<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.4 20241031//EN" "JATS-journalpublishing1-4.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article" dtd-version="1.4" xml:lang="en">
  <front>
    <journal-meta>
      <journal-id journal-id-type="publisher-id">jamp</journal-id>
      <journal-title-group>
        <journal-title>Journal of Applied Mathematics and Physics</journal-title>
      </journal-title-group>
      <issn pub-type="epub">2327-4379</issn>
      <issn pub-type="ppub">2327-4352</issn>
      <publisher>
        <publisher-name>Scientific Research Publishing</publisher-name>
      </publisher>
    </journal-meta>
    <article-meta>
      <article-id pub-id-type="doi">10.4236/jamp.2026.144065</article-id>
      <article-id pub-id-type="publisher-id">jamp-150708</article-id>
      <article-categories>
        <subj-group>
          <subject>Article</subject>
        </subj-group>
        <subj-group>
          <subject>Physics</subject>
          <subject>Mathematics</subject>
        </subj-group>
      </article-categories>
      <title-group>
        <article-title>Gaussian Curvature: From Definition of Measure of Curvature to Discrete Gaussian Curvature</article-title>
      </title-group>
      <contrib-group>
        <contrib contrib-type="author">
          <name name-style="western">
            <surname>Giuliani</surname>
            <given-names>Donatella</given-names>
          </name>
          <xref ref-type="aff" rid="aff1">1</xref>
        </contrib>
      </contrib-group>
      <aff id="aff1"><label>1</label> School of Economics, Management and Statistics, University of Bologna, Bologna, Italy </aff>
      <author-notes>
        <fn fn-type="conflict" id="fn-conflict">
          <p>The author declares no conflicts of interest regarding the publication of this paper.</p>
        </fn>
      </author-notes>
      <pub-date pub-type="epub">
        <day>01</day>
        <month>04</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <pub-date pub-type="collection">
        <month>04</month>
        <year>2026</year>
      </pub-date>
      <volume>14</volume>
      <issue>04</issue>
      <fpage>1385</fpage>
      <lpage>1415</lpage>
      <history>
        <date date-type="received">
          <day>06</day>
          <month>01</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="accepted">
          <day>10</day>
          <month>04</month>
          <year>2026</year>
        </date>
        <date date-type="published">
          <day>13</day>
          <month>04</month>
          <year>2026</year>
        </date>
      </history>
      <permissions>
        <copyright-statement>© 2026 by the authors and Scientific Research Publishing Inc.</copyright-statement>
        <copyright-year>2026</copyright-year>
        <license license-type="open-access">
          <license-p> This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license ( <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ext-link> ). </license-p>
        </license>
      </permissions>
      <self-uri content-type="doi" xlink:href="https://doi.org/10.4236/jamp.2026.144065">https://doi.org/10.4236/jamp.2026.144065</self-uri>
      <abstract>
        <p>This work traces the historical and mathematical evolution of the Gaussian curvature, from Gauss’s original integral formulation to contemporary discrete computational approaches. Understanding this historical progression provides essential insights for implementing geometric applications and advancing research in geometry. Gaussian curvature plays a fundamental role in feature analysis of two-dimensional structures and surfaces bounding three-dimensional solids. This research provides foundational knowledge in surface differential geometry and discrete computational geometry, equipping researchers with the conceptual framework necessary for both theoretical investigation and practical implementation. This rigorous examination of the theoretical foundations and computational methods of the Gaussian curvature can facilitate the development of robust geometric applications across multiple scientific domains.</p>
      </abstract>
      <kwd-group kwd-group-type="author-generated" xml:lang="en">
        <kwd>Gaussian Curvature</kwd>
        <kwd>Discrete Gaussian Curvature</kwd>
        <kwd>Gauss Map</kwd>
        <kwd>Theorem of Gauss-Bonnet</kwd>
        <kwd>Euler-Poincarè Characteristic</kwd>
      </kwd-group>
    </article-meta>
  </front>
  <body>
    <sec id="sec1">
      <title>1. Introduction</title>
      <p>Three-dimensional structures are bounded by surfaces, so what we perceive first is the external casing of an object, that is, its surface. Therefore, the study of the most important characteristics of a surface becomes of fundamental relevance for analysis, classification and recognition of objects in the real world. In the following sections, we focus on some basic concepts and definitions relating to the geometry of smooth surfaces. This summary tries to deepen some aspects of the intrinsic and extrinsic geometry of regular surfaces, making particularly reference to Gaussian curvature. The main aim of this paper is to reconstruct the path that led from the original definition <italic>of measure of curvature</italic> by Gauss K. F. (1827) to the computational calculation of Gaussian curvature for discrete surfaces that are generally approximated by planar triangles or polygons. This work is suitable for providing the basics of differential geometry and topology to those who need to develop computational applications.</p>
    </sec>
    <sec id="sec2">
      <title>2. Gauss Map and Gaussian Curvature</title>
      <p>An immediate and direct way to interpret a surface is imaging that a flat rubber sheet <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is stretched and deformed into a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> embedded into the three-dimensional space <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , as illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig1">Figure 1</xref>. Its geometry is described by a map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from a region <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in the Euclidean space <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to a subset <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>].</p>
      <fig id="fig1">
        <label>Figure 1</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId29.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 1</bold><bold>.</bold> Surface representation.</p>
      <p>The differential (see<bold>Appendix 1</bold>) of such a map, denoted by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, indicates how to transform a vector <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> applied at a point <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> P </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the corresponding vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , after having deformed and stretched <inline-formula><mml:math><mml:mi> U </mml:mi></mml:math></inline-formula> into <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig2">Figure 2</xref>).</p>
      <p>The vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belongs to the bundle of complanar vectors coming out from <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> and forming the tangent plane <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <fig id="fig2">
        <label>Figure 2</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId52.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 2</bold><bold>.</bold> Differential map.</p>
      <p>So far, we have been talking about tangent plane, let us introduce a great simplification by associating the vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> orthogonal to it and with length equal to one, called <italic>unit normal vector</italic>. Practically, from now on, instead of tangent plane we deal with its normal vector. If we are able to define a specific orientation of the normal vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the surface is said to be <italic>orientable</italic>. For orientable surfaces, we can actually define a continuous map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> which associates each point <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with its unit normal <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Through the differential of this map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we can explore changes of the normal direction while moving from one point of the surface to another. By investigating the variations of the normal direction along a particular tangent direction, we are able to carry out information about the geometry of the surface, especially on the changes of its curvatures.</p>
      <p>Historically, K. F. Gauss was the first to use the mapping between each point <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> of a surface and the associated unit normal vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , introducing its representation as a point on a unit sphere in <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <italic>i.e.</italic> a sphere with radius equal to one.</p>
      <p>The need of coming back to the original definitions included in mathematical texts is now widely recognized and considered of the utmost importance. Since the introduction of the treatise entitled “<italic>Disquisitiones</italic><italic>Generales Circa Superficies Curvas</italic>” (1827), Gauss suggested investigating the characteristics of a surface by resorting to the so-called <italic>auxiliary sphere</italic>. For this reason, it will be the starting point of this summary as well, despite the use of the modern symbolic representation of differential geometry. Basically, aim of this work is to explain how, from the initial definition of <italic><bold>measure of curvature</bold></italic> introduced by Gauss (see Equation (15)), we arrive at the current definition used in differential geometry, as shown with Equation (19) and at the end, at the discrete Gaussian curvature. Hereinafter, we proceed with a synthetic analysis of some fundamental concepts of differential geometry, for all those familiar with them referred to the final part of this paragraph, for a more in-depth reading refer to classic textbooks [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>].</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a regular surface, given a parametrization <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we can define a unit normal vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at each point <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the formula:</p>
      <disp-formula id="FD1">
        <label>(1)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>N</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>×</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>|</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mi>x</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mi>y</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mi>z</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>,</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the partial derivative with respect the parametric coordinates <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Thus, if the map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> : </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , that associates to each <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a unit normal vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is differentiable, we shall say that the surface is orientable. Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a surface with an orientation <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> . The map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , called the <italic>Gauss Map</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , takes its values in the unit sphere <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> y </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> z </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> : </mml:mo><mml:msup><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> y </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo><mml:msup><mml:mi> z </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the auxiliary sphere. Using the Gauss Map, we may bring back to the unit sphere the study of variations of the normal to the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , in this way we are able to explore the shape of a surface and to measure how much a surface varies and curves in the space (<xref ref-type="fig" rid="fig3">Figure 3</xref>).</p>
      <fig id="fig3">
        <label>Figure 3</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId101.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 3</bold><bold>.</bold> Gauss map.</p>
      <p>The Gauss map uniquely determines the tangent planes to the surface, since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the orthogonal of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Therefore, the variation of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> measures how the tangent planes change, that is, how far the surface is from being a plane. Basically, the tangent plane <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the closest linear approximation to <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> , so it is reasonable to expect that the curvature of a surface is related to the differential of the Gauss map. Consequently, from now on, we focus on the differential of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the differential of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the tangent plane at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , respectively. Strictly speaking, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are not the same vector spaces, although they both are 2-dimensional and oriented in a parallel way. Despite these proper considerations, we may reasonably identify these two spaces <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> N </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . So, we consider the differential <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that can be thought as a linear map on <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , able to map tangent vectors to tangent vectors. The differential <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> quantifies the measure of how the normal <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> differs by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in a neighborhood of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Unlike what happens in the one-dimensional case, in this context we do not have a preferred direction, for example the horizontal one. Thus, the rate of change of the normal vector <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> have to be investigated in a neighborhood of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> recurring to parametrized curves passing at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> and lying on the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . To interpret and compute, the differential of the Gauss map, let us consider a parameterized and differentiable curve <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig4">Figure 4</xref>), where <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the arc length, we get:</p>
      <disp-formula id="FD2">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>X</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>u</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>y</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mi>z</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>S</mml:mi>
            <mml:mo>⊂</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>3</mml:mn>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The tangent vector of the curve <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> is given by:</p>
      <disp-formula id="FD3">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>α</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>u</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mi>u</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>X</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>∂</mml:mo>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mi>v</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mi>t</mml:mi>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The natural inner product of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> induces on the tangent plane <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> an inner product, a bilinear symmetric form that is equal to the inner product of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> seen as 3-dimensional vectors of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . So, given two vectors <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have:</p>
      <fig id="fig4">
        <label>Figure 4</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId188.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 4.</bold> Differentiable curve on surface <italic>S</italic>.</p>
      <disp-formula id="FD4">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:mi>R</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>To this inner product, it is associated a quadratic form <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> called the <italic>first fundamental form</italic> of the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> :</p>
      <disp-formula id="FD5">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>‖</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>‖</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>that allows us to make measures on it, such as angles between tangent vectors, length of arcs, areas of regions etc., without referring to the 3-dimensional space <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on which the surface is embedded. Without loss of generality, we suppose that for t = 0 <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we say that the parameterization is centered at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Thus, we may express the first fundamental form in the basis <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the plane <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> considering the tangent vector to the parametrized curve <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain:</p>
      <disp-formula id="FD6">
        <label>(2)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>I</mml:mi>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>(</mml:mo>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                        <mml:mo>)</mml:mo>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>F</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:msup>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> G </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,these numbers are named <italic>metric coefficients</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> or <italic>coefficients of the first fundamental form</italic>. In matrix form Equation (2) will be:</p>
      <disp-formula id="FD7">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>G</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The differential of Gauss map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a self-adjoint linear map satisfying, by definition, the relation:</p>
      <disp-formula id="FD8">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>w</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>∀</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>,</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>w</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>∈</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Coming back to the Gauss map, the composite function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∘ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be interpreted as a normal vector field restricted to the curve <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , more explicitly we have:</p>
