形式陈述
设 是有选定单位法向 的 正则曲面理路正则参数曲面与局部曲面片Regular parametrized surface · Immersed surface patch · 曲面参数化从两个独立偏导构造切平面与法向,证明满秩参数局部可化为图形,并分清自交、坐标失效和曲面奇点。。取其上一条 单位速曲线理路正则曲线与弧长参数Regular parametrized curve · Arc-length parametrization · 单位速参数化从非零速度定义正则曲线,证明弧长公式与重参数不变性,并构造单位速参数。 ,记 ,。这时 为右手正交单位架,且 ,所以唯一分解为
是有符号测地曲率, 是法曲率;由法曲率公式理路法曲率、主曲率与 Euler 公式Normal curvature · Principal curvature · Euler curvature formula · 主方向从曲面上曲线的加速度定义法曲率,证明Euler公式并用广义特征值计算主方向、脐点与渐近方向。,。空间曲率满足
此分解在 时仍有意义,因为它直接用 ,不需要 Frenet 主法向。
对非单位速正则参数 ,速率 ,
法向与参数方向必须同时注明。固定 而反转行走方向, 反号、 不变;反转曲面法向则两者都反号,但几何加速度向量保持原样。
直觉
骑车绕着圆柱匀速盘旋,在空间里轨迹显然弯曲;如果把圆柱展开,轨迹却是一条直线。空间弯曲来自纸面本身弯了,骑手在纸面内部没有打方向。 读前一种变化, 读后一种转弯。
一次正交分解完成推导
求导得 。在它的二维正交补中用 展开,系数就是点积,勾股定理给 。一般参数有
与 点积消去前两项;另取 ,利用 ,得到 。这证明计算公式,也看出切向加速 不属于几何转弯。
在诱导度量下,Levi–Civita 导数就是环境导数的切向投影:该投影保持内积,且坐标混合偏导相等使其无挠,因此由唯一性识别。所以
单位速曲线为测地线理路测地线Geodesic由平行速度和固定端点能量的一阶变分刻画测地线,区分仿射参数、长度驻定与全局最短,并为 Jacobi 第二变分构造精确固定端点的变分。当且仅当 。这段与抽象联络的连接是解释,不是计算定义的硬前置。
例子与边界
圆柱螺旋线在曲面内不转弯
令 ,外法向 。有 ,,所以
在展开坐标 中是一条直线,与局部等距理路曲面的局部等距Local isometry of surfaces · 圆柱展开用保持第一基本形式刻画局部等距,验证圆柱展开,并区分曲线路长、区域内距离和全局距离。图像一致。 的水平圆同样是圆柱测地线;“在空间不是直线”不妨碍面内没有转弯。
球面的纬线为何只有赤道不转弯
半径 球面取外法向。固定余纬 ,沿经度增加方向走
速率 ,单位切向 。在 ,
因此(旋转对称使全部点结果相同)
代入可验 。只有赤道 给 ;北半球向东走时需向左转,,南半球则为负。两极不在这条纬线参数的正则范围内。
“不转弯”不保证任意长段最短
大圆是球面测地线,但绕行超过半圈的弧不是两端之间的最短路;反向短弧更短。测地条件是局部微分条件,全局最短性还要比较所有候选路线。非恒速重参数的同一轨迹也未必满足仿射参数方程 ,尽管单位速化后仍为测地线。
推论与应用
对北极球冠 ,其中 ,边界的诱导方向为经度增加。边界长度 ,故
球冠面积 ,乘 得 。两项相加为 ,恰好核验Gauss–Bonnet理路Gauss–Bonnet 定理Gauss–Bonnet theorem从正向标架的联络形式推出局部转角公式,再由三角剖分证明整体 Gauss–Bonnet;显式计算球面两图的 Euler 数和嵌入环面的正负曲率抵消。的圆盘情形。这是对定理的具体复算,完整局部转角与全局三角剖分证明保留在原页。
在平面标准定向下,, 就是有符号平面转角率。圆环外圈逆时针给 ,内圈顺时针给 ,总和为零,与 Euler示性数零相符。边界方向由外向量优先理路带边界光滑流形Smooth manifold with boundary · Outward-first boundary orientation · 诱导边界定向以半空间坐标定义光滑边界,构造边界点完整切空间,并用外向量优先规则计算圆环两条边界的方向。决定,不能因为两圈形状相同就给同号。
本页保留加速度的法向与面内分解。若还需追踪曲面法向沿曲线怎样扭转,Darboux 完整标架与测地挠率理路Darboux 标架与测地挠率Darboux frame equations · Geodesic torsion · Joachimsthal constant-angle theorem补全曲面上曲线的三支Darboux标架方程,用测地挠率认证主方向、比较Frenet挠率,并判定等角交线与法向直纹面。引入 ,补全另两支箭头的导数,并用 判定曲率线。圆柱螺旋线虽有 ,通常仍有 ;空间曲率为零的直线也可能有非零测地挠率。
参考资料
- Theodore Shifrin,Differential Geometry,April 2021,Ch. 2 §4,pp. 70–71:Darboux标架、曲率分解、测地条件;Ch. 3 §1 的边界测地曲率。
- Manfredo P. do Carmo,Differential Geometry of Curves and Surfaces,Prentice-Hall,1976,Ch. 4 §4:曲面上的平行移动与测地线。