形式陈述
设 为 正则曲面片,选定 单位法向 。参数域上的法向映射为 ;在嵌入像 上,Gauss 映射是 。下文的 采用几何记号,意为 ;等价且适用于每个浸入参数片的定义是 。本页固定形算子约定
与 垂直,故可通过 Euclidean 平移把 识别为 的方向空间。若用允许自交的参数曲面,此定义逐参数片成立,记 时隐含已经选定那一片。
第二基本形式是对称双线性型
在坐标基 中,写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。矩阵为 ,第二基本形式矩阵为
这里小写 是一个系数,粗体 才是度量矩阵。形算子的坐标矩阵满足
它不一定是普通转置意义下的对称矩阵;正确的不变量是 对诱导内积自伴。只有正交单位基中才直接由对称矩阵 表示它。
直觉
把一支小箭头垂直插在曲面上,沿切向走一小步,记录箭头转动量,得到 。负号是本页和旧高斯曲率理路高斯曲率Gaussian curvature二维 Riemann 流形在一点截面曲率的内蕴标量。页统一采用的约定。在球面外法向下,箭头朝外张开,因此本约定的球面主曲率为负;这并不使球面高斯曲率为负。
第二基本形式从另一角度读同一信息:两条曲面各有相同切平面时,二阶偏移在法向上的分量告诉我们它们如何离开切平面。第一基本形式量面内长度,第二基本形式量相对选定法向的弯曲。
对称性来自混合偏导相等
对 求导得 ,所以形算子确实切向。由 求导,
保证混合二阶偏导理路多元函数导数Derivative in several variables · Jacobian derivativeFréchet 导数在有限维 Euclidean 坐标中的 Jacobian、梯度与方向导数表示。相等,所以右侧关于 对称。双线性延拓便得
若 ,对参数列 ,,而对称性给 ,所以 。这推导同时解释矩阵顺序,不能把它写成 。
换坐标与换法向是两回事
保持同一个几何法向,现要求换元为 微分同胚(以便使用二阶链式法则),其 Jacobian 为 ,有
第二式中链式法则还会出现 乘二阶参数导数的项,但与法向点积为零,故消失。若反向参数后仍机械使用新的叉积来选法向,就额外反转了法向,此时 和 还须反号。
单独改选 时, 反号而 不变。因此 不变, 反号。坐标无关并不等于与法向选择无关。
例子与边界
圆柱的一个方向弯、一个方向直
取外法向 。
也可直接核:。环向被形算子乘 ,轴向被送到零。 而 。
球面的外法向对应负形算子
半径 的球面取 ,所以对任意切向 ,,
在经纬参数中 ,形算子为 。改成内法向后,两者全部反号,而高斯曲率仍为 。
非正交基中的自伴矩阵可以不对称
圆柱取 ,以新基 代替 ,换基矩阵 。于是
最后一个矩阵不对称,但 对称。若直接求 的普通特征值,会得到 ,这是错误的主曲率;形算子的特征值仍为 。
推论与应用
形算子的实特征值和特征方向给出主曲率与主方向理路法曲率、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。;自伴性让这一分类可用谱定理而无需一般非正规矩阵工具。Gauss 映射的 Jacobian 在正交切向基下为 :它记录球面上法向方向的有向面积变化,零值只说明一阶面积压缩,并不强迫曲面是平面。
法向可在每张参数片上选择,但在非可定向曲面上未必能全局连续选择。局部 和 仍可计算;跨片反号的量必须随法向一起处理。真正的内蕴曲率连接由 Gauss 方程给出,见保留抽象入口的高斯曲率理路高斯曲率Gaussian curvature二维 Riemann 流形在一点截面曲率的内蕴标量。页,不能只凭矩阵行列式公式就把内蕴性当成已证明。
给定一张曲面可以算出 ;反过来,任意正定 与对称 未必能来自曲面。相容条件理路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。提供三个独立微分检查,重建定理理路两基本形式的曲面重建定理Fundamental theorem of surface theory · Bonnet surface reconstruction · 曲面基本定理用矩形上的两次线性ODE与零残差证明二维标架可积,再核验Gram矩阵、位置闭合和刚体唯一性,区分全域浸入与单射嵌入。证明其局部充分性。若沿一条曲线只关心法向绕切向的扭转,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。读取混合量 ,并以零值认证主方向。
参考资料
- Theodore Shifrin,Differential Geometry,April 2021,Ch. 2 §2,pp. 44–49,Proposition 2.1:、自伴性、 及法向符号。
- Manfredo P. do Carmo,Differential Geometry of Curves and Surfaces,Prentice-Hall,1976,Ch. 3 §2:Gauss映射及第二基本形式。