      <disp-formula id="FD9">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>N</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>α</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>N</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mi>y</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mi>z</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Using the chain rule, its differential is defined as:</p>
      <disp-formula id="FD10">
        <label>(3)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtable>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>N</mml:mi>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>N</mml:mi>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>N</mml:mi>
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>N</mml:mi>
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>N</mml:mi>
                                  <mml:mi>y</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>N</mml:mi>
                                  <mml:mi>z</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mo>∂</mml:mo>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                    </mml:mtable>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtable>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                <mml:mi>t</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mfrac>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                <mml:mi>t</mml:mi>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mfrac>
                          </mml:mrow>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                    </mml:mtable>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtext>d</mml:mtext>
                        <mml:mi>t</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>x</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>y</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mi>z</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>∂</mml:mo>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mi>t</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belonging to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Based on our preliminary assumption <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, so the vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belonging to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> measures the rate of change of the normal vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . In summary, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> measures how the normal vector at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> varies when moving along the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the direction of the tangent vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The main goal of this summary is to arrive at a meaningful definition of the concept of curvature of a surface. There are, at least, two ways to proceed, one more geometric and the other more analytical, which however will lead to the same result. Let us start with the geometrical approach, considering a more explicit representation of vectors lying on the tangent plane.</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a parametrized curve lying in <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , as asserted above, the tangent vector is:</p>
      <disp-formula id="FD11">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:msup>
                <mml:mi>α</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a regular curve on <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> parametrized by the arc length, we can set <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the tangent vector belonging to the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Orthonormal_basis">orthonormal basis</ext-link> of the Frenet-Serret coordinate system.</p>
      <p>Given that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , by differentiating we obtain <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>This result implies that the second derivative <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is normal to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , it measures how rapidly the curve moves away from the tangent line in a neighborhood of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> be the unit vector perpendicular to <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> τ </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> , we can introduce the relationship:</p>
      <disp-formula id="FD12">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:msup>
                <mml:mi>α</mml:mi>
                <mml:mo>″</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>k</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>n</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is termed curvature of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The above vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> k </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be decomposed in two components: the first one <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> cos </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defines the <italic>normal curvature</italic> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> parallel to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the second one <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> sin </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <italic>geodesic curvature</italic>, where <inline-formula><mml:math><mml:mi> θ </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the angle between <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig5">Figure 5</xref>).</p>
      <fig id="fig5">
        <label>Figure 5</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId313.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 5.</bold> Normal and geodesic curvatures.</p>
      <p>In other words, the normal curvature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the signed length of the projection of the acceleration vector <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ″ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> on the normal direction to the surface. The normal curvature has also another interpretation. In differential geometry a <italic>normal section</italic> is the regular plane curve formed by slicing a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> with a plane that contains <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the curvature of the normal section at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> is equal to the absolute value of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Given a point on the surface, there is only one vector normal to it. There are infinitely many planes containing this vector and passing through a given point, these normal planes intersect the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> in curves, <italic>i.e.</italic> the normal sections, for which the geodesic curvature is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The curves having null geodesic curvature are called <italic>geodesics</italic>, they are curves of shortest length between two points belonging to the surface. Essentially, on a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Manifold">curved surface</ext-link> the concept of geodesic extends the concept of straight line in the Euclidean space. Intuitively, geodesic curvature measures how far a curve is from being a geodesic. The normal section is a curve that depends only on the geometry of the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the direction of a given tangent vector. Practically, the normal section represents the behavior of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> in the direction of <inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> reasonably well. There are infinitely many planes normal to the surface and therefore infinitely many normal sections with different normal curvatures. The minimum and maximum values of these curvatures are called <italic>principal curvatures</italic>(<xref ref-type="fig" rid="fig6">Figure 6</xref>).</p>
      <fig id="fig6">
        <label>Figure 6</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId341.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 6.</bold> Principal curvatures.</p>
      <p>Euler was the first to introduce the concept of normal curvature as the curvature of the section obtained from a plane perpendicular to a surface and passing through a given point on it. By rotating the plane, one obtains curves with different curvatures. Among these normal curvatures, there is one, indicated by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , that assumes a minimum value and one <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that has the maximum value, <italic>i.e.</italic> the principal curvatures. In this framework, the Gaussian curvature at the surface point in consideration was defined as:</p>
      <disp-formula id="FD13">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>K</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>As we see later, this definition derives straightforward from the initial geometric definition of curvature introduced by Gauss.</p>
      <p>Let us introduce now the second approach, the analytical one. Let us come back to the linear map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, since <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> belong to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we may write: </p>
      <disp-formula id="FD14">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>N</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD15">
        <label>(4)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>N</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>hence by Equation (3),</p>
      <disp-formula id="FD16">
        <label>(5)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>d</mml:mtext>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>N</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>N</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>t</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>N</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>N</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>11</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>21</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>u</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>12</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>22</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>v</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>rearranging Equation (5) we have:</p>
      <disp-formula id="FD17">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>d</mml:mtext>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>N</mml:mi>
              <mml:mo>→</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>11</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>12</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>u</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>21</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>22</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>X</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>v</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>It shows that the linear map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be represented in the basis <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the matrix:</p>
      <disp-formula id="FD18">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>11</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>12</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>21</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>22</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If the basis <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is orthonormal, the matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> is symmetric. The determinant of the matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> det </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 11 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 22 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 12 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 21 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and its <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> trace </mml:mtext><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 11 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> + </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 22 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> do not depend on the choice of the basis but on the linear map. Furthermore, given that the differential of the Gauss map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a self-adjoint linear map, it is possible to associate to it a bilinear map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> I </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> × </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined by:</p>
      <disp-formula id="FD19">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>w</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Moreover, the fact that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a self-adjoint linear map makes the bilinear map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> I </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> symmetric. It can be proved that, given a self-adjoint linear map, there exists a orthonormal basis such that the associated matrix is a diagonal matrix, whose elements on the diagonal are the maximum and the minimum of the corresponding quadratic form obtained with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> w </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and restricted to the unit circle of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , in other words to unit vectors of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig7">Figure 7</xref>):</p>
      <disp-formula id="FD20">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If we consider the parametrized curve <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and denote with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the restriction of the normal vectors of the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> to the curve <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have:</p>
      <fig id="fig7">
        <label>Figure 7</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId407.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 7.</bold> Unit circle of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <disp-formula id="FD21">
        <label>(6)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>because the vectors are perpendicular. Then, by differentiating Equation (6), we get:</p>
      <disp-formula id="FD22">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>″</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD23">
        <label>(7)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>α</mml:mi>
                    <mml:mo>″</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Therefore, analyzing the quadratic form associated to the bilinear map <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> I </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:msup><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we obtain by Equation (3) and Equation (7):</p>
      <disp-formula id="FD24">
        <label>(8)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>I</mml:mi>
                <mml:mi>I</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>α</mml:mi>
                            <mml:mo>′</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msup>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mo>′</mml:mo>
                    </mml:msup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>″</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The expression of Equation (8) is called the <italic>second fundamental form</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p>The second fundamental form, like the normal curvature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> defined by Euler, allows us to associate a number to each unit tangent vector of a surface. Evidently, it is closely related to how much a surface curves in the space. From the geometrical point of view, the meaning of the second fundamental form <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> I </mml:mi><mml:msub><mml:mi> I </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for a unit vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the normal curvature of a regular curve passing through <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> and tangent to <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> . Moreover, starting from a local parametrization, the second fundamental form is very simple to compute unlike the geometrical evaluation of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Lastly, we can state that the normal curvature can be computed using the second fundamental form.</p>
      <p>From now on, the quadratic form at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> will be indicated as:</p>
      <disp-formula id="FD25">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>I</mml:mi>
            <mml:msub>
              <mml:mi>I</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>d</mml:mtext>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>N</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Given that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> : </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a self-adjoint linear map, there exists an orthonormal basis <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which implies that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are eigenvectors and eigenvalues of the matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> . In the basis <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the matrix <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> is clearly diagonal and the elements <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the maximum and the minimum, respectively of the quadratic form <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> − </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, we can conclude that the eigenvalues of <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> are the principal curvatures of the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> and its determinant is:</p>
      <disp-formula id="FD26">
        <label>(9)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>det</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>More explicitly, referring to a parametrization of the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , we are able to express the quadratic form at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> as:</p>
      <disp-formula id="FD27">
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>I</mml:mi>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>I</mml:mi>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtext>d</mml:mtext>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:msup>
                            <mml:mi>α</mml:mi>
                            <mml:mo>′</mml:mo>
                          </mml:msup>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mo>(</mml:mo>
                          <mml:mn>0</mml:mn>
                          <mml:mo>)</mml:mo>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>α</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>(</mml:mo>
                      <mml:mn>0</mml:mn>
