曲面的第二基本形式

第三节曲面的第二基本形式3.1曲面的第二基本形式一、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，它不依赖于曲面在空间如何弯曲。为了更好地研究曲面的形状，有必要知道在曲面上任意一点P邻近曲面是否弯曲，往什么方向弯曲，弯曲的程度，而这个程度可用P点邻近的点Q到P点的切平面的垂直距离来表示，这个距离的主要部分就是曲面的第二基本形式。在第五节我们将看到，曲面的、二基本形式完全决定的曲面的形状。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第1页!二、曲面的第二基本形式给定类的曲面S：曲线（c）：u=u(s),v=v(s)或是曲面上过P的一曲线，为P邻近一点，它们的向径分别为设为曲面在P点的单位法向量，由作切平面的垂足为Q，为从切平面到曲面S的有向距离，则。所以有曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第2页!当时，的主要部分是由于所以Ⅱ它称为曲面的第二基本形式,它的L、M、N系数称为曲面的第二类基本量。上式表明第二基本形式近似地等于曲面与切平面的有向距离的两倍，因而它刻划了曲面离开切平面的弯曲程度，即刻划了曲面在空间中的弯曲性。注意：第二基本形式不一定是正定的，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。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第3页!3、对于显函数z=z(x,y)表示的曲面有Ⅱ例题1、2曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第4页!所以Ⅱ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。Ⅱ曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第5页!定义：曲面在一点沿一方向的法曲率为Ⅱ注意：设给定点为P，则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）的方向，为了求(c)的曲率，只要（c）与（c0）在P点相切就行了，因为它们此时的切方向相同了。所以设曲面上一曲线（c）和法截线（c0）切于P点，则它们有相同的切方向（d）=du:dv，则（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。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第6页!3.3杜邦指标线一、杜邦指标线现在考虑通过曲面上一点的所有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，则对于切平面上所有方向，N点的轨迹称为曲面在P点的杜邦指标线。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第7页!三、曲面上的点的分类按曲面上的点的杜邦指标线进行分类1）若，则点P称为曲面的椭圆点，这时杜邦指标线是一椭圆。2）若，则点P称为曲面的双曲点，杜邦指标线为一对共轭的双曲线。3）若，则称P为曲面的抛物点，杜邦指标线为一对平行直线。4）若，则称P为曲面的平点，这时杜邦指标线不存在。例：平面上的点为平点。因为平面方程为它的二阶微商全为零，因此第二类基本量全为零。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第8页!命题2：曲面在渐近曲线上一点处的切平面一定是渐近曲线的密切平面。习题93、性质命题1：如果曲面上有直线，则一定是曲面的渐近曲线。由法曲率公式即证：证明：沿渐近曲线有若k=0，则为直线，这时曲面的切平面通过它，因此切平面又是密切平面；若，则曲面的法向量垂直于渐近曲线的主法向量，因此曲面的切平面通过渐近曲线的切线外，还通过渐近曲线的主法向量，所以它又是渐近曲线的密切平面。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第9页!二、共轭方向1、定义：设曲面上P点处的两个方向分别为如果包含这两个方向的直线是P点的杜邦指标线的共轭直径，则这两个方向称为曲面的共轭方向。2、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所以两方向共轭也可写为特别当时，条件就为为渐近方向，故渐近方向为自共轭方向。但曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第10页!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，则它的共轭曲线族为如果这族曲线为v线（）则M=0。因此得到3、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，如果它们既正交又共轭，则称为曲面在P点的主方向。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第11页!3、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：若曲面上一点处有E/L=F/M=G/N，则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，因此在脐点的每个方向都是主方向。3）L=M=N=0的脐点称为平点，L,M,N不同时为零的脐点叫圆点。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第12页!三、曲率线与曲率线网1、定义：曲面上一曲线，如果它上面的切方向都是主方向，则称为曲率线。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。例题注意：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。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第13页!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，这是因为曲面在一点处的主方向就是过此点的曲率线的方向。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。二、欧拉公式1、在曲面S上选取曲率线网为曲纹坐标网，则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Ⅱ曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第14页!3、两点说明1）欧拉公式中只要知道了主曲率，则任意方向(d)的法曲率就可以用(d)和u-线的夹角确定。2）欧拉公式是在脐点成立，但在脐点也成立，此时E/L=G/N

即任意方向的法曲率都相等。

曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第15页!四、主曲率的一个计算公式由主方向判别定理，沿主方向(d)有则两边分别与ru，rv作内积即-Ldu-Mdv=-kN（Edu+Fdv）-Mdu-Ndv=-kN（Fdu+Gdv）整理得到关于du,dv的齐次方程，它有解的充要条件是

这就是主曲率的计算公式。也可用二次方程表示。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第16页!六、极小曲面1、极小曲面1)Plateau问题，1866年提出。2）平均曲率为零的曲面。第六节。2、研究状况1）寻找极小曲面1774年欧拉找出悬链面，1860年Bonnet证明了它是旋转面中唯一的极小曲面。1776年Meusniner,正螺面。1842年，Catala证明了它是直纹面中仅有的极小曲面。1834年，Scherk,z=log(cosy)-log(cosx)，他证明了它是平移曲面中唯一的极小曲面。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第17页!3、7曲面在一点邻近的结构一、椭圆点：，适当选择曲面的法向量可使主曲率全大于零，此时曲面的任意方向的法曲率都大于零，由法曲率的定义

