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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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