                      <mml:mo>)</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mo>+</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>〈</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>,</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>〉</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:msup>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>u</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
                <mml:mi>f</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                  <mml:mo>′</mml:mo>
                </mml:msup>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>g</mml:mi>
                <mml:msup>
                  <mml:msup>
                    <mml:mi>v</mml:mi>
                    <mml:mo>′</mml:mo>
                  </mml:msup>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where:</p>
      <disp-formula id="FD28">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD29">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are called <italic>coefficients of the second fundamental form</italic>. The perpendicular condition implies that:</p>
      <disp-formula id="FD30">
        <label>(10)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>differentiating respect <inline-formula><mml:math><mml:mi> v </mml:mi></mml:math></inline-formula> Equation (10), we have:</p>
      <disp-formula id="FD31">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD32">
        <label>(11)</label>
        <mml:math>
          <mml:mi>u</mml:mi>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD33">
        <label>(11)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD34">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>N</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Recurring to the first fundamental form Equation (2):</p>
      <disp-formula id="FD35">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>11</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>21</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>F</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD36">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>11</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>21</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>F</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>G</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD37">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>f</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>12</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>22</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>F</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD38">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>g</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>N</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>〈</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>12</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>22</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>〉</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>〈</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>,</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>〉</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>F</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mi>G</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Rewriting these equations in matrix form:</p>
      <disp-formula id="FD39">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>11</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>21</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>12</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>22</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>F</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>G</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Hence, the matrix associated to the first fundamental form will be:</p>
      <disp-formula id="FD40">
        <label>(12)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>11</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>21</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>12</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>22</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtable>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>E</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>F</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>F</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>G</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                    </mml:mtable>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> E </mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> F </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> F </mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> G </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the inverse matrix of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> E </mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> F </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi> F </mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi> G </mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that can be immediately evaluated:</p>
      <disp-formula id="FD41">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>[</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mtable>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>E</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>F</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                      <mml:mtr>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>F</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                        <mml:mtd>
                          <mml:mi>G</mml:mi>
                        </mml:mtd>
                      </mml:mtr>
                    </mml:mtable>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>]</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>1</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>G</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>From Equation (12) we have:</p>
      <disp-formula id="FD42">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>11</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>21</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>12</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>a</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mn>22</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>e</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>g</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>G</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>[</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtable>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                        <mml:mi>G</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mi>E</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                  <mml:mtr>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>g</mml:mi>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mi>G</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                    <mml:mtd>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>f</mml:mi>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mo>−</mml:mo>
                        <mml:mi>g</mml:mi>
                        <mml:mi>E</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mtd>
                  </mml:mtr>
                </mml:mtable>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>]</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Applying the determinant’s rules to Equation (12) and keeping in mind Equation (9), [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]-[<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>] we deduce that:</p>
      <disp-formula id="FD43">
        <label>(13)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>det</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>11</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>22</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>12</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:msub>
              <mml:mi>a</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mn>21</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>g</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>E</mml:mi>
                <mml:mi>G</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>⋅</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>k</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Let us carry out another important result that will be very useful in the following formulas, using Equation (4) we obtain:</p>
      <disp-formula id="FD44">
        <label>(14)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>N</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>11</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>21</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>12</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>u</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>22</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>X</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>11</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>12</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>11</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>22</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>21</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>12</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>21</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>22</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>11</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>22</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>21</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>a</mml:mi>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mn>12</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mi>det</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>X</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Now, we would like to go back to the original definition of the Gaussian curvature given by Gauss [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]:</p>
      <p>“<italic>To each part of a curved surface</italic><italic>inclosed</italic><italic>within definite limits</italic>,<italic>we assign a</italic><italic><bold>total</bold></italic><italic>or</italic><italic><bold>integral curvature</bold></italic>,<italic>which is represented by the area of the figure on the sphere corresponding to it</italic>.<italic>From this integral curvature must be distinguished the somewhat more specific curvature which we shall call the</italic><italic><bold>measure of curvature</bold></italic>.<italic>The latter refers to a point of the surface</italic>,<italic>and shall denote the quotient obtained when the integral curvature of the surface element about a point is divided by the area of the element itself; hence it denotes the ratio of the infinitely small areas which corresponds to one another on the curved surface and on the sphere</italic>”.</p>
      <p>Essentially, Gauss began with the introduction of the concept of integral curvature referring to the curvature of a limited region of the surface under examination, while he indicated with the term measure of curvature the curvature associated to a specific point, nowadays simply termed Gaussian curvature. In short, the integral curvature of a compact region <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is defined as:</p>
      <disp-formula id="FD45">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>From the geometrical point of view, Gauss defined the measure of curvature in the following way:</p>
      <p><bold>Definition:</bold> Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a point of a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> and let <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> a connected neighborhood of <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> where the measure of curvature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> p </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> does not change the sign, we have:</p>
      <disp-formula id="FD46">
        <label>(15)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>K</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>p</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:munder>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>lim</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
                <mml:mn>0</mml:mn>
              </mml:mrow>
            </mml:munder>
            <mml:mfrac>
              <mml:msup>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mi>A</mml:mi>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the area of a region <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> containing <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the area of the image of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by the Gauss Map (<xref ref-type="fig" rid="fig8">Figure 8</xref>), and the limit is taken through a sequence of open sets <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> B </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that converges to <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> for <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> sufficiently large.</p>
      <p>We would now like to highlight that this definition can be traced back to the one given by Euler.</p>
      <p>Given a parametrization <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> , the area <inline-formula><mml:math><mml:mi> A </mml:mi></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> that can be assumed being sufficiently small, is given by [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]:</p>
      <disp-formula id="FD47">
        <label>(16)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:msqrt>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>E</mml:mi>
                      <mml:mi>G</mml:mi>
                      <mml:mo>−</mml:mo>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>F</mml:mi>
                        <mml:mn>2</mml:mn>
                      </mml:msup>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msqrt>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <fig id="fig8">
        <label>Figure 8</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId572.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 8.</bold> Parametrization <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of a surface and Gauss Map.</p>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the area of the region in the <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> u </mml:mi><mml:mi> v </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> plane corresponding to <inline-formula><mml:math><mml:mi> B </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The area <inline-formula><mml:math><mml:msup><mml:mi> A </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> B </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is:</p>
      <disp-formula id="FD48">
        <label>(17)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Using Equation (14) we recall that: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> × </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ⋅ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> × </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <disp-formula id="FD49">
        <label>(18)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msup>
              <mml:mi>A</mml:mi>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>N</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>u</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mover accent="true">
                          <mml:mi>X</mml:mi>
                          <mml:mo>→</mml:mo>
                        </mml:mover>
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>|</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>u</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>v</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Going to the limit for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , Equation (15) can be written as:</p>
      <disp-formula id="FD50">
        <label>(19)</label>
        <mml:math>
          <mml:mtable>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mi>K</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>p</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>lim</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>R</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:munder>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:msup>
                        <mml:mi>A</mml:mi>
                        <mml:mo>′</mml:mo>
                      </mml:msup>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mfrac>
                      <mml:mi>A</mml:mi>
                      <mml:mi>R</mml:mi>
                    </mml:mfrac>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:munder>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>lim</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>A</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                    <mml:mn>0</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:munder>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle displaystyle="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mo>∬</mml:mo>
                          <mml:mi>R</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>⋅</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:msub>
                              <mml:mo>×</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mstyle displaystyle="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mo>∬</mml:mo>
                          <mml:mi>R</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:msub>
                              <mml:mo>×</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:munder>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>lim</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>R</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:munder>
                    <mml:mstyle displaystyle="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mo>∬</mml:mo>
                          <mml:mi>R</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>⋅</mml:mo>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>k</mml:mi>
                            <mml:mn>2</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:msub>
                              <mml:mo>×</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:munder>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>lim</mml:mi>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>R</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                        <mml:mn>0</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:munder>
                    <mml:mstyle displaystyle="true">
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mo>∬</mml:mo>
                          <mml:mi>R</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                            <mml:mrow>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>u</mml:mi>
                              </mml:msub>
                              <mml:mo>×</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mover accent="true">
                                  <mml:mi>X</mml:mi>
                                  <mml:mo>→</mml:mo>
                                </mml:mover>
                                <mml:mi>v</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mo>|</mml:mo>
                          </mml:mrow>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                          <mml:mtext>d</mml:mtext>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mrow>
                    </mml:mstyle>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
            <mml:mtr>
              <mml:mtd>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>⋅</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>k</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mover accent="true">
                            <mml:mi>X</mml:mi>
                            <mml:mo>→</mml:mo>
