# 法曲率与 Weingarten 变换

设曲面 S:r=r(u,v)S:\vec r=\vec r(u,v) 上有曲线 C:r=r(u(s),v(s))C:\vec r=\vec r(u(s),v(s))ss 为弧长参数,则 CC 的单位切向量为

t=r˙=rududs+rvdvds\vec t=\dot {\vec r}=\vec r_u\frac {\mathrm du}{\mathrm ds}+\vec r_v\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds}

CC 的曲率向量为

dtds=ruu(duds)2+2ruvdudsdvds+rvv(dvds)2+rud2uds2+rvd2vds2\dfrac {\mathrm d\vec t}{\mathrm ds}=\vec r_{uu}(\frac {\mathrm du}{\mathrm ds})^2+2\vec r_{uv}\frac {\mathrm du}{\mathrm ds}\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds}+\vec r_{vv}(\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds})^2+\vec r_u\frac {\mathrm d^2u}{\mathrm ds^2}+\vec r_v\frac {\mathrm d^2v}{\mathrm ds^2}

Definition 设曲面 SS 上有曲线 C:r=r(u(s),v(s))C:\vec r=\vec r(u(s),v(s))ss 为弧长参数,r˙\dot {\vec r} 为曲线的单位切向量,则称

κn=dtds,n=L(duds)2+2Mdudsdvds+N(dvds)2\kappa_n=\langle \dfrac {\mathrm d\vec t}{\mathrm ds},\vec n\rangle=L(\frac {\mathrm du}{\mathrm ds})^2+2M\frac {\mathrm du}{\mathrm ds}\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds}+N(\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds})^2

为曲线 CC 在点 PP 处的法曲率

Remark 法曲率就是曲率向量在单位法向量方向上的投影。

Remark 给定曲面 SS,法曲率由 duds\dfrac {\mathrm du}{\mathrm ds}dvds\dfrac {\mathrm dv}{\mathrm ds} 决定,这是曲线量;而 ru,rv\vec r_u,\vec r_v 是曲面量,给定。所以法曲率依赖于曲线的选取,依赖于曲线的切向量。故记 κn=κn(t)\kappa_n=\kappa_n(\vec t). 特别地,如果曲面上的曲线 C,C~C,\tilde CPP 处有相同的切向量 t\vec t,则它们在 PP 处的法曲率相同。

Remark 由于曲面第一基本形式 (ds)2=E(du)2+2Fdudv+G(dv)2(\mathrm d s)^2=E(\mathrm du)^2+2F\mathrm du\mathrm dv+G(\mathrm dv)^2,所以

κn=III=L(du)2+2Mdudv+N(dv)2E(du)2+2Fdudv+G(dv)2=Lλ2+2Mλ+NEλ2+2Fλ+G,λ=dudv\kappa_n=\dfrac {II}{I}=\dfrac {L(\mathrm du)^2+2M\mathrm du\mathrm dv+N(\mathrm dv)^2}{E(\mathrm du)^2+2F\mathrm du\mathrm dv+G(\mathrm dv)^2}=\dfrac {L\lambda^2+2M\lambda +N}{E\lambda^2+2F\lambda +G},\quad \lambda =\dfrac {\mathrm du}{\mathrm dv}

所以 κn\kappa_n 只依赖于 λ\lambda,即切线的斜率。

RemarkvTP(S)\vec v\in T_P(S) 为单位切向量,{v,n(P)}\{\vec v,\vec n(P)\} 张成了一个平面,称为法截面,与曲面 SS 的交线 CC 称为法截线,法曲率 κn\kappa_n 就是法截线的曲率。

Remark 法曲率 κn(v)\kappa_n(\vec v) 反映了曲面在一点处沿 v\vec v的弯曲程度,依赖于曲线的选取,是曲面的外蕴几何量。


Proposition 法曲率只依赖切方向。

证明:将法曲率推广到非单位切向量上。

(1) 设 t=rududs+rvdvds\vec t=\vec r_u\dfrac {\mathrm du}{\mathrm ds}+\vec r_v\dfrac {\mathrm dv}{\mathrm ds} 是单位切向量,则沿 t\vec t的方向的法曲率为

