形式陈述
设 U ⊂ R 2 是连通、单连通开集,g 是光滑正定对称 2 × 2 矩阵场,b 是光滑对称矩阵场,二者在整个 U 满足Gauss–Codazzi 条件 理路 Gauss–Codazzi 相容条件 Gauss–Codazzi equations · Gauss–Codazzi–Mainardi compatibility · 两基本形式的相容性 把候选度量和第二基本形式变成三个可核验的微分条件,推导其标架矩阵残差,并分别构造Gauss与Codazzi障碍。 。则存在光滑正则浸入
X : U ⟶ R 3 使其第一、第二基本形式分别为 g , b ,其中第二形式使用按有序坐标 ( u , v ) 选出的法向
n = X u × X v ‖ X u × X v ‖ , S = − d n . 给定 p 0 ∈ U 、x 0 ∈ R 3 与正向初始三列矩阵 F 0 ,满足
F 0 T F 0 = diag ( g ( p 0 ) , 1 ) , det F 0 > 0 , 再要求 X ( p 0 ) = x 0 、( X u X v n ) ( p 0 ) = F 0 ,则解唯一。不指定初值时,解唯一到保向刚体运动 X ↦ Q X + c ,Q ∈ SO ( 3 ) 。这里使用同一参数域和同一坐标;任意重新标号后,应先拉回两基本形式再比较。
不要求整个 U 单连通时,每点附近仍有这样的解。单连通保证全域单值浸入,不保证 X 单射、像闭合、完备或无自交。每点附近可由逆函数定理 理路 逆函数定理 Inverse function theorem 导数可逆的光滑映射在该点邻域内存在光滑局部逆。 选取一个非零的 2 × 2 坐标子式,使 X 限制为嵌入图;这一局部结论不能升级为全域嵌入。
直觉
曲线重建 理路 Frenet 方程与空间曲线重建 Frenet–Serret equations · Fundamental theorem of space curves · 空间曲线基本定理 以正曲率和挠率为输入解一个保持正交性的线性方程,得到唯一到保向刚体运动的单位速曲线。 只有一个行进变量,解一条线性 ODE 后就能积分切向。曲面有两个独立行进方向:沿一条折线路线算出的标架,必须和沿另一条路线算出的相同。Gauss–Codazzi 正是这个额外的二维要求。
证明有两个不能省略的积分步骤。先把切向和法向的变化率积分成一副真正的标架;再把两支切向箭头积分成位置。标架返回不代表位置也返回,例如一根平直圆柱的内在平行架绕一圈能回到原位,展开位置却已前进一个周长。
例子与边界
从一族弯曲指令直接画出曲面
在矩形上给
I = d u 2 + d v 2 , I I = k ( u ) d u 2 , 其中 k 为任意光滑实函数,允许经过零。度量曲率和第二形式行列式都为零;Codazzi 化为 ∂ v k = 0 ,所以相容。
令
(1) ϕ ( u ) = ∫ u 0 u k ( t ) d t , X ( u , v ) = ( ∫ u 0 u cos ϕ ( t ) d t , v − v 0 , ∫ u 0 u sin ϕ ( t ) d t ) . 则 X u = ( cos ϕ , 0 , sin ϕ ) 、X v = ( 0 , 1 , 0 ) ,
n = ( − sin ϕ , 0 , cos ϕ ) 。直接得到 I = d u 2 + d v 2 、X u u = k n 、X u v = X v v = 0 ,所以 I I = k ( u ) d u 2 。这是曲面重建的实际解,不仅是存在性引用。
k ≡ 0 得平面;k ≡ 1 得 X = ( sin u , v , 1 − cos u ) (取 u 0 = v 0 = 0 );k ( u ) = u 则产生曲率渐变的柱面,u = 0 的整条母线是形算子为零的点。三者内在度量相同,环境弯曲不同。k = 1 在 U = R 2 上仍是正则浸入,但 X ( u + 2 π , v ) = X ( u , v ) ;单连通域没有阻止重复覆盖。
两种不同的全局障碍
在穿孔平面上,用局部极坐标表示同一个全局度量
I = d r 2 + a 2 r 2 d θ 2 , I I = 0 , 0 < a < 1. 这里 d θ = ( − y d x + x d y ) / ( x 2 + y 2 ) 是全局一形式,θ 本身不是全局函数。局部解为
X ( r , θ ) = ( r cos ( a θ ) , r sin ( a θ ) , 0 ) . 沿 θ 增加 2 π ,它的标架转过 2 π a ,没有返回。因为局部解的唯一性,不能改选另一个局部解消除这一非恒等旋转,故没有全域单值的指定两形式实现。
另取同一穿孔平面上的
I = ( d r / r ) 2 + d θ 2 , I I = 0. 正交余标架 d r / r , d θ 都闭,平行架的旋转返回已经为恒等。但局部解 X = ( log r , θ , 0 ) 绕一圈产生位移 ( 0 , 2 π , 0 ) ,仍不能单值。这个例子专门说明:检查标架闭合以后,还必须检查位置周期。
这两组数据都满足所有局部相容方程。单连通假设是充分条件,去掉它并不表示每组数据都失败;圆柱的实际两基本形式就能在圆柱参数空间上单值实现。
推论与应用
第一步:在矩形上亲自证明标架可积
用相容页的记号构造 A = A u , B = A v ,它们满足