                          </mml:mover>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mo>×</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mover accent="true">
                            <mml:mi>X</mml:mi>
                            <mml:mo>→</mml:mo>
                          </mml:mover>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mover accent="true">
                            <mml:mi>X</mml:mi>
                            <mml:mo>→</mml:mo>
                          </mml:mover>
                          <mml:mi>u</mml:mi>
                        </mml:msub>
                        <mml:mo>×</mml:mo>
                        <mml:msub>
                          <mml:mover accent="true">
                            <mml:mi>X</mml:mi>
                            <mml:mo>→</mml:mo>
                          </mml:mover>
                          <mml:mi>v</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>|</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mfrac>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>⋅</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mtd>
            </mml:mtr>
          </mml:mtable>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The previous formulas put in evidence that the Gaussian curvature <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> , defined by Euler as product of the principal curvatures <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be directly carried out from the original Gauss’s definition of measure of curvature Equation (15). In turn, the principal curvatures are evaluated as eigenvalues of the matrix A, associated to the differential of the Gauss Map:</p>
      <disp-formula id="FD51">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mtext>d</mml:mtext>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>N</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>:</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>→</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mi>p</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p><bold>Definition:</bold> The sign of the Gaussian curvature can be used to characterize a point <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> of a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , that it is called (<xref ref-type="fig" rid="fig9">Figure 9</xref>):</p>
      <p><italic>Elliptic</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> det </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 11 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 22 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 21 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 12 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have the same sign</p>
      <p><italic>Hyperbolic</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> det </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 11 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 22 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 21 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 12 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> have opposite signs</p>
      <p><italic>Parabolic</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> det </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 11 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 22 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 21 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 12 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> or <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is null</p>
      <p><italic>Planar</italic> if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> det </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> p </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 11 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 22 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 21 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mn> 12 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, namely if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are null.</p>
      <fig id="fig9">
        <label>Figure 9</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId625.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 9.</bold> Classification of geometric points.</p>
      <p>At elliptic points, the surface will be dome like, locally lying on one side of its tangent plane. At hyperbolic or <italic>saddle</italic> points the principal curvatures have opposite signs, so there are normal sections through <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> whose normal vectors point toward one side or the other side of the tangent plane. Most surfaces will contain regions of positive Gaussian curvature and regions of negative Gaussian curvature separated by a curve of points with zero Gaussian curvature called a <italic>parabolic line</italic>. When a surface has everywhere<italic>null</italic> Gaussian curvature, the geometry of the surface is the <italic>Euclidean geometry</italic>. When the Gaussian curvature of a surface is <italic>positive</italic> and <italic>constant</italic> at every point, like a sphere of radius <italic>R</italic> whose curvature is positive, constant, and equal to <italic>R</italic><sup>2</sup>, then the geometry of the surface is <italic>spherical geometry</italic>. If the curvature is <italic>negative</italic> and <italic>constant</italic> at every points, like a pseudo-sphere of radius <italic>R</italic>, having curvature −1/<italic>R</italic><sup>2</sup> in each point and generated by rotating a tractrix around a central axis, the geometry of the surface is <italic>hyperbolic geometry</italic> (<xref ref-type="fig" rid="fig10">Figure 10</xref>).</p>
      <fig id="fig10">
        <label>Figure 10</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId628.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 10.</bold> Pseudo-Sphere.</p>
      <p>The Gaussian curvature is carried out from the first fundamental form and can be expressed through the partial derivatives of first and second order of the surface parametrization. Therefore, it is an<italic>intrinsic</italic> measure, depending only on distances that are computed within or along the surface, not on the way it is <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Embedding">embedded</ext-link> in Euclidean space. In this regard, we can make an illustrative consideration that may seem bizarre: any human being can be able to evaluate the curvature of the surface that hosts him remaining on it, without referring to any external coordinate system. Moreover, the definition of Gauss curvature, based on the first fundamental form, allows us to state the <italic>Remarkable Theorem</italic>(<italic>Egregium</italic><italic>Theorem</italic>) of Gauss [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]:</p>
      <p>“<italic>The Gaussian curvature K of a surface is invariant by local isometry</italic><italic>.</italic>”</p>
      <p>We recall that an isometry of a metric space onto another or onto itself is a mapping that preserves the distances between any two points. Therefore, regardless the embedding of a surface in the space, the Gaussian curvature does not change. For example, if a sheet of paper, with zero Gaussian curvature, is rolled up into a cylinder, or is crumpled or wrinkled, its Gaussian curvature remains unchanged (<xref ref-type="fig" rid="fig11">Figure 11</xref>). On the contrary, the <italic>mean curvature</italic>, defined as:</p>
      <disp-formula id="FD52">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>H</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>trace</mml:mtext>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mi>A</mml:mi>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>11</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>a</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mn>22</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>is an <italic>extrinsic</italic> curvature, namely the Gaussian curvature of a cylindrical tube is zero, as for the unrolled tube, but its mean curvature is not zero, so the former surface is extrinsically different from the latter.</p>
      <fig id="fig11">
        <label>Figure 11</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId632.jpeg?20260415112810" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 11.</bold> Different embedding of the same sheet in R<sup>3</sup> space.</p>
      <p>The <italic>Remarkable Theorem</italic> entails some particularly important consequences. A surface can be superimposed on another only if the two surfaces have the same curvature. Hence, it solves the age-old question of the representation of one surface on another, especially the cartographic representation of the Earth’s surface on a flat map. This theorem states that is impossible to represent Earth’s surface having positive curvature everywhere on a flat sheet of paper having null curvature. From the theoretical point of view, the <italic>Remarkable Theorem</italic> implies that a piece of surface, for example a triangle or another geometric figure, can be transported from one part of the surface to another only if it has the same curvature at all points, that is, if the curvature of the surface is constant. It is well known that the congruence of geometric figures can be verified and detected by moving one figure onto another until they overlap. Accordingly, the congruence can be ascertained if a perfect superposition is achieved by moving one figure over the other: if the figures overlap perfectly then they are equal. It follows that a geometry can be built only on surfaces satisfying these requirements, more precisely, not only on the plane but on all surfaces having constant positive or negative curvature.</p>
    </sec>
    <sec id="sec3">
      <title>3. Local Gauss-Bonnet Theorem</title>
      <p>In Art.20 of <italic>General Investigations of Curved Surfaces</italic>, Gauss began to investigate “<italic>triangles formed by shortest lines</italic>”, that are, in synthesis, <italic>geodesic triangles</italic>. The original version of the Gauss-Bonnet Theorem deals with geodesic triangles on a surface, Gauss in 1827 termed this theorem “<italic>the most elegant theorem</italic>”. The extension of it to a region bounded by a non-geodesic simple curve is due to Bonnet O. [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>], in this case we refer to the <italic>Gauss-Bonnet Local Theorem</italic>. A further extension of this theorem to compact surfaces gives rise to the Gauss-Bonnet Global Theorem that asserts an important relationship between the topology of a surface and the integral of the Gaussian curvature on it.</p>
      <p><bold>Theorem on Geodesic Triangles</bold>: Given a geodesic triangle <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <italic>i.e.</italic> formed by the arcs of three geodesics lying on a smooth surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig12">Figure 12</xref>), let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be its interior angles, <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> the Gaussian curvature, the integral curvature is given by:</p>
      <fig id="fig12">
        <label>Figure 12</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId645.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 12.</bold> Geodesic triangles.</p>
      <disp-formula id="FD53">
        <label>(20)</label>
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Equivalently, if <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the exterior angles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> :</p>
      <disp-formula id="FD54">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>π</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>θ</mml:mi>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <disp-formula id="FD55">
        <label>(21)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>T</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>As a consequence, we have:</p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is constant, we get</p>
      <disp-formula id="FD56">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>K</mml:mi>
              <mml:mn>0</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mi>r</mml:mi>
            <mml:mi>e</mml:mi>
            <mml:mi>a</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>T</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle displaystyle="true">
                  <mml:msubsup>
                    <mml:mo>∑</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                      <mml:mo>=</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mn>3</mml:mn>
                  </mml:msubsup>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>φ</mml:mi>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:mstyle>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>π</mml:mi>
                <mml:mo>
                </mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>
                </mml:mtext>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>this formula implies that the area of a triangle does not depend on the length of its sides but on the size of its internal angles.</p>
      <p>If the surface is locally isometric to a Euclidean plane, then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <disp-formula id="FD57">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>0</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>we recognize the familiar result of Euclidean geometry.</p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the surface is locally isometric to a sphere of ray <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have:</p>
      <disp-formula id="FD58">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>&gt;</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> K </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the surface is locally isometric to a pseudo-sphere, we have:</p>
      <disp-formula id="FD59">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>3</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>φ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>&lt;</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Gauss’s discovery revealed the existence of other geometries than the Euclidean and of intrinsic geometrical properties whose validity is independent by the modality of surface embedding on the space. For proving the theorem, Gauss examined a triangle delimited by three geodesic curves and a surface parametrization with orthogonal coordinate curves, so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> 〈 </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> u </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> v </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> 〉 </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. The extension of this Gauss Theorem to the case of a region bounded by a simple closed curve, not necessarily a geodesic, is due to Bonnet O. (1848). Before stating this extension, we give the following definitions:</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a continuous map from the closed interval <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> onto a regular region <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we state that <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a <italic>simple</italic>,<italic>closed</italic> and <italic>piecewise regular curve</italic> if:</p>
      <p>1) for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ⇒ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ≠ </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> no self-intersections </p>
      <p>2) <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> closed curve</p>
      <p>3) there exists a partition of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> L </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> L </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for which <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is differentiable and regular in every interval <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . The points <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are called vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> . The curve segments <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are called the <italic>edges</italic> or <italic>sides</italic>. From piecewise regularity it follows that, for every vertex <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> there exists the left limit: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi> lim </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> − </mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and the right limit: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi> lim </mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msubsup><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that implies the vertices have different tangent lines and are not cusp points, so:</p>
      <disp-formula id="FD60">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:munder>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>lim</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>−</mml:mo>
                </mml:msubsup>
              </mml:mrow>
            </mml:munder>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>α</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>α</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>−</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:munder>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>lim</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>t</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
                <mml:msubsup>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                </mml:msubsup>
              </mml:mrow>
            </mml:munder>
            <mml:msup>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>α</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>′</mml:mo>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:msup>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>α</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>′</mml:mo>
              </mml:msup>
              <mml:mo>+</mml:mo>
            </mml:msub>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>≠</mml:mo>
            <mml:mo>±</mml:mo>
            <mml:mi>∞</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In order to define unambiguously exterior and interior angles, let us consider an oriented surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> as the unit vector field normal to it. We indicate with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> | </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the angle formed by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> − </mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , with sign equal to the sign of the determinant of the vectors <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> − </mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> + </mml:mo></mml:msub><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , as can be directly verified using the right-hand rule (<xref ref-type="fig" rid="fig13">Figure 13</xref>).</p>
      <fig id="fig13">
        <label>Figure 13</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId724.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 13.</bold> Exterior and interior angles of an oriented curve.</p>
      <p>The angle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with sign such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , is the exterior angle, while <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> φ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the interior angle. We say that the curve <italic>is positively oriented</italic> if an observer, with direction and orientation of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> N </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> , who travels along this curve, leaves at every point the region delimited by it to his left (<xref ref-type="fig" rid="fig14">Figure 14</xref>).</p>
