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 有参数方程:,满足条件:
- 连续可导于 ;
- 不全为 .
则称曲线 为光滑曲线.
切向量
几何定义
位于曲线上,取另一点 连成割线, 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 上一点的径矢为 ,则切向量为
弧长
弧长公式
对 到 上的一段弧,其弧长为 .
弧长的性质
考虑弧长函数 , 为曲线起点对应的参数,则
- 弧长随参数递增;
- 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 .
弧长参数下的切向量性质
..
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, 从 时,,转过的夹角为 ,记
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)
若 为弧长参数光滑曲线,且其上每一点处有一个单位向量 ,若 与 之间的夹角记作 ,则
若可导
定理:弧长参数下曲率公式(重要!)
设 为弧长参数光滑曲线,则 .
- 证明:在上一定理中代入 .
定理:一般参数下的曲率公式(重要!)
若 为一般参数光滑曲线,则
- 证明:用 转换,用 ,通过叉乘一个 来消去.
曲面的描述
曲面的表示方式
曲面的显式表示(函数表示)
曲面的隐式表示
曲面的参数表示
例::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 ,则曲面过 的切平面方程为
写成方程形式为:
-
证明:对曲面上任意过该点曲线,其在该点处的切向量均与 垂直.
-
为曲面在该点处切平面的法向量.
显式表示
变为隐式表示 讨论.求出的法向量中有 和 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 ,则 处一个法向量为
用Jacobi行列式记作
切面方程为
曲面的第一基本量
记 ,,则记
称为曲面的第一基本量.
注: 均为某点处的函数!!!
基于曲面第一基本量的计算
某点处的单位法向量
- 法向量长度 .证明是一个很好的几何学基础例题.这一值与选取参数无关.
- 一点处若 ,则称其为正则点.否则称为奇点.
- 若每个点都是正则点,称曲面为正则曲面.
曲面上的弧长公式
设曲面 上有参数曲线 ,则弧长公式为
建议把例题都做一遍.