 4} 8 24 32 16 正 24 胞体 {3, 4, 3} 24 96 96 24 正 120 胞体 {5, 3, 3} 600 1200 720 120 正 600 胞体 {3, 3, 5} 120 720 1200 600 3 次元球面のオイラー数は 0

グラム行列 グラム行列 ベクトル a, b が一次独立ならば, グラム行列の行列式は正