Skip to content

定义Definition

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。

形式陈述 ​

设 M,N 是带诱导度量的光滑正则曲面。光滑映射 F:M→N 称为局部等距,若每一点 p 的微分都是切空间之间的线性等距:

⟨dFpV,dFpW⟩N=⟨V,W⟩M(V,W∈TpM).

因两边维数相同,这迫使 dFp 可逆,故 F 局部是微分同胚。它不要求全局单射或满射。若 F 还为全局微分同胚并保持度量,则称为全局 Riemann 等距。

在坐标中,若源与目标的第一基本形式矩阵分别为 g,h,坐标表示为 ϕ,条件就是

(Dϕ)T(h∘ϕ)(Dϕ)=g.

特别地,两张一一参数片 X,Y 用同一参数域且基本形式相同,则 Y∘X−1 是两片间等距。

局部等距保每条分段 C1 曲线的长度。若限制后 F:U→V 为微分同胚,它还保持只允许路线留在各自区域内的路径距离。一般不保证在整张曲面中允许绕出该区域后的全局距离相等,更不要求三维环境中的弦长相等。

直觉

一张纸可以卷成圆柱,纸上的尺子没有伸缩,空间中的法向却改变了方向。局部等距描述的是纸上人的测量:路线长短、夹角、面积刻度。环境观察者看到纸弯了,这由形算子记录,两个观察并不冲突。

度量等式为什么保长度 ​

对曲线 γ,链式法则给 (F∘γ)′=dF(γ′)。微分等距使两边速率相同,积分便得长度相同。若 F:U→V 是微分同胚,F 与 F−1 把区域内连接两点的曲线一一对应,对所有路径长度取下确界便得区域内路径距离相等。

反过来,设光滑 F 保每一小段曲线的长度。取任意点和任意切向速度 V,选一条实现该速度的光滑曲线。两段长度对短时间间隔除以间隔再取极限,得到 ‖dF(V)‖=‖V‖。再用极化恒等式

2⟨V,W⟩=‖V+W‖2−‖V‖2−‖W‖2

恢复所有内积。因此保所有路线长度与保第一基本形式是一致的局部条件,不能只检查两条坐标轴上的长度而忘记交叉项。

例子与边界

用真实横向长度展开圆柱 ​

令 R>0,从平面到圆柱的映射为

F(x,z)=(Rcos⁡(x/R),Rsin⁡(x/R),z).

有 Fx=(−sin⁡(x/R),cos⁡(x/R),0) 与 Fz=(0,0,1),两者正交且模一,所以诱导形式恰为 dx2+dz2。对任意路径 (x(t),z(t)),

‖(F∘c)′‖2=(x′)2+(z′)2.

把 x 限制在长度小于 2πR 的开区间,就得到一张可逆展开片。圆柱外法向 n=(cos⁡(x/R),sin⁡(x/R),0) 沿横向的导数是 Fx/R,所以 S(Fx)=−Fx/R;局部展开保长度,环境弯曲仍非零。

同一个公式并不是全局等距 ​

若允许 x∈R,则 F(x+2πR,z)=F(x,z)。这是局部等距覆盖,已经不单射;相距 2πR 的两个平面点甚至有同一像。

即使使用开带 0<x<2πR,点 (ε,0) 与 (2πR−ε,0) 在开带内路径距离为 2πR−2ε。它们在圆柱的相应去缝区域内距离也相同;但若允许在整根圆柱上穿过接缝,最短路只有 2ε(取 0<ε<πR/2)。差别来自允许路径的区域变了,不是度量计算失效。

保面积或保角都还不够 ​

平面映射 (x,y)↦(2x,y/2) 的 Jacobian 行列式一,保面积,却把水平长度加倍、竖直长度减半。(x,y)↦(2x,2y) 保角,却把所有长度加倍。局部等距同时要求完整的内积矩阵等式。只在某点微分等距也不够:(x,y)↦(x+x3,y) 在原点微分为恒等,但附近水平刻度为 1+3x2。

推论与应用

局部等距保夹角与面积密度,且在光滑 Riemann 理论中保持 Levi–Civita 联络与高斯曲率。因此球面 K=1/R2 不能局部等距到 K=0 的平面;这一障碍使用的是Gauss绝妙定理,不是仅由球面图片看起来弯曲推断。圆柱计算给的是一个显式等距证书。

全局等距应另外验证一一性、满射性和整体距离;一般曲面能否由给定度量嵌入三维,又是更强的存在问题。本页不把“曲率相同”当作充分条件,也不从单点 K=0 推出邻域可展开。

圆柱的显式展开只是一个正例。零高斯曲率与平面展开坐标进一步证明一般光滑二维度量在邻域上 K≡0 时确有平面等距坐标,并用闭联络、旋转余标架和积分给出构造;圆锥的 216∘ 裁片与单连通域上的非单射展开分别检验切缝和全局边界。可展直纹曲面另回答三维中的母线和分类问题,不能仅由一个局部等距公式替代。

参考资料
  • Theodore Shifrin,Differential Geometry,April 2021,Ch. 2 §1,pp. 39–40,局部等距与圆柱例;Ch. 2 §3,Corollary 3.2 的曲率不变性。
  • Manfredo P. do Carmo,Differential Geometry of Curves and Surfaces,Prentice-Hall,1976,Ch. 4 §2:等距与共形映射。正文另明确区域内路径距离和整曲面距离的区别。
关系图谱6 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系

使用的工具