曲面的第二基本形式ppt课件

1、第三节第三节 曲面的第二根本方式曲面的第二根本方式3.1 3.1 曲面的第二根本方式曲面的第二根本方式一、上节中我们讨论到的性质，如交角、弧长、面一、上节中我们讨论到的性质，如交角、弧长、面积等，都是曲面本身的内蕴性质，它不依赖于曲面积等，都是曲面本身的内蕴性质，它不依赖于曲面在空间如何弯曲。为了更好地研讨曲面的外形，有在空间如何弯曲。为了更好地研讨曲面的外形，有必要知道在曲面上恣意一点必要知道在曲面上恣意一点 P P 临近曲面能否弯曲，临近曲面能否弯曲，往什么方向弯曲，弯曲的程度，而这个程度可用往什么方向弯曲，弯曲的程度，而这个程度可用 P P 点临近的点点临近的点 Q Q 到到 P P 点

2、的切平面的垂直间隔来表示，点的切平面的垂直间隔来表示，这个间隔的主要部分就是曲面的第二根本方式。在这个间隔的主要部分就是曲面的第二根本方式。在第五节我们将看到，曲面的第一、二根本方式完全第五节我们将看到，曲面的第一、二根本方式完全决议的曲面的外形。决议的曲面的外形。二、曲面的第二根本方式给定类 的曲面S：曲线c：u=u(s),v=v(s) 或 是曲面上过 P 的一曲线，为 P 临近一点，它们的向径分别为2C.,),(),(SPGvuvurr)()(),(srsvsurrP)(),(ssrsr. 0lim,)(21)()(02 ssrsrsrssrPP 设 为曲面在P 点的单位法向量，由 作切平

3、面 的垂足为Q， 为从切平面到曲面 S 的有向间隔，那么 。 所以有nPnPQ2)(21)()()(snrnnsrssrnPPnPPQPnPQ 当 时， 的主要部分是0rn 2221)(21dsrnsrn 由于vrurrvuvrurvrvururrvuvvuvuu 222所以2222dvrndudvrndurndsrnvvuvuu 22222NdvMdudvLdurdndsrn 它称为曲面的第二根本方式,它的 L 、M、N系数称为曲面的第二类根本量 。 上式阐明第二根本方式近似地等于曲面与切平面的有向间隔的两倍，因此它刻划了曲面分开切平面的弯曲程度，即刻划了曲面在空间中的弯曲性。 留意：第二根

4、本方式不一定是正定的，当曲面在给定点向法向量的正侧弯曲时为正，反向弯曲为负。三、第二类根本量的计算2),(FEGrrrrrrrrnrLvuuuvuvuuuuu,),(2FEGrrrnrMvuuvuv2),(FEGrrrnrNvuvvvv1、2、对 进展微分得 0 rdnrdndrdnrdnrdnd22,0微分有所以在切平面上又, 0, 0,nrnrrrvuvu0uuuunrnr0vuuvnrnr0uvvunrnr0vvvvnrnruuuunrnrLuvvuuvnrnrnrMvvvvnrnrN3、对于显函数 z = z (x , y) 表示的曲面有),(,yxzyxr , 0 , 0, 0 ,

5、0, 0 , 0, 0 , 0, 0 , 0, 0 , 0, 0 , 0, 1 , 0, 1 , 0, 0 , 1, 0 , 1tzrsrzzrrzrqzrpzryyyyyxyxxyxyxxxxyyxx2222)1 (2)1 (dyqpqdxdydxp)2(112222tdysdxdyrdxqp例题1、23、2 曲面上曲线的曲率 曲面在知点临近的弯曲性可由它分开曲面的切平面的快慢来决议，但曲面在不同方向的弯曲程度是不一样的，即曲面在不同方向以不同的速度分开切平面，这一点，我们可以用曲面上过该点的不同方向的曲线的曲率来研讨它在不同方向的弯曲程度，而这条曲线又可用一条更简单的曲线如平面曲线来求得，

