形式陈述
设 U ⊂ R 2 开,X : U → R 3 为 C 1 映射。本页称它为正则参数曲面,若微分 理路 多元函数导数 Derivative in several variables · Jacobian derivative Fréchet 导数在有限维 Euclidean 坐标中的 Jacobian、梯度与方向导数表示。 D X 处处秩二,等价于
X u × X v ≠ 0. 这是参数映射 的条件,允许不同参数点有相同的像。若还要求 X : U → X ( U ) 是同胚,就得到一张嵌入曲面片;像采用环境的子空间拓扑。一个正则嵌入曲面是满足下列条件的子集:对每点 p ,存在环境开邻域 V ,使曲面与 V 的交集恰好是一张这样的片的像。
在参数点 q = ( u , v ) ,切平面方向空间与单位法向为
T q X = span { X u ( q ) , X v ( q ) } , n ( q ) = X u ( q ) × X v ( q ) ‖ X u ( q ) × X v ( q ) ‖ . 过空间点的仿射切平面是 X ( q ) + T q X 。在自交处须保留参数点 q ,不能无条件给像集中的交点一个唯一切平面。叉积、垂直和长度均使用标准Euclidean 内积 理路 内积空间 Inner product space 带正定对称双线性形式或正定 Hermitian 半双线性形式的向量空间。 。
换坐标 ϕ : V → U 为 C 1 微分同胚,Y = X ∘ ϕ 。则
( Y a Y b ) = ( X u X v ) D ϕ , Y a × Y b = det ( D ϕ ) ( X u × X v ) . 因此切平面不变,按参数顺序选出的单位法向在保向换元下不变、反向换元下反号。几何切平面不依赖坐标,法向的两种选择却需要区分。
直觉
一张纸有两个可以独立移动的方向。X u , X v 描述参数网格的两条线被送到空间后朝哪里走;它们一旦平行,参数网格就在该点压扁了。满秩保证每一小块仍是二维,但远处的纸片可能盖到同一位置,所以满秩不负责排除自交。
满秩为什么给出局部图形
在 q 0 至少有一个 2 × 2 子式非零。重新排列空间坐标后,可设 X 的前两分量 H = ( X 1 , X 2 ) 在 q 0 的 Jacobian 可逆。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。 给邻域 V ∋ q 0 ,使 H : V → W 为微分同胚。用 ( x , y ) = H ( u , v ) 做新坐标,
X ∘ H − 1 ( x , y ) = ( x , y , f ( x , y ) ) , f = X 3 ∘ H − 1 . 这张图显然单射,逆映射就是投影到前两坐标,因而连续。故每个正则参数映射都能在参数域内适当缩小为嵌入图形片。这证明的是某一片的局部性质;另一片仍可能穿过同一空间位置。
切平面的坐标无关性也可直接从曲线看见。参数曲线 c ( t ) 产生空间曲线 X ( c ( t ) ) ,其速度是 D X c ′ 。所有这样的速度恰是 D X 的像;换坐标只是给同一像换一组基。
例子与边界
图形、圆柱与球面
图形 X ( u , v ) = ( u , v , f ( u , v ) ) 有叉积 ( − f u , − f v , 1 ) ,所以只要 f ∈ C 1 就正则。圆柱参数
C ( u , z ) = ( R cos u , R sin u , z ) , R > 0 满足 C u × C z = R ( cos u , sin u , 0 ) 。它在整个参数平面正则,却因 u 的 2 π 周期不单射;例如把 u 限在长度小于 2 π 的开区间,即可得到一张无重叠片。
球面参数
S ( θ , ϕ ) = R ( sin θ cos ϕ , sin θ sin ϕ , cos θ ) 在 0 < θ < π 与一个局部经度区间上正则,因为 S θ × S ϕ = R sin θ S ,模为 R 2 sin θ 。两极处此参数失效,但球面没有奇点。北极附近另用
( x , y ) ⟼ ( x , y , R 2 − x 2 − y 2 ) 即可得到正则片。经度接缝同样是选图问题,不是球面的一条裂缝。
真正的锥尖不能靠换图消掉
圆锥 z = x 2 + y 2 去掉原点后是正则曲面。若锥尖也有二维切平面,它必须包含从尖点出发的每条母线方向。但方向 ( 1 , 0 , 1 ) , ( − 1 , 0 , 1 ) , ( 0 , 1 , 1 ) 线性独立,无法同落在一个二维平面中。这与光滑曲面切平面只有二维矛盾,所以锥尖是真实奇点。
这里可把母线写成定义在 [ 0 , ε ) 的曲线,其单侧导数必须落在任何假设存在的切平面;无需错误地假定母线穿过尖点后仍在同一上半圆锥内。
推论与应用
旋转曲面 X ( u , v ) = ( r ( u ) cos v , r ( u ) sin v , z ( u ) ) 满足
‖ X u × X v ‖ = r ( u ) r ′ ( u ) 2 + z ′ ( u ) 2 (此处 r > 0 )。故母线正则且不碰旋转轴时参数正则;碰轴时必须另查是否只是坐标退化,不能直接宣布曲面有尖点。球极与锥尖正好给出两个不同答案。
第一基本形式 理路 第一基本形式 First fundamental form · 曲面诱导度量 把曲面上切向的长度角度写成正定二次型,证明换坐标规律并计算圆柱与球的度量。 把切向的长度写回参数域;形算子 理路 形算子与第二基本形式 Shape operator · Second fundamental form · Weingarten map · Gauss map of a surface · 曲面高斯映射 以S=-dn固定符号,从法向微分推出第二基本形式、度量自伴性与非正交坐标中的矩阵公式。 再比较法向如何变化。抽象的浸入 理路 光滑浸入 Smooth immersion · Immersion 微分在每一点都单射、因而局部把定义域拉直为坐标子空间的光滑映射。 和嵌入 理路 光滑嵌入 Smooth embedding 同时是浸入且把定义域同胚到其像的光滑映射。 提供一般维数版本。本页对“正则参数曲面”采用允许自交的映射约定;部分教材把单射/同胚要求直接纳入“regular surface patch”,阅读时应核对定义。
参考资料
Theodore Shifrin,Differential Geometry ,April 2021,Ch. 2 §1,pp. 35–39:参数片、切平面和单位法向;其定义含单射并在脚注说明逆连续,本页已区分这一约定。
Neil Donaldson,Math 162A 讲义 ,Winter 2024,§3.1 “Regular Parametrized Surfaces”:正则曲面、图形片与局部参数化。