      <fig id="fig14">
        <label>Figure 14</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId733.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 14.</bold> Sign of exterior angles.</p>
      <p><bold>Local Gauss-Bonnet Theorem.</bold> Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a regular region of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , that is a compact subset of S obtained as a closure of its interior and with a boundary parameterized by a finite number of curvilinear polygons. Let us choose for the curvilinear polygon a parametrization <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the boundary of <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Assume that <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a simple, closed, piecewise regular curve, positively oriented and parametrized by arc-length <inline-formula><mml:math><mml:mi> t </mml:mi></mml:math></inline-formula> . Furthermore, let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the vertices and the exterior angles at them of the curve, we have:</p>
      <disp-formula id="FD61">
        <label>(22)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                    <mml:mi>M</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>L</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>L</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:mstyle displaystyle="true">
                  <mml:mrow>
                    <mml:msubsup>
                      <mml:mo>∫</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mi>i</mml:mi>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>t</mml:mi>
                          <mml:mrow>
                            <mml:mi>i</mml:mi>
                            <mml:mo>+</mml:mo>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:mrow>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msubsup>
                    <mml:mrow>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>k</mml:mi>
                        <mml:mi>g</mml:mi>
                      </mml:msub>
                      <mml:mtext>d</mml:mtext>
                      <mml:mi>t</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mrow>
                </mml:mstyle>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>L</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>If the boundary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Piecewise_smooth">piecewise smooth</ext-link>, the integral <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∫ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:msub><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> t </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> corresponds to the sum of integrals along the smooth components of the boundary, while the sum of the external <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Angle">angles</ext-link><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> evaluate how much the smooth sides turn at boundary corners, for proof see [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. As we can observe, Equation (22) represents a generalization of the Gauss Theorem for Geodesic Triangles Equation (21) to a region <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> with boundary formed by piecewise smooth sides that are not geodesics. Intuitively, the geodesic curvature <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a measure of the amount of deviance of the curve from the shortest arc between two points on a surface. In short, geodesic curvature measures how far a curve is from being a geodesic. It is certainly noteworthy that the local Gauss-Bonnet theorem relies exclusively on intrinsic quantities: the Gaussian curvature, the geodesic curvature, and angles on the surface [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>].</p>
      <p><bold>Examples:</bold> Let us apply the Local Gauss-Bonnet Theorem examining two simple regions: a square <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and a semi-sphere <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig15">Figure 15</xref>). </p>
      <fig id="fig15">
        <label>Figure 15</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId772.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 15.</bold> Examples of simple regions.</p>
      <p>In the first case, the boundary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a closed piecewise regular curve formed by four geodesics. The Gaussian curvature is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> because the surface is on the plane, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> because the geodesic curvature is a measure of how much a curve deviates from a geodesic, since a segment is a geodesic, its geodesic curvature is</p>
      <p>null, the exterior angles are <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi> π </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , then we can verify that:</p>
      <disp-formula id="FD62">
        <mml:math display="inline">
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mn>4</mml:mn>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:mfrac>
                  <mml:mi>π</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:mfrac>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In the second surface the Gaussian curvature is constant <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mn> 1 </mml:mn><mml:mo> / </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the boundary is a simple regular close curve without corners, defined by a maximum circle that is a geodesic with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> k </mml:mi><mml:mi> g </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , even in this case we have:</p>
      <disp-formula id="FD63">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:munderover>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>L</mml:mi>
              </mml:munderover>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mn>2</mml:mn>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mo>⇒</mml:mo>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mtext>
               
            </mml:mtext>
            <mml:mfrac>
              <mml:mn>1</mml:mn>
              <mml:mrow>
                <mml:msup>
                  <mml:mi>R</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msup>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:msup>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
    </sec>
    <sec id="sec4">
      <title>4. Global Gauss-Bonnet Theorem</title>
      <p>As already asserted, the Global Gauss-Bonnet Theorem is an extension of the Local Gauss-Bonnet Theorem to compact surfaces that, by definition, are bounded and closed. Before considering the theorem, we need to introduce some preliminary topological concepts. Actually, this theorem creates a bridge between differential geometry and topology. Its relevance lies in having related geometrical information of a compact surface to its purely topological characteristics, which has resulted of strong impact in applications, especially nowadays.</p>
      <p><bold>Definition:</bold>A <italic>Topological Space</italic> is an ordered pair <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> X </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , where <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a set and <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a collection of subsets of <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> , satisfying the following axioms:</p>
      <p>The empty set and <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> itself belong to <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>Any arbitrary (finite or infinite) union of members of <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> still belongs to <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The intersection of any finite number of members of <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> still belongs to <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The elements of <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> are called open sets and the collection <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is called a topology on <inline-formula><mml:math><mml:mi> X </mml:mi></mml:math></inline-formula> . A topological space is the most general and basic type of space for which the concept of proximity, continuity are formalized through the notion of neighborhoods without the need to introduce a metric structure in it [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>].</p>
      <p>A <italic>homeomorphism</italic> between two topological spaces is a continuous, bijective mapping that has a continuous inverse. In short, a homeomorphism can continuously transform one shape into another without tearing, gluing parts, or creating holes. So, recurring to a continuous deformation the original shape can be remodeled in a new one topologically equivalent to it. A <italic>topological property</italic> or <italic>topological invariant</italic> is a property of a topological space that is invariant under homeomorphisms, having been expressed using open sets.</p>
      <p>A region <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is said <italic>regular</italic> if it is compact and its boundary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a union of a finite number of piecewise, closed curves, with no intersections. A regular region of a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> is said to be <italic>simple</italic> if it is homeomorphic to a closed disk, for which the boundary is constituted by a single curvilinear polygon (<xref ref-type="fig" rid="fig16">Figure 16</xref>). If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a compact surface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <fig id="fig16">
        <label>Figure 16</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId827.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 16.</bold> Regular region and regular simple region.</p>
      <p>Consider first the local form of the Gauss-Bonnet theorem, it relies exclusively on intrinsic quantities. For the formulation and the proof of the Gauss-Bonnet theorem in the so-called global version, the key point is to perform a procedure for partitioning a regular region of a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> into smaller pieces, in such a way the local version can be applied to each of them summing up the obtained results. In order to extend the local formulation to the global Gauss-Bonnet theorem, we need to introduce a triangulation of a surface.</p>
      <p><bold>Definition</bold>: A smooth triangle of a surface is a simple regular region <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> bounded by a curvilinear polygon with three vertices.</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a regular, simple region of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . The triangulation of a compact surface consists of a network of a finite number of regular curve segments on it, such that any point on the surface either lies on one of the smooth segment or belongs to the interior of a region delimited by three sides. Now divide <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> into triangles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> T </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that each side of a triangle is the side of precisely one other triangle. In this subdivision, each edge is the side of precisely two triangles. Let us note that the triangulation can be realized without referring to a metric structure of the surface. Every regular region <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> of a regular surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> admits a triangulation (<xref ref-type="fig" rid="fig17">Figure 17</xref>).</p>
      <fig id="fig17">
        <label>Figure 17</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId844.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 17.</bold> A triangulation.</p>
      <p>The global Gauss–Bonnet theorem provides an important link between local geometric properties and global topological properties. More specifically, it concerns with a very important topological invariant of compact surfaces the <italic>Euler-</italic><italic>Poincarè</italic><italic>characteristic</italic>. The Euler-Poincarè characteristic <inline-formula><mml:math><mml:mi> χ </mml:mi></mml:math></inline-formula> was classically defined for the surfaces of polyhedral, according to the formula (<xref ref-type="fig" rid="fig18">Figure 18</xref>):</p>
      <disp-formula id="FD64">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>χ</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>V</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>F</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> V </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mi> E </mml:mi></mml:math></inline-formula> , and <inline-formula><mml:math><mml:mi> F </mml:mi></mml:math></inline-formula> are respectively the numbers of <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Vertex_(geometry)">vertices</ext-link> (corners), <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Edge_(geometry)">edges</ext-link> and <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Face_(geometry)">faces</ext-link> in the given polyhedron. A simple regular region is homeomorphic to a closed disk which, in turn, is homeomorphic to a triangle, whose Euler-Poincarè characteristic is clearly 1: <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> χ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> E </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> F </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 3 </mml:mn><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Any <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Convex_polyhedron">convex polyhedron</ext-link> has Euler-Poincarè characteristic (<xref ref-type="fig" rid="fig19">Figure 19</xref>):</p>
      <disp-formula id="FD65">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>χ</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>V</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>F</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <fig id="fig18">
        <label>Figure 18</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId863.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 18.</bold> Vertex, edge, face.</p>
      <fig id="fig19">
        <label>Figure 19</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId864.jpeg?20260415112811" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 19.</bold> Euler-Poincarè of convex polyhedrons.</p>
      <p>The Euler-Poincarè characteristic does not change by stretching or shrinking any side or face, even shrinking a side or face to zero. This means that it is a topological invariant because it remains unaltered by any continuous mapping. Moreover, the Euler-Poincarè characteristic of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://en.wikipedia.org/wiki/Sphere">sphere</ext-link> is 2, that implies all convex polyhedra are homeomorphic to a bi-dimensional sphere. In order to verify this statement, among all the possible triangulations of a sphere, we may consider the most intuitive that is the one generated by 3 maximum circles (<xref ref-type="fig" rid="fig20">Figure 20</xref>).</p>
      <fig id="fig20">
        <label>Figure 20</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId866.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 20.</bold> Euler-Poincarè characteristic of a sphere.</p>
      <p>We have already asserted that a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.britannica.com/science/topological-invariant">topological property</ext-link> is defined to be a property that is preserved under a homeomorphism. For example, <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.britannica.com/science/connectedness">connectedness</ext-link>, <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.britannica.com/science/compactness">compactness</ext-link> and the number of components of the boundary for a plane domain are topological properties. Therefore, any simple curvilinear polygon of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is homeomorphic to a circle and any compact surface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is homeomorphic to a sphere (<xref ref-type="fig" rid="fig21">Figure 21</xref>).</p>
      <fig id="fig21">
        <label>Figure 21</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId874.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 21.</bold> A spiky ball is homeomorphic to a sphere.</p>
      <p>Let us consider a triangulation of a regular region <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the Euler-Poincarè characteristic of <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined as:</p>
      <disp-formula id="FD66">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>χ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>V</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mi>F</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mo>#</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>vertices</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mo>#</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>edges</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mo>#</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mtext>triangles</mml:mtext>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> specifies the number of vertices of the triangulation, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> F </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the number of triangles, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> E </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the number of edges and the symbol <inline-formula><mml:math><mml:mo> # </mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the cardinality of a set.</p>
      <p><bold>Theorem:</bold> The Euler-Poincarè characteristic is independent by the triangulation.</p>
      <p>In summary, it can be proved that:</p>
      <p>The Euler-Poincarè characteristic of a regular, simple region is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> χ </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The Euler-Poincarè characteristic of a sphere <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> χ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>The Euler-Poincarè characteristic of a torus <inline-formula><mml:math><mml:mi> T </mml:mi></mml:math></inline-formula> is <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> χ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> T </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Proposition:</bold>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> two regular homeomorphic regions, then <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> χ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> χ </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:msup><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ′ </mml:mo></mml:msup><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
      <p><bold>Global Gauss-Bonnet Theorem.</bold> Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a compact region of an oriented surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> with a boundary <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> parameterized by a curvilinear polygon or a finite number of them, such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> : </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> [ </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> a </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> b </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ] </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a vertex of the piecewise, simple boundary curve and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> θ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> L </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the exterior angles, formed between the tangent vectors at <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at the vertex <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , we have:</p>
