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定理Theorem

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。

形式陈述 ​

在选定单位法向 n 的 C2 曲面上,取 p 处单位切向量 V。法曲率定义为

kn(V)=II(V,V)=⟨SV,V⟩,

其中 S=−dn 是形算子。它等于任何通过 p、单位速且切向为 V 的曲线 α 的法向加速度 α″⋅n,因此只依赖点、方向与所选法向,不依赖具体曲线的面内走法。

形算子的两个实特征值 k1,k2 称为主曲率,非零特征向量所张的直线称为主方向。由自伴性,存在正交单位主基 e1,e2。若 V=cos⁡θe1+sin⁡θe2,Euler公式为

kn(V)=k1cos2⁡θ+k2sin2⁡θ.

主曲率是法曲率在单位圆上的最大、最小值。两特征值相等时称为脐点,此时 S=kI,每个方向都是主方向,没有唯一的两条主方向。

在一般参数基中,必须解广义特征问题

bw=kgw,det⁡(b−kg)=0,

或求 g−1b 的特征值。非单位参数速度 w 的法曲率是 wTbw/(wTgw)。

直觉

同一个山坡,朝下坡方向与沿等高线方向走,弯曲可能不同。先把速度都归一为一,再只读加速度沿山坡法向的分量,才得到公平的方向比较。主方向给出这项测量的极端方向;任意方向的读数由两个极值按平方余弦加权。

为什么法曲率不依赖选择哪条路 ​

曲线始终在曲面上,所以 n(α(s))⋅α′(s)=0。求导得

(dn)(α′)⋅α′+n⋅α″=0,

即 n⋅α″=⟨Sα′,α′⟩。在给定点固定单位切向后,右侧不再含曲线的二阶自由度。其他加速度分量将在测地曲率中出现。

从自伴性到方向公式 ​

有限维实谱定理为自伴 S 提供正交单位特征基。于是

⟨S(cos⁡θe1+sin⁡θe2),cos⁡θe1+sin⁡θe2⟩=k1cos2⁡θ+k2sin2⁡θ.

交叉项因 e1⊥e2 为零。两个平方权重非负、和为一,所以值介于两主曲率之间,并在主方向取端点值。若两个值不同,极端方向各是一条唯一的直线,但特征向量的正负仍不唯一。

令 E,F,G 与 e,f,g 为两基本形式的系数,展开广义行列式可得

(EG−F2)k2−(eG+gE−2fF)k+(eg−f2)=0.

因此

K=k1k2=eg−f2EG−F2,H=k1+k22=eG+gE−2fF2(EG−F2).

K 与 H 分别是外在表达的高斯曲率与依赖法向符号的平均曲率;高斯曲率的内蕴解释另见原页。

例子与边界

圆柱斜向行走 ​

半径 R 圆柱取外法向。环向单位向量 e1 的主曲率为 −1/R,轴向 e2 的主曲率为零。因此与环向成 θ 的单位方向有

kn=−cos2⁡θR.

圆柱上的螺旋线 (Rcos⁡t,Rsin⁡t,bt) 有 cos⁡θ=R/R2+b2,故 kn=−R/(R2+b2)。其空间曲率为正数 R/(R2+b2),二者差一个符号:曲线主法向朝内,曲面法向朝外。

球面外法向下每个方向都给 kn=−1/R,所以球面每点都是脐点。不能因此给球面选出两条唯一、全局连续的“主曲率坐标轴”。

鞍面的零法曲率并不只有一个方向 ​

X(u,v)=(u,v,uv) 在原点取向上法向,有

g=I2,b=(0110).

主曲率为 1,−1,主方向分别为 (1,1)/2 与 (1,−1)/2。参数方向 (1,0)、(0,1) 的法曲率都为零;它们对应曲面内两条直线,是渐近方向。

一般非零方向称为渐近方向,若 II(V,V)=0。由Euler公式:K<0 时有两条不同渐近直线;K>0 时没有;K=0 且 S≠0 时只有核方向;S=0 时所有方向都渐近。最后一项不能简单归进“恰有一个零方向”。

平均曲率零不代表平坦 ​

上述鞍面原点 H=0 而 K=−1。主曲率相反抵消了平均值,却没有使乘积消失。反过来圆柱 K=0 而 H=−1/(2R)。两个标量承担不同任务。

推论与应用

主曲率实数性并非任意实矩阵的性质,而来自形算子对第一基本形式的自伴性。计算中若得到非实主曲率,应先检查法向、二阶系数与 g−1b 的矩阵顺序。

本页给从两基本形式到方向弯曲的完整算法;高斯曲率页进一步接到内蕴曲率与 Gauss–Bonnet。局部某点 K=0 不够保证整个邻域能展开成平面;局部等距是邻域上的度量条件,不能由单点两个数代替。

沿曲线认证主方向时,测地挠率给出 τg=II(T,n×T)=0 的精确判据。对一个邻域上 K=0 且 S≠0 的曲面,核方向的直线母线定理再用 Codazzi 证明该方向的积分曲线确为三维直线;单点零法曲率本身没有这个结论。

参考资料
  • Theodore Shifrin,Differential Geometry,April 2021,Ch. 2 §2,Proposition 2.3(Euler公式)、Corollary 2.4,pp. 47–51:主曲率、渐近方向、法曲率。
  • Manfredo P. do Carmo,Differential Geometry of Curves and Surfaces,Prentice-Hall,1976,Ch. 3 §2:法截线、Euler公式和主曲率。
关系图谱6 个相邻概念 · 2 类关系

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