
3次元曲面の微分幾何学において、臍点または臍点とは、曲面上で局所的に球形となる点のことである。このような点では、あらゆる方向の法線曲率が等しくなるため、主曲率も等しくなり、すべての接線ベクトルが主方向となる。「臍点」という名称は、ラテン語のumbilicus(へそ)に由来する。
臍点は一般的に、曲面の楕円領域、すなわちガウス曲率が正である領域に孤立した点として現れる。
球は、すべての点が臍点となる非ゼロ曲率を持つ唯一の曲面です。平坦な臍点とは、ガウス曲率がゼロの臍点のことです。モンキーサドルは平坦な臍点を持つ曲面の例であり、平面上のすべての点が平坦な臍点です。位相的にトーラスと同値な閉曲面は、臍点がゼロである場合もそうでない場合もありますが、ユークリッド空間に滑らかに埋め込まれた非ゼロのオイラー標数を持つすべての閉曲面は、少なくとも 1 つの臍点を持ちます。1924年にコンスタンティン・カラテオドリによって提唱された有名な予想では、位相的に球と同値なすべての滑らかな曲面は、少なくとも 2 つの臍点を持つとされています。[ 1 ]この予想はブレンダン・ギルフォイルとヴィルヘルム・クリンゲンベルクによって証明され、3 部に分けて発表されました[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 。この予想は、2024 年、予想の 100 年目に完結しました。
臍点の主な種類は、楕円臍点、放物線臍点、双曲臍点の3つです。楕円臍点には臍点を通る3本の稜線があり、双曲臍点には1本の稜線しかありません。放物線臍点は、2本の稜線があり、そのうちの1本が特異な過渡的なケースです。過渡的なケースには、他の構成も可能です。これらのケースは、ルネ・トムのカタストロフィー理論におけるD 4 −、D 5、D 4 +の基本カタストロフィーに対応します。楕円臍点と双曲臍点は構造的に安定していますが、放物線臍点は小さな摂動で破壊される可能性があるため、安定していません。
臍帯線は、臍帯線周辺の主方向ベクトル場のパターンによっても特徴づけられ、通常は星、レモン、レモン星(またはモンスター)の3つの構成のいずれかを形成します。ベクトル場のインデックスは、 − ½(星)または ½(レモン、モンスター)のいずれかです。楕円形および放物線状の臍帯線は常に星型パターンを持ちますが、双曲線状の臍帯線は星、レモン、またはモンスターのいずれかになります。この分類は最初にDarbouxによって行われ、名前は Hannay に由来します。[ 5 ]
孤立した臍点を持つ種数0の曲面、例えば楕円体の場合、ポアンカレ・ホップの定理により主方向ベクトル場の指数は 2 でなければならない。一般的な種数 0 の曲面は、指数 ½ の臍点を少なくとも 4 つ持つ。回転楕円体は、指数 1 の非一般的な臍点を 2 つ持つ。[ 6 ]
臍の分類は、実際の立方体の分類と密接に関連している。立方体には複数の根号が存在する。すべての実数に対して三次形式がゼロとなる考えられる可能性はいくつかあります。
均一スケーリングの下でのこのような立方体の同値類は、3次元実射影空間を形成し、放物線状の部分集合は、クリストファー・ジーマンによって「臍帯ブレスレット」と呼ばれる曲面を定義する。[ 7 ]座標系の回転の下で同値類を取ると、さらに1つのパラメータが取り除かれ、立方体の形状は複素立方体の形状で表すことができる。単一の複素パラメータを持つ放物線状の形状は、内側の三角筋では、楕円形が三角筋の内側にあり、双曲線形が外側にあります。そしてが1の立方根でない場合、立方体形式は直角立方体形式であり、臍帯に特別な役割を果たします。すると、2つの根線は直交する。[ 8 ]
2番目の3次形式であるヤコビアンは、ベクトル値関数のヤコビ行列式を取ることによって形成される。、定数倍を除いて、これは3次形式です複素数を用いると、ヤコビアンは次の場合に放物線状の3次形式となる。分類図の外側三角筋。[ 8 ]

原点に孤立した臍点を持つ任意の曲面は、モンジュ形式のパラメータ化として表現できる。、 どこは固有の主曲率です。臍部のタイプは、立方体部分からの立方体の形状と対応するヤコビアン立方体の形状によって分類されます。臍部では主方向が一意に定義されませんが、表面の隆起に沿って主方向の限界を見つけることができ、これらは立方体の形状の根線に対応します。曲率線のパターンはヤコビアンによって決定されます。[ 8 ]
臍点の分類は以下のとおりです。[ 8 ]
一般的な曲面の族では、臍帯線はペアで生成または消滅します。臍帯線の生成遷移です。両方の臍帯線は双曲型で、一方は星型パターン、もう一方はモンスター型パターンになります。図の外側の円、直角立方体の形状は、これらの遷移ケースを示します。記号的な臍帯線は、この特殊なケースです。[ 8 ]


楕円形の臍線と双曲形の臍線は、焦点面が明らかに異なります。表面の隆起は尖った縁に対応するため、楕円形の焦点面の各シートには、臍線の焦点で交わり、その後別のシートに切り替わる 3 つの尖った縁があります。双曲形の臍線の場合、1 つの尖った縁が一方のシートから他方のシートに切り替わります。[ 8 ]
リーマン多様体の部分多様体における点p は、点 pにおいて(ベクトル値の)第二基本形式が誘導計量 (第一基本形式)の法線ベクトルテンソルである場合に臍点である。同等に、点 pにおけるすべてのベクトルU、Vに対して、II( U、V ) = g p ( U、V )が成り立つ。 、 どこは点pにおける平均曲率ベクトルです。
部分多様体は、すべての点pにおいてこの条件が成り立つ場合、臍状(または全臍状)であると言われます。これは、周囲の(「周囲」)多様体の計量の適切な共形変換によって、部分多様体を完全に測地線にすることができる、ということと同値です。例えば、ユークリッド空間における曲面は、それが球面の一部である場合に限り、臍状です。