      <disp-formula id="FD67">
        <label>(23)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∫</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                    <mml:mi>M</mml:mi>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>k</mml:mi>
                    <mml:mi>g</mml:mi>
                  </mml:msub>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>0</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>L</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>θ</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mi>χ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>for proof see [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>].</p>
      <p><bold>Proposition:</bold> Let <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> be a connected, compact and orientable surface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (meaning a single piece, closed surface contained in a ball of finite size, having two distinct sides), so <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∂ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∅ </mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , for the Gauss-Bonnet Global Theorem we have:</p>
      <disp-formula id="FD68">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>M</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mi>χ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>M</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>The Gauss-Bonnet Theorem is surprising because relates closely two very distant a priori invariants: the Euler-Poincarè characteristic, a topological invariant and the Gaussian curvature a metric invariant, as a consequence the total curvature does not change when we deform the surface.</p>
      <p>The Gauss-Bonnet theorem states that, even if the Gaussian curvature would locally change at different points on the surface, the total Gaussian curvature still remains the same under deformations.</p>
      <p>To put in evidence this assertion, we may consider an alternative definition of the Euler-Poincarè characteristic of an oriented compact surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> :</p>
      <disp-formula id="FD69">
        <label>(24)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>χ</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mi>S</mml:mi>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>g</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mi> g </mml:mi></mml:math></inline-formula> is the <italic>genus</italic> of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> , roughly speaking it represents the number “handles” or “holes” of <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> . </p>
      <p><bold>Definition:</bold> A handle in a surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> is a regular region <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> in <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> homeomorphic to a finite closed circular cylinder, such that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> S </mml:mi><mml:mo> \ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is connected. Consequently, the surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> can be characterized topologically by their Euler-Poincarè characteristic or equivalently by the number of holes or handles. <xref ref-type="fig" rid="fig22">Figure 22</xref> shows graphically surfaces that are <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.britannica.com/science/topological-equivalence">topologically equivalent</ext-link>, given that they have equal genus.</p>
      <fig id="fig22">
        <label>Figure 22</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId958.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 22.</bold> Examples of surfaces topologically equivalent.</p>
      <p>The alternative definition of the Euler-Poincarè characteristic with Equation (24), allows us to introduce a general classification of orientable, compact and connected surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p><bold>Theorem:</bold>Every orientable compact surface is homeomorphic to a sphere with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> handles, having the Euler-Poincarè characteristic equal to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn><mml:mi> g </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>].</p>
      <p>Two orientable compact surfaces are homeomorphic if and only if they have the same Euler-Poincarè characteristic; </p>
      <p>The sphere is the only compact orientable surface with positive Euler-Poincarè characteristic;</p>
      <p>The torus is the only compact orientable surface with zero Euler-Poincarè characteristic.</p>
      <p>The torus is not the only surface with null Euler-Poincarè characteristic, as an example a coffee cup has one hole, that being its handle, so a coffee cup and a doughnut are homeomorphic to one another, from the topological point of view they have the same structure (<xref ref-type="fig" rid="fig23">Figure 23</xref>).</p>
      <fig id="fig23">
        <label>Figure 23</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId965.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 23.</bold> Surfaces topologically equivalent.</p>
      <p>In summary, let <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> be any orientable compact surface of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> :</p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∬ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> σ </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇔ </mml:mo></mml:math></inline-formula> is homeomorphic to a sphere.</p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∬ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> σ </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇔ </mml:mo></mml:math></inline-formula> is homeomorphic to a torus.</p>
      <p>If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mrow><mml:msub><mml:mo> ∬ </mml:mo><mml:mi> S </mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi> K </mml:mi><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> σ </mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo> &lt; </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula><inline-formula><mml:math><mml:mo> ⇔ </mml:mo></mml:math></inline-formula> is homeomorphic to a sphere with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> g </mml:mi><mml:mo> &gt; </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> handles.</p>
    </sec>
    <sec id="sec5">
      <title>5. Discrete Gaussian Curvature</title>
      <p>Triangle meshes are commonly used for representing surfaces embedded in three-dimensional space. We can consider a mesh either as the limit of a family of smooth surfaces, or as a linear approximation of an arbitrary surface. Given a discrete set of vertices sampled from a smooth surface forming a point cloud, the triangle mesh generates an approximation of the smooth surface with these vertices, obtaining a discrete surface representation. </p>
      <p>A triangle mesh <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> consists of a set of vertices <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> V </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> { </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mn> 3 </mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo> } </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> connected by a set of edges:</p>
      <disp-formula id="FD70">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>E</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>j</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>
                    </mml:mtext>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>j</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>and a set of triangles:</p>
      <disp-formula id="FD71">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>T</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>{</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>t</mml:mi>
                  <mml:mi>k</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>=</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mn>1</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:mtext>
                    </mml:mtext>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mn>2</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>,</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:msub>
                          <mml:mi>k</mml:mi>
                          <mml:mn>3</mml:mn>
                        </mml:msub>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>}</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>usually with the restriction that each edge is entirely shared by two adjacent triangles. The mesh’s edges that are owned by only one triangle are called mesh borders. A mesh is closed if there are no borders. </p>
      <p>From a theoretical point of view, triangle meshes do not have any curvature at all, since all faces are flat. Therefore, the theoretical definition of Gaussian curvature based on the first fundamental form cannot be translated to discrete surfaces. On a discrete surface represented by a triangle mesh, curvature certainly cannot be assigned to the flat faces, neither along their edges, because we can always develop the triangles on either side of an edge flattening them. This suggests that discrete Gaussian curvature, like other curvatures, had to be assigned at vertices. With this assumption, we can define geometric properties of the surface at each vertex as spatial averages around this vertex, limiting the average within the immediately neighboring triangles, often referred as the 1-ring or star neighborhood.</p>
      <p>Let <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> V </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> a vertex of a triangle mesh <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the ordered neighboring vertices of <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> , that compose the 1-ring associated with it. We define the edge <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> α </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∠ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the angle between two successive edges, meeting at the vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> . The triangle between <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is indicated as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> t </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the unit normal corresponding to its face is:</p>
      <disp-formula id="FD72">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mi>i</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>×</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>e</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>i</mml:mi>
                    <mml:mo>+</mml:mo>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>‖</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mi>i</mml:mi>
                    </mml:msub>
                    <mml:mo>×</mml:mo>
                    <mml:msub>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>e</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mi>i</mml:mi>
                        <mml:mo>+</mml:mo>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:mrow>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>‖</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> δ </mml:mi><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∠ </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mi> i </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> i </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the dihedral angle, namely the angle between the two normal vectors of adjacent triangles (<xref ref-type="fig" rid="fig24">Figure 24</xref>).</p>
      <fig id="fig24">
        <label>Figure 24</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId1016.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 24.</bold> Triangles associated with vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>In order to compute spatial averages of geometry features around this vertex, we need to associate a surface <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> to the vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>][<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. There are many different ways of defining this area, which generally will result in different curvature values. We are interested in those methods for which summing up the areas around all vertices, we get the area of the whole triangle mesh <inline-formula><mml:math><mml:mi> M </mml:mi></mml:math></inline-formula> , that is</p>
      <p><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mo> ∑ </mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:mi> M </mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . We restrict our attention to the most common methods, represented by the barycentric and the Voronoi areas.</p>
      <p>As an example, let us consider the barycentric area associated to a vertex, in the simple case of an equilateral triangle (<xref ref-type="fig" rid="fig25">Figure 25</xref>). A barycentric cell can be constructed by connecting the vertex in consideration with the midpoints of the two edges meeting at it and the intersection point of the triangle’s medians. Note that the area <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> B </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is one third of the area of the triangles adjacent to <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and summing up the areas associated to the three vertices, we get the triangle total area. Alternatively, we may consider the Voronoi area <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mi> V </mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , which is the area of the subset of the mesh that contains all points that are closer to the vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> than to any other vertex.</p>
      <fig id="fig25">
        <label>Figure 25</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId1035.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 25.</bold> Barycentrinc and Voronoi cells.</p>
      <p>By definition, the discrete Gaussian curvature at a vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the area bounded by a spherical polygon on the unit sphere, whose vertices are the unit normals of the faces formed by adjacent triangles and normalized to the area of <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , as shown in the example of <xref ref-type="fig" rid="fig26">Figure 26</xref>.</p>
      <fig id="fig26">
        <label>Figure 26</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId1040.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 26.</bold> Triangles adjacent to vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and spherical polygon.</p>
      <p>The area of a spherical polygon, on a sphere of radius <inline-formula><mml:math><mml:mi> R </mml:mi></mml:math></inline-formula> , is derived by the <italic>Girard</italic>’<italic>s Theorem</italic>, which relates the area of a spherical triangle to its interior angles, as following:</p>
      <disp-formula id="FD73">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>α</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>β</mml:mi>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mi>γ</mml:mi>
                <mml:mtext>
                </mml:mtext>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mi>π</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> , </mml:mo><mml:mi> γ </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are interior angles, for proof see [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. The quantity <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> α </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> β </mml:mi><mml:mo> + </mml:mo><mml:mi> γ </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mi> π </mml:mi></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is called the <italic>spherical excess</italic>, representing how much the angle sum exceeds that of a flat triangle [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. Given that any polygon with <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> sides for <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> ≥ </mml:mo><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be divided into <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> − </mml:mo><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> triangles, we can extend Girad’s Theorem to a more general case of a spherical polygon with <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> vertices, <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> sides and angles <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> β </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> at its vertices, in this case the area is equal to:</p>
      <disp-formula id="FD74">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msup>
              <mml:mi>R</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msup>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>β</mml:mi>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>β</mml:mi>
                  <mml:mn>2</mml:mn>
                </mml:msub>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:mo>⋯</mml:mo>
                <mml:mo>+</mml:mo>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>β</mml:mi>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                    <mml:mo>−</mml:mo>
                    <mml:mn>2</mml:mn>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>π</mml:mi>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Therefore, considering a unit sphere, we get: </p>
      <disp-formula id="FD75">
        <label>(25)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>β</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>β</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mo>⋯</mml:mo>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>β</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>As an illustrative example, let us consider a spherical polygon with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> (<xref ref-type="fig" rid="fig27">Figure 27</xref>).</p>
      <fig id="fig27">
        <label>Figure 27</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId1069.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 27.</bold> Spherical polygon and interior angles.</p>
      <p>Let us focus our attention on angle <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> β </mml:mi><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , formed between the tangent vectors <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn> 51 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn> 54 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , represented respectively on the unit sphere in <xref ref-type="fig" rid="fig28">Figure 28(a)</xref> and on the original polyhedron in <xref ref-type="fig" rid="fig28">Figure 28(b)</xref>. Just fixing ideas, let us analyze the tangent vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn> 51 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , it belongs to the plane containing the great circle defined by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Moreover, the edge <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , shared by two adjacent triangles is perpendicular to both <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , because it belongs to both adjacent faces. Given that the edge <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is normal to the plane defined by <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , in turn the vector <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn> 51 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is perpendicular to the edge <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 5 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Similarly, it can be proved that <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> t </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mn> 54 </mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is normal to <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mi> e </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mn> 4 </mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . Consequently, the sum of angles of quadrilateral ABCD (<xref ref-type="fig" rid="fig28">Figure 28(c)</xref>), satisfies the following equation [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]: </p>