6、这条曲线就是法截线。一、法截面与法截线1、给定类 的曲面S：c：u=u(s),v=v(s) 或 是曲面上过 P 的一曲线，曲线在 P 的切向量与主法向量为 那么2C.,),(),(SPGvuvurr)()(),(srsvsurr, rn设 P 点的法向量 与主法向量 的夹角为 ，那么nnncos所以cosnnr 2222dsrdndsrdnnr 但2、定义：给出曲面上一点 P 及P点的一切方向du:dv ，于是方向(d)和单位法向量以及点P所确定的平面称为曲面在P点沿该方向的法截面，这个法截面与曲面S的交线称为曲面S在P 点沿方向(d)法截线。222222cosGdvFdudvEduNdvMd

7、udvLdu) 1 (二、法曲率 设方向d所确定的法截线为 (c0)，它在 P点的曲率为 k0，对于(c0)，它是一条平面曲线，它在P点的主法向量 为s在P点的法向量或它的反向量，即 ，所以 由公式1得 0n0或000,cos即)2( 其中 和 的方向一样时取正号，此时c0往 的正侧弯曲， 取负号， 反向弯曲。nn0 定义：曲面在一点沿一方向的法曲率为。nnn的反向弯曲法截曲向的正向弯曲法截线向,00222222GdvFdudvEduNdvMdudvLdun) 3( 留意：设给定点为P，那么L、M、N、E、F、G由P点所定，但此时du:dv为法截线的方向，并不一定是前面所提到的s上的曲线c的方

8、向，为了求(c)的曲率，只需c与c0在P点相切就行了，由于它们此时的切方向一样了。所以 设曲面上一曲线c和法截线c0切于P点，那么它们有一样的切方向d= du:dv，那么1和3得 利用这个关系，所求曲面曲线的曲率都可以化为法曲率讨论。cosn三、梅尼埃定理 设 R = 1/k，即 R 为曲线c) 的曲率半径 ， Rn = 1/kn ，称R为曲线c0)的曲率半径，也称为法曲率半径。 那么公式 ， 可写为cosncosnRR 梅尼埃定理：曲面曲线C在给定点P的曲率中心C就是与曲线C 具有共同切线的法截线C0上同一个点P的曲率中心C0在曲线C的亲密平面上的投影。 四、一个例，球面。 由于R 在C的主

9、法线上，即在C的亲密平面上， Rn 在C0 ， C0 故这个公式的几何意义为：R为Rn在C的亲密平面上的投影，由于它们的端点为曲率中心C和法曲率中心C0，因此几何意义可表达成：3.3 杜邦目的线一、杜邦目的线 如今思索经过曲面上一点的一切法截线的法曲率之间的关系. 为方便，取P点为坐标原点，坐标曲线在P点的切方向为它们构成了曲面在P点的切平面上的一个坐标系。在这个切平面上给定一个方向d，并取PN长为 ，那么对于切平面上一切方向，N点的轨迹称为曲面在P点的杜邦目的线。vurr,nk1PN二、杜邦目的线的方程 取d上的单位向量为 ，设N点在前面的坐标系下的坐标为(x,y),那么rdrddvrdur

10、kdvrdurryrxrdrdryrxPNvunvuvukvun1两边平方得2222222222212NdvMdudvLduGdvFdudvEduGyFxyExkrryrrxyrrxnvvvuuu222222222:NyMxyLxGyFxyExGyFxyExyxdvdu1222NdvMdudvLdu三、曲面上的点的分类 按曲面上的点的杜邦目的线进展分类 1假设 ，那么点P称为曲面的椭圆点，这时杜邦目的线是一椭圆。 2假设 ，那么点P称为曲面的双曲点，杜邦目的线为一对共轭的双曲线。 3假设 ，那么称P为曲面的抛物点，杜邦目的线为一对平行直线。 4假设 ，那么称P为曲面的平点，这时杜邦目的线不存在