得法曲率就是相应的法截线的曲率，所以曲面沿所有方向都朝法向量的正侧弯曲。又主曲率k1>0,k2>0,即主方向上的两个法截线的曲率大于0，这两个法截线都有是平面曲线，由第一章的结果，平面曲线在一点邻近的近似方程为所以这里得到它的近似方程为，，它们都是抛物线，所以曲面在椭圆点邻近的形状近地等于椭圆抛物面。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第18页!三、抛物点对于(1)，设k1<0，k2=0，对应于主曲率的两条法截线中有一条朝法向量的反向弯曲，另一个主方向是渐近方向，又故除渐近方向外，所有方向的法曲率都小于0，即朝法向量的反向弯曲，由第一章的结果，主方向上法截线的形状分别近似于和其中前一个是朝法向量的反向弯曲的抛物线，后一个为立方抛物线。P109图。对于平点来说L=M=N=0，因此这时主方向上的两条法截线的形状都近似于立方抛物线：曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第19页!二、曲面的第三基本形式1、定义：把的长度平方称为曲面的第三基本形式，记为Ⅲ=实际上就是曲面的球面表示的第一基本形式。这里e,f,g叫做曲面的第三类基本量曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第20页!三、高斯曲率的几何意义1、命题7：曲面上P点邻近的区域在单位球面上的表示为则有证明：其中积分区域为曲纹坐标u,v的变化区域，而u,v同时为这两个积分中的变数。由于分别是曲面和球面的法向量，而曲面上的单位法向量为球面上一点的向径，同时出是球面上的法向量，因此它们平行，有由拉格朗日恒等式得到曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第21页!三、第二类基本量的计算1、2、对进行微分得Ⅱ曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第22页!3、2曲面上曲线的曲率曲面在已知点邻近的弯曲性可由它离开曲面的切平面的快慢来决定，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离开切平面，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究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，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则设P点的法向量与主法向量的夹角为，则曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第23页!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ⅡⅡ其中和的方向相同时取正号，此时（c0）往的正侧弯曲，…………取负号，……反向弯曲。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第24页!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。则公式，可写为梅尼埃定理：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）的密切平面上的投影。四、一个例，球面。由于R在（C）的主法线上，即在（C）的密切平面上，

Rn在（C0）……，（C0）……故这个公式的几何意义为：R为Rn在（C）的密切平面上的投影，由于它们的端点为曲率中心C和法曲率中心C0，因此几何意义可叙述成：曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第25页!二、杜邦指标线的方程取（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),则两边平方得曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第26页!3、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：如果P是曲面的双曲点，则它们的杜邦指标线有一对渐近线，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，则由解析几何知，这两个方向满足方程也就是使得法曲率为零的方向。2、渐近曲线曲面上的曲线，如果它上面的每点的切方向都是渐近方向，则称曲线为渐近曲线，它的微分方程是曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第27页!4、渐近网1）如果曲面上的点都是双曲点，则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：必要性：若曲纹网是渐近网，则du=0或dv=0应满足渐近曲线的微分方程代入得L=N=0。充分性：若L=N=0,又du=0或dv=0,代入必有即曲纹网是渐近网。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第28页!3、共轭网1）给出曲面上的两族曲线，如果通过它上面每点，曲线族中的两条曲线的切方向都是共轭方向，则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，则这两个方向应满足(1)设一族曲线的微分方程为Adu+Bdv=0(2)联立（1）（2）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。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第29页!2、主方向满足的条件（1）设两个主方向为（d）（）两式联立并消去得这就是主方向所满足的条件，也可写成展开得曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第30页!二、主方向判别定理（Rodrigues定理）：若方向（d）是主方向，则，其中是曲面沿方向(d)的法曲率；反之，如果对于方向(d)有，则(d)是主方向，且是沿方向(d)的法曲率。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：-Ⅱ=，所以反之，设，是与(d)垂直的另一方向，曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第31页!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=0（i=1,2)，设为它们的任何积分的积分因子，则有而在曲面上的每一点，两个方向互相垂直，所以曲率线彼此不相切，行列式引进为新参数，则线为新的曲纹坐标，这样就使曲面上的曲率线网成了曲纹坐标网。这个证明还说明曲面上的任何一个正规网都可以为曲纹坐标网。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第32页!2、设为任意方向(d)和u-线方向之间的夹角，则这个公式称为欧拉公式（Euler)曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第33页!三、主曲率的一个命题曲面上的一点（非脐点）的主曲率是曲面在这点所有方向的法曲率中的最大值和最小值。证明：在非脐点，两主曲率不相等，不妨设k1<k2，由欧拉公式同理有即即主曲率是这点所有方向的法曲率中的最大值和最小值。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第34页!五、高斯曲率和平均曲率1、设k1,k2为曲面上一点的两个主曲率，则它们的乘积k1k2称为曲面在这点的高斯曲率（全曲率，总曲率），记为K，即K=k1k2。而k1,k2的平均数称为曲面在这点的平均曲率（中曲率），用H表示，即H=1/2（k1+k2)。由韦达定理知2)若曲面用z=z(x,y)表示则3）例题6。曲面的第二基本形式共40页，您现在浏览的是第35页!2）系统研究的黄金时代