      <disp-formula id="FD76">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>β</mml:mi>
              <mml:mn>5</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mn>5</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>+</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mi>π</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:mfrac>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <fig id="fig28">
        <label>Figure 28</label>
        <graphic xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724531-rId1104.jpeg?20260415112812" />
      </fig>
      <p><bold>Figure 28.</bold> (a) Spherical polygon; (b) Original polyhedron; (c) Quadrilateral.</p>
      <p>then, we have: </p>
      <disp-formula id="FD77">
        <label>(26)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:msub>
              <mml:mi>β</mml:mi>
              <mml:mn>5</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mn>5</mml:mn>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Using Equation (26), we can replace <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> β </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> α </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Equation (25) to compute the area of a general spherical polygon:</p>
      <disp-formula id="FD78">
        <label>(27)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>A</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mi>n</mml:mi>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mo>⋯</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
                <mml:mo>−</mml:mo>
                <mml:mn>2</mml:mn>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mn>1</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mn>2</mml:mn>
            </mml:msub>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mo>⋯</mml:mo>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:msub>
              <mml:mi>α</mml:mi>
              <mml:mi>n</mml:mi>
            </mml:msub>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>In conclusion, the discrete Gaussian curvature can be directly expressed through the input data deriving by the triangle mesh:</p>
      <disp-formula id="FD79">
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mover accent="true">
              <mml:mi>K</mml:mi>
              <mml:mo>¯</mml:mo>
            </mml:mover>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mo>∬</mml:mo>
                  <mml:mi>S</mml:mi>
                </mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>K</mml:mi>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>σ</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mi>n</mml:mi>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>α</mml:mi>
                  <mml:mi>i</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>To evaluate the curvature <inline-formula><mml:math><mml:mi> K </mml:mi></mml:math></inline-formula> at the vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> from its integral value, we assume the curvature to be uniformly distributed around the vertex, so keeping in mind the Gauss definition of Equation (15), we normalize by the area of the predefined surface <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> :</p>
      <disp-formula id="FD80">
        <label>(28)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>K</mml:mi>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mfrac>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>K</mml:mi>
                <mml:mo>¯</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mrow>
                <mml:mi>A</mml:mi>
                <mml:mi>r</mml:mi>
                <mml:mi>e</mml:mi>
                <mml:mi>a</mml:mi>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>(</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:msub>
                      <mml:mi>S</mml:mi>
                      <mml:mover accent="true">
                        <mml:mi>v</mml:mi>
                        <mml:mo>→</mml:mo>
                      </mml:mover>
                    </mml:msub>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>)</mml:mo>
                </mml:mrow>
              </mml:mrow>
            </mml:mfrac>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>We have to point out that the discrete Gaussian curvature <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> K </mml:mi><mml:mo> ¯ </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is dimensionless while the Gaussian curvature of a smooth surface <inline-formula><mml:math><mml:mi> S </mml:mi></mml:math></inline-formula> at a given point <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> is homogeneous to the inverse of a surface area, by normalizing with <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> A </mml:mi><mml:mi> r </mml:mi><mml:mi> e </mml:mi><mml:mi> a </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> S </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we achieve the correct dimensionality.</p>
      <p>By definition, the <italic>angle defect</italic><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> d </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> of a vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the amount by which the angles incident to <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> fail to add up to 2π. If <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the set of faces containing <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> with cardinality <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> # </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> F </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> α </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the interior angle at <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> of the <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> -th face, we get: </p>
      <disp-formula id="FD81">
        <label>(29)</label>
        <mml:math>
          <mml:mrow>
            <mml:mi>d</mml:mi>
            <mml:mrow>
              <mml:mo>(</mml:mo>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>v</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>)</mml:mo>
            </mml:mrow>
            <mml:mo>=</mml:mo>
            <mml:mn>2</mml:mn>
            <mml:mi>π</mml:mi>
            <mml:mo>−</mml:mo>
            <mml:mstyle displaystyle="true">
              <mml:msubsup>
                <mml:mo>∑</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mo>#</mml:mo>
                  <mml:mi>F</mml:mi>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>(</mml:mo>
                    <mml:mover accent="true">
                      <mml:mi>v</mml:mi>
                      <mml:mo>→</mml:mo>
                    </mml:mover>
                    <mml:mo>)</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
              </mml:msubsup>
              <mml:mrow>
                <mml:msub>
                  <mml:mi>α</mml:mi>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:msub>
              </mml:mrow>
            </mml:mstyle>
          </mml:mrow>
        </mml:math>
      </disp-formula>
      <p>Thereby, we conclude that the discrete Gaussian curvature at a vertex <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> can be determined by the angle defect, this method is commonly indicated as the <italic>angular defect scheme</italic> or <italic>Gauss</italic>-<italic>Bonnet scheme</italic>. </p>
      <p>Hereinafter, we focus on how precisely we can estimate the curvature of a smooth surface at a point <inline-formula><mml:math><mml:mi> p </mml:mi></mml:math></inline-formula> using the angular defect of the triangles surrounding <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> v </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> .</p>
      <p>A preliminary consideration is that no proper results can be obtained by calculating the point-wise curvature at a resolution lower than that of the triangulation [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. Indeed, we should keep in mind the distinction between point curvature, the measure of curvature as was named by Gauss, and the integral curvature over a region, upon which the angle defect method is based.</p>
      <p>The discrete Gaussian curvature estimated by Equation (28) approximates the Gaussian curvature, so it is rather appropriate to consider the sensitivity of the angular defect scheme to many different factors, such as noise, mesh resolution, mesh regularity etc. </p>
      <p>Meyer M. <italic>et al.</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] tested that, if the triangle mesh does not degenerate, the approximation quality gets better as the mesh is refined. However, the rate of sampling does not compromise significantly the level of accuracy, of course in the hypothesis of meshes dense enough so as to look like smooth surfaces. The efficiency of discrete operators is not strongly affected by the irregular sampling of surface points. The error analysis carried out by [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] shows that vertices of valence four or six are the only ones where the values computed with the angular defect converge to analytical results.</p>
      <p>We sincerely hope that this contribution, having a mere informative and didactic purpose, may be of help to all those who are involved in research activities on surface geometry, given its great relevance in a wide range of mathematical applications. </p>
    </sec>
    <sec id="sec6">
      <title>Appendices</title>
      <sec id="sec6dot1">
        <title>Appendix 1: Differential of a Vector Function</title>
        <p>Given a function <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:munder><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow></mml:mrow></mml:munder><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the Jacobian matrix of the function is the matrix of order <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> × </mml:mo><mml:mi> n </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> whose elements are the first partial derivatives. The Jacobian is not a simple matrix representation of the partial derivatives, using it we can evaluate the differential of the function <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> . A function <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> is said to be differentiable at a point <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> of the domain if there exists a linear application such that:</p>
        <disp-formula id="FD82">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>−</mml:mo>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>L</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>⋅</mml:mo>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>r</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>where <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mtext> d </mml:mtext><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the <bold>differential</bold> of the function <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> , <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> = </mml:mo><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mn> 2 </mml:mn></mml:msub><mml:mo> , </mml:mo><mml:mo> ⋯ </mml:mo><mml:mo> , </mml:mo><mml:msub><mml:mi> x </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> ∈ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a vector variable, <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> J </mml:mi><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the Jacobian matrix of <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> r </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Δ </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:munder><mml:mo> → </mml:mo><mml:mrow><mml:mi> Δ </mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> → </mml:mo><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mn> 0 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , more explicitly we have:</p>
        <disp-formula id="FD83">
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mi>J</mml:mi>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtable>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋯</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mi>n</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋮</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋱</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋮</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mi>m</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋯</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mi>m</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mi>n</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                        </mml:mtable>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>⇒</mml:mo>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋮</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋱</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋮</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mi>m</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mi>m</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>⋅</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>Δ</mml:mi>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋮</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>Δ</mml:mi>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtable>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                                <mml:mi>Δ</mml:mi>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mn>1</mml:mn>
                                </mml:msub>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:mo>⋯</mml:mo>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mi>n</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                                <mml:mi>Δ</mml:mi>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mi>n</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋮</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mi>m</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                                <mml:mi>Δ</mml:mi>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mn>1</mml:mn>
                                </mml:msub>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:mo>⋯</mml:mo>
                                <mml:mo>+</mml:mo>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>f</mml:mi>
                                      <mml:mi>m</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mi>n</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                                <mml:mi>Δ</mml:mi>
                                <mml:msub>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                  <mml:mi>n</mml:mi>
                                </mml:msub>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                        </mml:mtable>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mi>m</mml:mi>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>The importance of the Jacobian matrix is due to the fact that we may obtain the best linear approximation of the function near a given point:</p>
        <disp-formula id="FD84">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:mover accent="true">
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mo>→</mml:mo>
                  </mml:mover>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>≅</mml:mo>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>L</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
              <mml:mo>≅</mml:mo>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mo>+</mml:mo>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>(</mml:mo>
                <mml:mover accent="true">
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                  <mml:mo>→</mml:mo>
                </mml:mover>
                <mml:mo>)</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mover accent="true">
                <mml:mi>x</mml:mi>
                <mml:mo>→</mml:mo>
              </mml:mover>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p>In this sense, the Jacobian allows us to generalize the concept of derivative by extending this notion to vector functions of a vector variable. Depending on <inline-formula><mml:math><mml:mi> n </mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math><mml:mi> m </mml:mi></mml:math></inline-formula> dimension, we have some special cases with a specific geometric interpretations.</p>
        <p><bold>Case</bold><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : given <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> that is a scalar function of a vector variable <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> , the Jacobian matrix is reduced to a n-dimensional vector, call the gradient of <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> at <inline-formula><mml:math><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> , represented as <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , so we have <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> L </mml:mi><mml:mrow><mml:mo> ( </mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mi> x </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo></mml:mover><mml:mo> ) </mml:mo></mml:mrow><mml:mo> = </mml:mo><mml:mo> ∇ </mml:mo><mml:mi> f </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> .</p>
        <disp-formula id="FD85">
          <mml:math>
            <mml:mtable columnalign="left">
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mi>J</mml:mi>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:msub>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>[</mml:mo>
                      <mml:mrow>
                        <mml:mtable>
                          <mml:mtr>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mn>1</mml:mn>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mo>⋯</mml:mo>
                            </mml:mtd>
                            <mml:mtd>
                              <mml:mrow>
                                <mml:mfrac>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                  </mml:mrow>
                                  <mml:mrow>
                                    <mml:mo>∂</mml:mo>
                                    <mml:msub>
                                      <mml:mi>x</mml:mi>
                                      <mml:mi>n</mml:mi>
                                    </mml:msub>
                                  </mml:mrow>
                                </mml:mfrac>
                              </mml:mrow>
                            </mml:mtd>
                          </mml:mtr>
                        </mml:mtable>
                      </mml:mrow>
                      <mml:mo>]</mml:mo>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mn>1</mml:mn>
                      <mml:mo>×</mml:mo>
                      <mml:mi>n</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
              <mml:mtr>
                <mml:mtd>
                  <mml:mo>⇒</mml:mo>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>
                     