11、。02MLN02MLN0NML02MLN 例：平面上的点为平点。 由于平面方程为 它的二阶微商全为零，因此第二类根本量全为零。bvaurr03、4 曲面上的渐近方向与共轭方向一、曲面的渐近方向与渐近线1、定义：假设P是曲面的双曲点，那么它们的杜邦目的线有一对渐近线，我们把沿渐近线的方向(d)称为曲面在P点的渐近方向。 设L，M，N在P点的值为L0，M0，N0，那么由解析几何知，这两个方向满足方程也就是使得法曲率为零的方向。0220020dvNdudvMduL2、渐近曲线 曲面上的曲线，假设它上面的每点的切方向都是渐近方向，那么称曲线为渐近曲线，它的微分方程是0222NdvMdudvLdu命题2

12、：曲面在渐近曲线上一点处的切平面一定是渐近曲线的 亲密平面。习题93、性质 命题1：假设曲面上有直线，那么一定是曲面的渐近曲线。由法曲率公式即证：0coskkn0cos00cos或kkkn0cos证明：沿渐近曲线有 假设 k = 0，那么为直线，这时曲面的切平面经过它，因此切 平面又是亲密平面；假设 ，那么曲面的法向量垂直于渐近曲线的主法向量，因此曲面的切平面经过渐近曲线的切线外，还经过渐近曲线的主法向量，所以它又是渐近曲线的亲密平面。4、渐近网1假设曲面上的点都是双曲点，那么曲面上存在两族渐近曲线， 这两族曲线称为曲面上的渐近网。2定理：曲面上的曲纹坐标网是渐近网的充要条件是L=N=0。证明

13、：必要性：假设曲纹网是渐近网，那么du=0或dv=0 应满足渐近曲线的微分方程代入得L=N=0。0222NdvMdudvLdu充分性：假设L=N=0,又du=0或dv=0,代入必有即曲纹网是渐近网。222NdvMdudvLdu0222NdvMdudvLdu二、共轭方向1、定义：设曲面上P点处的两个方向分别为 假设包含这两个方向的直线是P点的杜邦目的线的共轭直径， 那么这两个方向称为曲面的共轭方向。 )(),(d2、共轭条件：由解析几何学知，两方向共轭的充要条件是现杜邦标线为 因此 共轭充要条件为 0)(221211YYaYXYXaXXa1222NdvMdudvLdu)(),(d0)(vNdvu

14、dvvduMuLduvNdvudvvduMuLduvrurdvndunrndvuvu)()()(所以两方向共轭也可写为00rdnrnd或 特别当 时，条件就为为渐近方向，故渐近方向为自共轭方向。)()(d0222NdvMdudvLdu但3、共轭网1给出曲面上的两族曲线，假设经过它上面每点，曲线族中的两条曲线的切方向都是共轭方向，那么这两族曲线称为曲面上的共轭网。2共轭网满足的条件：设共轭网中两族曲线的方向分别为 ，那么这两个方向应满足 (1) 设一族曲线的微分方程为 Adu+Bdv=0 (2) 联立12为关于du,dv的齐次方程组，它有非零解的充要条件是为与曲线族2共轭的曲线的微分方程。)()

15、,(d0)(vNdvudvvduMuLdu000BAvNuMvMuL 命题4：曲面的曲纹网为共轭网的充要条件是M=0。 特别地，取2为坐标曲线dv=0，即u 线，那么它的共轭曲线族为 假设这族曲线为v线 那么M=0。因此得到0vMuL0u3、5 曲面的主方向和曲率线一、主方向 1、定义：曲面上一点P的两个方向，假设它们既正交又共轭， 那么称为曲面在P点的主方向。2、主方向满足的条件 1设两个主方向为d 0)()(),(vNdvudvvduMuLdud共轭0)()()(vGdvudvvduFuEdud两式联立并消去 得这就是主方向所满足的条件，也可写成vu,0NdvMduMdvLduGdvFdu