(2) B u − A v + A B − B A = 0. 先在一条水平线 v = v 0 解
F u ( u , v 0 ) = F ( u , v 0 ) A ( u , v 0 ) , F ( u 0 , v 0 ) = F 0 . 再对每个固定 u ,沿竖线解
F v ( u , v ) = F ( u , v ) B ( u , v ) 并以上一步的值作初值。线性 ODE 理路 线性常微分方程组 Linear system of ordinary differential equations 形如 x′=A(t)x+b(t) 的向量值一阶线性方程组。 在每个系数定义的紧线段上存在唯一解;系数光滑使解光滑依赖参数。后一事实也可直接由逐次积分级数逐项求导得到,其统一阶乘界见平行移动的参数依赖证明 理路 联络与协变导数 Connection · Covariant derivative 用 Leibniz 规则定义向量丛上的微分,以单位分解构造联络,再用线性方程的平行移动证明光滑可缩底空间上的丛平凡。 。
还不能立刻说 F u = F A 在离开基线后成立。定义误差
E = F u − F A . 用已知的竖向方程与式 (2) 计算
E v = F u v − F v A − F A v = F u B + F B u − F B A − F A v = E B + F ( A B + B u − B A − A v ) = E B . 初值为 E ( u , v 0 ) = 0 ,故线性方程唯一性给 E ≡ 0 。至此才证明两个方向的方程同时成立,且任何有相同初值的解沿水平、竖直路线都相同。无需把“可积”当作未经证明的黑箱。
第二步:Gram 矩阵保证它确实是几何标架
记 H = diag ( g , 1 ) 。相容页已经直接核验
H i = A i T H + H A i . 而 G = F T F 也满足同一方程。沿任意已构造的水平、竖直路线,G − H 满足齐次线性 ODE 且初值为零,所以
(3) F T F = H . 因此前两列 V 1 , V 2 的 Gram 矩阵正是 g ,第三列 n 单位且垂直于它们。det F 从正初值连续变化,并由 det ( F T F ) = det g > 0 永不为零;于是 n 是 V 1 × V 2 的正向单位向量。这里并没有假设 F 是正交矩阵,一般的 V 1 , V 2 并不正交单位。
第三步:把闭的切向一形式积分成位置
方程的第一、第二列给
∂ v V 1 = F ( Γ 21 1 , Γ 21 2 , b 21 ) T = F ( Γ 12 1 , Γ 12 2 , b 12 ) T = ∂ u V 2 , 因为 Christoffel 的下标对称且 b 对称。所以向量值一形式
η = V 1 d u + V 2 d v 逐分量闭。矩形上的闭一形式积分 理路 Poincaré 引理 Poincare lemma · Poincaré lemma · 庞加莱引理 星形开域上的正次数闭形式具有可由径向积分构造的原形式。 给 d X = η ;也可明确取
X ( u , v ) = x 0 + ∫ u 0 u V 1 ( t , v 0 ) d t + ∫ v 0 v V 2 ( u , t ) d t . 对 u 求导并用 ∂ u V 2 = ∂ v V 1 ,第一段和第二段的端点项恰合成 V 1 ( u , v ) ;对 v 求导直接得 V 2 。因此 X u = V 1 , X v = V 2 。式 (3) 保证正则性及第一基本形式,V j 的微分方程与 n 点积给 X i j ⋅ n = b i j ,从而第二形式也正确。
第四步:为什么单连通足以粘合
沿 U 中任一分段光滑路径,标架方程成为 F ′ = F ( A u ′ + B v ′ ) ,位置满足 X ′ = V 1 u ′ + V 2 v ′ 。紧路径可由有限个小矩形覆盖,线性 ODE 不会在路径内部爆破,所以解可逐段延拓。
矩形构造与唯一性说明:在同一小矩形内,把一段路径替换为另一条同端点路径,终值不变。若两条路径端点固定同伦,把同伦方块细分得足够细,使每个小格的像落在一个这样的矩形中;沿小格边界逐格替换,内部边相消,就把一条路径的延拓变成另一条。连续同伦也足够:其紧像有有限矩形覆盖,由 Lebesgue 数取足够细网格,再在各矩形内用分段光滑线连接网格像,获得相同的逐格替换。于是解只依赖路径的端点固定同伦类。
单连通消除了所有闭路类,因此标架和位置都全域单值;局部仍是已证的光滑解。这同时解释非单连通情形的两项障碍:回路首先可能改变标架,标架若都返回,闭一形式 η 还可能有非零周期。要下降成全域曲面,必须使相应刚体回返的旋转和位移都为恒等。
第五步:初值唯一性给出保向刚体唯一性
两组解若初值相同,沿每条路径满足同一 ODE 与同一位置积分,故处处相同。若初始位置和标架不同,令 Q = F ~ 0 F 0 − 1 。两者有相同 Gram 矩阵,故 Q T Q = I ,且两初始行列式均为正,所以 det Q = 1 。取 c = x ~ 0 − Q x 0 后,Q X + c 与 X ~ 有相同初值,因而相同。
这个唯一性只需域连通,单连通用于存在性中的单值延拓。镜像在本页的坐标诱导法向约定下会使 I I 反号;若同时允许改选法向,应明确更改比较规则,而不是删掉“保向”二字。
参考资料