                  </mml:mtext>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:mi>f</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:mi>f</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>Δ</mml:mi>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋮</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mi>Δ</mml:mi>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                  <mml:mo>=</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mn>1</mml:mn>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mn>1</mml:mn>
                  </mml:msub>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mo>⋯</mml:mo>
                  <mml:mo>+</mml:mo>
                  <mml:mfrac>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:mi>f</mml:mi>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mo>∂</mml:mo>
                      <mml:msub>
                        <mml:mi>x</mml:mi>
                        <mml:mi>n</mml:mi>
                      </mml:msub>
                    </mml:mrow>
                  </mml:mfrac>
                  <mml:mi>Δ</mml:mi>
                  <mml:msub>
                    <mml:mi>x</mml:mi>
                    <mml:mi>n</mml:mi>
                  </mml:msub>
                </mml:mtd>
              </mml:mtr>
            </mml:mtable>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Case</bold><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : given <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the function is a parametric representation of a curve in the space <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> m </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the Jacobian matrix is a m-dimensional vector that defines the direction of the tangent line to the curve at the point <inline-formula><mml:math><mml:mi> x </mml:mi></mml:math></inline-formula> :</p>
        <disp-formula id="FD86">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>…</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mi>m</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                                  <mml:mi>x</mml:mi>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>m</mml:mi>
                  <mml:mo>×</mml:mo>
                  <mml:mn>1</mml:mn>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mtext>d</mml:mtext>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mtext>d</mml:mtext>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>…</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mtext>d</mml:mtext>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mi>m</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mtext>d</mml:mtext>
                              <mml:mi>x</mml:mi>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Case</bold><inline-formula><mml:math display="inline"><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mn> 1 </mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : given <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi><mml:mo> → </mml:mo><mml:mi> R </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the function is a real function of a real variable, the Jacobian matrix is reduced to a scalar quantity, the first derivative of <inline-formula><mml:math><mml:mi> f </mml:mi></mml:math></inline-formula> :</p>
        <disp-formula id="FD87">
          <mml:math display="inline">
            <mml:mrow>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mfrac>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>f</mml:mi>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtext>d</mml:mtext>
                  <mml:mi>x</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:mfrac>
              <mml:mi>Δ</mml:mi>
              <mml:mi>x</mml:mi>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <p><bold>Case</bold><inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> n </mml:mi><mml:mo> = </mml:mo><mml:mi> m </mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> : given <inline-formula><mml:math><mml:mrow><mml:mi> f </mml:mi><mml:mo> : </mml:mo><mml:mi> U </mml:mi><mml:mo> ⊂ </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup><mml:mo> → </mml:mo><mml:msup><mml:mi> R </mml:mi><mml:mi> n </mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> , the Jacobian matrix of the function is a square matrix, in this case, its determinant, known as the Jacobian, can be calculated:</p>
        <disp-formula id="FD88">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mi>J</mml:mi>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:msub>
                <mml:mrow>
                  <mml:mrow>
                    <mml:mo>[</mml:mo>
                    <mml:mrow>
                      <mml:mtable>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋮</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋱</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋮</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                        <mml:mtr>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mn>1</mml:mn>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          </mml:mtd>
                          <mml:mtd>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mfrac>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>f</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                                <mml:mrow>
                                  <mml:mo>∂</mml:mo>
                                  <mml:msub>
                                    <mml:mi>x</mml:mi>
                                    <mml:mi>n</mml:mi>
                                  </mml:msub>
                                </mml:mrow>
                              </mml:mfrac>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mtd>
                        </mml:mtr>
                      </mml:mtable>
                    </mml:mrow>
                    <mml:mo>]</mml:mo>
                  </mml:mrow>
                </mml:mrow>
                <mml:mrow>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                  <mml:mo>×</mml:mo>
                  <mml:mi>n</mml:mi>
                </mml:mrow>
              </mml:msub>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mo>⇒</mml:mo>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>
                 
              </mml:mtext>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋯</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋮</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋱</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋮</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋯</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>Δ</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋮</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mi>Δ</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
        <disp-formula id="FD89">
          <mml:math>
            <mml:mrow>
              <mml:mtext>d</mml:mtext>
              <mml:mi>f</mml:mi>
              <mml:mo>=</mml:mo>
              <mml:mrow>
                <mml:mo>[</mml:mo>
                <mml:mrow>
                  <mml:mtable>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mi>Δ</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mi>Δ</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mo>⋮</mml:mo>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                    <mml:mtr>
                      <mml:mtd>
                        <mml:mrow>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mn>1</mml:mn>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mi>Δ</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mn>1</mml:mn>
                          </mml:msub>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mo>⋯</mml:mo>
                          <mml:mo>+</mml:mo>
                          <mml:mfrac>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>f</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                            <mml:mrow>
                              <mml:mo>∂</mml:mo>
                              <mml:msub>
                                <mml:mi>x</mml:mi>
                                <mml:mi>n</mml:mi>
                              </mml:msub>
                            </mml:mrow>
                          </mml:mfrac>
                          <mml:mi>Δ</mml:mi>
                          <mml:msub>
                            <mml:mi>x</mml:mi>
                            <mml:mi>n</mml:mi>
                          </mml:msub>
                        </mml:mrow>
                      </mml:mtd>
                    </mml:mtr>
                  </mml:mtable>
                </mml:mrow>
                <mml:mo>]</mml:mo>
              </mml:mrow>
            </mml:mrow>
          </mml:math>
        </disp-formula>
      </sec>
    </sec>
  </body>
  <back>
    <ref-list>
      <title>References</title>
      <ref id="B1">
        <label>1.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Crane, K., de Goes, F., Desbrun, M. and Schröder, P. (2013) Digital Geometry Processing with Discrete Exterior Calculus. <italic>ACM SIGGRAPH</italic> 2013 <italic>Courses</italic>, California, 21-25 July 2013, 1-126. https://doi.org/10.1145/2504435.2504442 <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/2504435.2504442</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1145/2504435.2504442">https://doi.org/10.1145/2504435.2504442</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Crane, K.</string-name>
              <string-name>Goes, F.</string-name>
              <string-name>Desbrun, M.</string-name>
              <string-name>Courses, C</string-name>
            </person-group>
            <year>2013</year>
            <article-title>Digital Geometry Processing with Discrete Exterior Calculus</article-title>
            <source>ACM SIGGRAPH 2013 Courses</source>
            <volume>21</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/2504435.2504442</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B2">
        <label>2.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Do Carmo, M.P. (1976) Differential Geometry of Curves and Surfaces. Prentice-Hall Inc.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Carmo, M.P.</string-name>
            </person-group>
            <year>1976</year>
            <article-title>Differential Geometry of Curves and Surfaces</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B3">
        <label>3.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Abate, M. and Tovena F. (2006) Curve e superfici. Springer. https://doi.org/10.1007/978-88-470-0536-5 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-88-470-0536-5</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-88-470-0536-5">https://doi.org/10.1007/978-88-470-0536-5</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Abate, M.</string-name>
            </person-group>
            <year>2006</year>
            <article-title>Curve e superfici</article-title>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-88-470-0536-5</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B4">
        <label>4.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Abbena, E., Salamon S. and Gray A. (2006) Modern Differential Geometry of Curves and Faces with Mathematica. 3th Edition, Taylor Francis.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Abbena, E.</string-name>
              <string-name>Edition, T</string-name>
            </person-group>
            <year>2006</year>
            <article-title>Modern Differential Geometry of Curves and Faces with Mathematica</article-title>
            <source>3th Edition</source>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B5">
        <label>5.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Gauss, K.F. (1965) General Investigations of Curved Surfaces. Raven Press NY.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Gauss, K.F.</string-name>
            </person-group>
            <year>1965</year>
            <article-title>General Investigations of Curved Surfaces</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B6">
        <label>6.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Bonnet, O. (1848) Memoire sur la Theorie Generale des Surfaces. <italic>Journal de</italic><italic>l</italic>’ <italic>Ecole</italic><italic>Polytechnique</italic>, 19, 1-146.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Bonnet, O.</string-name>
            </person-group>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B7">
        <label>7.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Wu, H.H. (2008) The Historical Development of the Gauss-Bonnet Theorem. <italic>Science in China Series A</italic>: <italic>Mathematics</italic>, 51, 777-784. https://doi.org/10.1007/s11425-008-0029-8 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11425-008-0029-8</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/s11425-008-0029-8">https://doi.org/10.1007/s11425-008-0029-8</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Wu, H.H.</string-name>
            </person-group>
            <year>2008</year>
            <article-title>The Historical Development of the Gauss-Bonnet Theorem</article-title>
            <source>Science in China Series A: Mathematics</source>
            <volume>51</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11425-008-0029-8</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B8">
        <label>8.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Munkres, J. (1974) Topology: A First Course. Prentice Hall.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Munkres, J.</string-name>
            </person-group>
            <year>1974</year>
            <article-title>Topology: A First Course</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B9">
        <label>9.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="book">Dyn, N., Hormann, K., Kim, S.J. and Levin D. (2001) Optimizing 3D Triangulations Using Discrete Curvature Analysis. In: <italic>Mathematical Methods for Curves and Surfaces</italic>: <italic>Oslo</italic> 2000, Vanderbilt University Press, 135-146.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="book">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Dyn, N.</string-name>
              <string-name>Hormann, K.</string-name>
              <string-name>Kim, S.J.</string-name>
            </person-group>
            <year>2001</year>
            <article-title>Optimizing 3D Triangulations Using Discrete Curvature Analysis</article-title>
            <source>In: Mathematical Methods for Curves and Surfaces: Oslo 2000</source>
            <volume>135</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B10">
        <label>10.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="confproc">Alboul, L. and Van Damme, R. M. J. (1996) Polyhedral Metrics in Surface Reconstruction. In: <italic>Proceedings of the Mathematics of Surfaces VI</italic>, Clarendon Press <italic>,</italic> 171-200.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="confproc">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Alboul, L.</string-name>
              <string-name>Damme, R.</string-name>
              <string-name>VI, C</string-name>
            </person-group>
            <year>1996</year>
            <article-title>Polyhedral Metrics in Surface Reconstruction</article-title>
            <source>In: Proceedings of the Mathematics of Surfaces VI</source>
            <volume>171</volume>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B11">
        <label>11.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Girard, A. (1629) Invention nouvelle en algebra. Amsterdam.</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Girard, A.</string-name>
            </person-group>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B12">
        <label>12.</label>
        <mixed-citation publication-type="web">Girard’s Spherical Excess. https://vanderbei.princeton.edu/WebGL/GirardThmProof.html</mixed-citation>
      </ref>
      <ref id="B13">
        <label>13.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="web">Upadhyay, S. (2015) Gauss-Bonnet for Discrete Surfaces. Notes. https://math.uchicago.edu/~may/REU2015/REUPapers/Upadhyay.pdf</mixed-citation>
          <element-citation publication-type="web">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Upadhyay, S.</string-name>
            </person-group>
            <year>2015</year>
            <article-title>Gauss-Bonnet for Discrete Surfaces</article-title>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B14">
        <label>14.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Gatzke, T.D. and Grimm, C.M. (2006) Estimating Curvature on Triangular Meshes. <italic>International Journal of Shape Modeling</italic>, 12, 1-28. https://doi.org/10.1142/s0218654306000810 <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0218654306000810</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1142/s0218654306000810">https://doi.org/10.1142/s0218654306000810</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Gatzke, T.D.</string-name>
              <string-name>Grimm, C.M.</string-name>
            </person-group>
            <year>2006</year>
            <article-title>Estimating Curvature on Triangular Meshes</article-title>
            <source>International Journal of Shape Modeling</source>
            <volume>12</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/s0218654306000810</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B15">
        <label>15.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="other">Meyer, M., Desbrun, M., Schröder, P. and Barr, A.H. (2003) Discrete Differential-Geometry Operators for Triangulated 2-Manifolds. In: <italic>Mathematics and Visualization</italic>, Springer, 35-57. https://doi.org/10.1007/978-3-662-05105-4_2 <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-662-05105-4_2</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1007/978-3-662-05105-4_2">https://doi.org/10.1007/978-3-662-05105-4_2</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="other">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Meyer, M.</string-name>
              <string-name>Desbrun, M.</string-name>
              <string-name>Barr, A.H.</string-name>
              <string-name>Visualization, S</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>Discrete Differential-Geometry Operators for Triangulated 2-Manifolds</article-title>
            <source>In: Mathematics and Visualization</source>
            <volume>35</volume>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-662-05105-4_2</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
      <ref id="B16">
        <label>16.</label>
        <citation-alternatives>
          <mixed-citation publication-type="journal">Borrelli, V., Cazals, F. and Morvan, J.M. (2003) On the Angular Defect of Triangulations and the Pointwise Approximation of Curvatures. <italic>Computer Aided Geometric Design</italic>, 20, 319-341. https://doi.org/10.1016/s0167-8396(03)00077-3 <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0167-8396(03)00077-3</pub-id><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.1016/s0167-8396(03)00077-3">https://doi.org/10.1016/s0167-8396(03)00077-3</ext-link></mixed-citation>
          <element-citation publication-type="journal">
            <person-group person-group-type="author">
              <string-name>Borrelli, V.</string-name>
              <string-name>Cazals, F.</string-name>
              <string-name>Morvan, J.M.</string-name>
            </person-group>
            <year>2003</year>
            <article-title>On the Angular Defect of Triangulations and the Pointwise Approximation of Curvatures</article-title>
            <source>Computer Aided Geometric Design</source>
            <volume>8396</volume>
            <issue>03</issue>
            <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0167-8396(03)00077-3</pub-id>
          </element-citation>
        </citation-alternatives>
      </ref>
    </ref-list>
  </back>
</article>