9.5 微分几何初步

9.5 微分几何初步

注:以下仅考虑三维空间.

曲线的描述

光滑曲线

曲线 Γ 有参数方程:r=r(t)={xi=xi(t)},t[a,b],满足条件:

  1. xi 连续可导于 [α,β]
  2. xi 不全为 0

则称曲线 Γ 为光滑曲线.

切向量

几何定义

P0 位于曲线上,取另一点 P 连成割线,PP0 时割线的极限位置即为切线,切线的方向上的向量就是切向量.

导数定义

设原点到 Γ 上一点的径矢为 r=(x1(t),x2(t),,xn(t)),则切向量为 r=(x1(t),x2(t),,xn(t))

弧长

弧长公式

Γ(α)Γ(β) 上的一段弧,其弧长为 s(Γ)=αβr(t)dt

弧长的性质

考虑弧长函数 s(t)=atr(t)dta 为曲线起点对应的参数,则

  1. 弧长随参数递增;
  2. 弧长函数有反函数.

弧长参数

由弧长的性质,故弧长与参数等价,为方便,直接将弧长作为参数.向量参数方程的弧长式记作 r=r(s)

弧长参数下的切向量性质

r(s)=1..

注:微分几何的技巧:想微分几次就微分几次.

曲率

一种用切向量变化速度描述弯曲程度变化程度的量.

极限定义

取弧长参数,ss0s1 时,r(s0)r(s1),转过的夹角为 Δθ,记

k(s)=lims1s0|Δθs1s0|

为弧长参数下的曲率函数.

注:直线曲率恒为0.

定理:单位向量函数的旋转角一阶导的关系(好像没啥用)

r=r(t) 为弧长参数光滑曲线,且其上每一点处有一个单位向量 a(s),若 a(s+Δs)a 之间的夹角记作 Δϕ,则

a(s)=limΔs0|ΔϕΔs|.

定理:弧长参数下曲率公式(重要!)

r=r(s) 为弧长参数光滑曲线,则 k(s)=r(s)

定理:一般参数下的曲率公式(重要!)

r=r(t) 为一般参数光滑曲线,则

k(t)=r(t)×r(t)r(t)3.

曲面的描述

曲面的表示方式

曲面的显式表示(函数表示)

z=f(x,y)((x,y)DR2)

曲面的隐式表示

F(x,y,z)=0

曲面的参数表示

r=r(u,v)={xi=xi(u,v)}

例:{x=Rcosθcosφ,y=Rcosθsinφ,z=Rsinθ}:为球面的参数表示.

曲面的切平面方程

隐式表示

设曲面的隐式表示为 F(x,y,z)=0,则曲面过 (x0,y0,z0)的切平面方程为

JF(x0,y0,z0)(xx0,yy0,zz0)=0

写成方程形式为:

F(x0,y0,z0)x(xx0)+F(x0,y0,z0)y(yy0)+F(x0,y0,z0)z(zz0)=0

显式表示

变为隐式表示 F(x,y,z)=zf(x,y) 讨论.求出的法向量中有 z=11 者,前者称为上法向量,后者称为下法向量.

参数表示

设参数表示为 r=r(u,v),则 (u0,v0) 处一个法向量为

r(u0,v0)u×r(u0,v0)v

用Jacobi行列式记作

((y,z)(u,v),(z,x)(u,v),(x,y)(u,v))

切面方程为

((y,z)(u,v),(z,x)(u,v),(x,y)(u,v))(xx(u0,v0),yy(u0,v0),zz(u0,v0))=0

曲面的第一基本量

ru(u,v)=r(u,v)urv(u,v)=r(u,v)v,则记

E=ruru,F=rurv,G=rvrv

称为曲面的第一基本量.

注:E,F,G,ru,rv 均为某点(u,v)处的函数!!!

基于曲面第一基本量的计算

某点处的单位法向量

n=1EGF2((y,z)(u,v),(z,x)(u,v),(x,y)(u,v))

曲面上的弧长公式

设曲面 r=r(u,v) 上有参数曲线 u=u(t),v=v(t) (t[t1,t2]),则弧长公式为

s=t1t2Eu2+2Fuv+Gv2dt.

建议把例题都做一遍.