16、FdvEdu022NMLGFEdududvdv展开得0)()()(22dvGMFNdudvGLENduFLEM3、主方向的个数 由主方向满足的方程知，主方向的个数由它的判别式确定：1判别式大于零，方程有两个不同实根，即有两个不同的主方向；2没有判别式小于零的情况。3当且仅当 EN GL = EM FL = 0 时判别式等于零。 此时有 E/L=F/M=G/N 这种情况是特别的，定义：假设曲面上一点处有 E/L=F/M=G/N，那么这种点称为曲面上的脐点。 结论：1曲面上每非脐点总有两个不同的主方向，它们是杜邦指 标线的主轴方向。 2在脐点，前面的行列式为恒等式，即对于任何方向， 行列式 为零，

17、因此在脐点的每个方向都是主方向。3L=M=N=0的脐点称为平点，L,M,N不同时为零的脐点叫圆点。 二、主方向判别定理Rodrigues定理：假设方向d是主方向， 那么 ，其中 是曲面沿方向(d)的法曲率； 反之，假设对于方向(d)有 ，那么(d)是主方向，且 是沿方向(d)的法曲率。rdndnnkk ,rdndnnkk ,证明：设(d)是主方向， 是与(d)垂直的另一主方向，由 得 利用正交和共轭得 于是有 ，两边点积 即：-= ，所以 1nn，ndndnndnnnd在切平面上02)( rrrdrndrrdnd00)(2所以但主方向不为零，r)(2)( rdrdndrdndnk反之，设 ，

18、是与(d)垂直的另一方向，rdnd)(。drrdrndrdnd共轭)(),(0三、曲率线与曲率线网1、定义：曲面上一曲线，假设它上面的切方向都是主方向，那么称为曲率线。2、曲率线的微分方程是3、曲率线网 曲率线的微分方程为二次方程式，所以它确定了曲面上的两族曲率线每一点都有两条，这两族曲率线构成的网称为曲面上的曲率线网。例题022NMLGFEdududvdv留意：这个方程既是主方向的条件，也是曲率线的微分方程， 前者是对曲线上一点而言，后者是对整条曲线而言。4、曲纹网为曲率线网的条件命题5：曲面上的曲纹坐标网是曲率线网的充要条件是F=M=0。1先证明在不含脐点的曲面片上，选择适当参数，可使曲率

19、线 网成为曲纹坐标网。从曲率线网的微分方程因式分解，可得两 族曲率线的微分方程，它们可表示为 Aidu+Bidv=0i=1,2)，设 为它们的任何积分的积分因子，那么有 而在曲面上的每一点，两个方向相互垂直，所以曲率线彼此不 相切，行列式 引进 为新参数，那么 线为新的曲纹坐标，这样就使曲面上的曲率线网成了曲纹坐标网。这个证明还阐明曲面上的任何一个正规网都可以为曲纹坐标网。idvBduAvddvBduAud22221111,0),(),(221122221111BABABABAvuvuvu,vu,3、6 曲面的主曲率、高斯(Gauss)曲率和平均曲率一、主曲率1、定义：曲面上一点处主方向上的法

20、曲率称为曲面在此点的主 曲率，也就是沿曲率线方向的法曲率，这是由于曲面在一点处的主方向就是过此点的曲率线的方向。nnkrdknd, 2、由定义，主方向判别定理可写为： 对于曲率线有 为主曲率 ，反之也成立。或：曲面上的曲线为曲率线的充要条件是 是主曲率。nnkrdknd, 二、欧拉公式 1、在曲面S上选取曲率线网为曲纹坐标网，那么F=M=0，这时对于曲面上任一方向(d)，它的法曲率公式变为特别沿u-线的主曲率为 ， v-线的为2222GdvEduNdvLdunELk 1GNk 22、设 为恣意方向(d)和u-线方向之间的夹角，那么)0, 0(22)(cos2222222vFuEGdvEduuEduvGvuFuEGdvFdudvEduvGdvudvvduFuEdu222222222cos1sin,cosGdvEduGdvGdvEduEdu2222222222222222)()()()(GdvEduGdvGNGdvEduEduELGdvEduGNdvGGdvEduELduEGdvEduNdvLdun2221sincosn这个公式称为欧拉公式Euler)3、两点阐明 1欧拉公式中只需知道了主曲率，那么恣意方向(d)的法曲率 就可以用(d)和u-线的夹角确定。212121sincoskkn