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曲面的基本形式与曲面上的曲率.docVIP

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曲面的基本形式与曲面上的曲率

第四章 曲面的第二基本形式与曲面上的曲率 §5 曲面上的曲率概念 利用上一节所作的准备,围绕曲面弯曲状况的刻画,本节将引入曲面上的基本的和重要的曲率概念,并简要讨论相关的几何体. 一.主曲率 定义1 曲面 S 上的点 P 处的法曲率关于切方向的两个最值,分别称为曲面 S 在点 P 处的主曲率;使得法曲率达到最值的两个切方向,分别称为曲面 S 在点 P 处的主方向. 注记1 ① Weingarten变换的特征值和特征方向,分别是曲面的主曲率和主方向. ② 当两个主曲率 (1(P) ( (2(P) 时,曲面在点 P 处有且仅有正交的两组主方向,每一组的单位化向量分别就是Weingarten变换的单位正交特征向量.而当两个主曲率 (1(P) ( (2(P) 时,曲面在点 P 处的任何非零切向都是主方向,Weingarten矩阵 ((P) ( (1(P)I2 ,即 ((P) ( (1(P)g(P) . 主曲率和主方向的计算,自然归结为Weingarten变换的特征值和特征方向的计算,也就是Weingarten矩阵的特征值和特征方向的计算.即:   ① 对于主曲率的算法,当易知Weingarten矩阵 ( 之时,方程为 (4.3) 式,或直接写为 (5.1)  (( ( (I2 ( ( 0 ; 等价地,当易知系数矩阵 ( 和 g 之时,其方程可变形为 (5.2)  (( ( (g ( ( 0 .   ② 对于主方向的算法,各种等价算式为     a ( ai ri ( 0 为主方向,即非零切方向 a1:a2 为主方向   ( (( , ((a1, a2)( ( ((a1, a2) , (a1, a2) ( (0, 0)   ( (( , ((a1, a2)( ( ((a1, a2)g , (a1, a2) ( (0, 0)   ( det. ( 0   ( ( 0 . 主方向所对应的微分方程通常写为 (5.3)   ( 0 . 定义2 若曲面 S 在点 P 处的两个主曲率相等,则称点 P 为曲面 S 上的一个脐点.若曲面 S 处处为脐点,则称曲面 S 为全脐曲面.若脐点处的主曲率为零,则称之为平点;若脐点处的主曲率不为零,则称之为圆点. 注记2 全脐曲面 S 的法曲率只与点有关而不依赖于切向选取,故只有平面和球面两类;平面上各点为平点,球面上各点为圆点.全脐曲面主方向所对应的微分方程是蜕化的恒等式. 二.Gauss曲率和平均曲率 定义3 对于正则曲面 S ,其在点 P 处的两个主曲率的乘积 ( ,称为其在点 P 处的Gauss曲率或总曲率;其在点 P 处的两个主曲率的算术平均值 H ,称为其在点 P 处的平均曲率. 注记3 ① 注意到 (4.4)-(4.5) 式,Gauss曲率和平均曲率分别具有用Weingarten矩阵或两个基本形式系数的表达式,分别列为 (5.4)   ( ( ((( ( ( , (5.5)   H ( ( .   ② 主曲率方程 (4.3) 式现可改写为 (5.6)   (2 ( 2H ( ( ( ( 0 ; 其中 H 2 ( ( ( ≥ 0 .   ③ Gauss曲率在容许参数变换下不变;平均曲率在保向参数变换下不变,在反向参数变换下变号.   ④ 当曲面三阶连续可微时,Gauss曲率和平均曲率分别是连续可微函数;此时,两个主曲率函数 (5.7)   (i ( H ( , i ( 1, 2 处处连续,并且在非脐点处连续可微.   ⑤ 平均曲率等于法曲率按切方向的积分平均值(留作习题).   ⑥ 平均曲率不是等距不变量.反例如圆柱面和平面. 例1 证明可展曲面的Gauss曲率 ( ( 0 . 证明 对可展曲面 S 的直纹面参数化 r(u, v) ( a(u) ( v l(u) ,由可展定义得知 nv ( 0 ,故其第二基本形式系数满足     M ( ( ru(nv ( 0 , N ( ( rv(nv ( 0 , 于是     ( ( ( 0 .  □ 在上例中,若取准线使 a((l ( 0 且 (l ( ( 1 ,则可展曲面 S 的第一和第二基本形式系数矩阵同时对角化,Weingarten矩阵则为特征值对角阵,而且 (5.8)  (1 ( , (2 ( 0 .   三.Gauss映射和第三基本形式 n S2(1) U G n S r

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