κn(t)=L(duds)2+2Mdudsdvds+N(dvds)2\kappa_n(\vec t)=L(\frac {\mathrm du}{\mathrm ds})^2+2M\frac {\mathrm du}{\mathrm ds}\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds}+N(\frac {\mathrm dv}{\mathrm ds})^2

(2) 一般地,设 w=ξru+ηrvTP(S)\vec w=\xi \vec r_u+\eta \vec r_v\in T_P(S) 为非零切向量,令 v=ww\vec v=\dfrac {\vec w}{|\vec w|} 为单位切向量,则 v\vec v的法曲率为

κn(v)=L(ξw)2+2Mξwηw+N(ηw)2=Lξ2+2Mξη+Nη2Eξ2+2Fξη+Gη2:=κn(w)\kappa_n(\vec v)=L(\dfrac \xi {|\vec w|})^2+2M\dfrac \xi {|\vec w|}\dfrac \eta {|\vec w|}+N(\dfrac \eta {|\vec w|})^2=\dfrac {L\xi^2+2M\xi\eta +N\eta^2}{E\xi^2+2F\xi\eta +G\eta^2}:=\kappa_n(\vec w)

这只依赖于 ξη\dfrac \xi \eta,即切方向。

Proposition 法曲率在同向(反向)参数变换下不变(变号)。

证明:因为 κn=III\kappa_n=\dfrac {II}{I},而 I,III,II 在同向参数变换下都不变,在反向参数变换下 IIII 变号。

Proposition 法曲率在曲面刚体运动(反向刚体运动)下不变(变号)。

证明:因为 κn=III\kappa_n=\dfrac {II}{I},而 I,III,II 在刚体运动下都不变,在反向刚体运动下 IIII 变号。


Example 平面的法曲率为 κn=0\kappa_n=0.

Example 球面 (Rcosφcosθ,Rcosφsinθ,Rsinφ)(R\cos\varphi\cos\theta,R\cos\varphi\sin\theta,R\sin\varphi) 的法曲率为 κn=1R\kappa_n=\frac 1R.

Example 圆柱面 (acosua,asinua,v)(a\cos \frac ua,a\sin \frac ua,v) 的法曲率为 κn=(du)2a((du)2+(dv)2)\kappa_n=-\frac {(\mathrm du)^2}{a((\mathrm du)^2+(\mathrm dv)^2)}.


Example 二次曲面 z=12(ax2+by2)z=\frac 12(ax^2+by^2) 的法曲率为

κn=11+a2x2+b2y2a(dx)2+b(dy)2(1+a2x2)(dx)2+2abxydxdy+(1+b2y2)(dy)2\kappa_n=\dfrac 1{\sqrt {1+a^2x^2+b^2y^2}}\dfrac {a(\mathrm dx)^2+b(\mathrm dy)^2}{(1+a^2x^2)(\mathrm dx)^2+2abxy\mathrm dx\mathrm dy+(1+b^2y^2)(\mathrm dy)^2}

特别地,取曲面上 P0P_0 点的某一单位切向量 v=λrx+μry\vec v=\lambda \vec r_x+\mu \vec r_y,则

κn(P0,v)=aλ2+bμ21+a2x02+b2y02\kappa_n(P_0,\vec v)=\dfrac {a\lambda^2+b\mu^2}{\sqrt {1+a^2x_0^2+b^2y_0^2}}

(1) 当 ab>0ab>0 时,曲面为椭圆抛物面κn(v)\kappa_n(\vec v) 同时为正或同时为负;
(2) 当 ab<0ab<0 时,曲面为双曲抛物面κn(v)=0\kappa_n(\vec v)=0 有两个线性无关的解;
(3) 当 ab=0ab=0 时,曲面为抛物柱面κn(v)=0\kappa_n(\vec v)=0 有唯一解。
二次曲面 z=12(ax2+by2)z=\frac 12(ax^2+by^2) 的法曲率符号的变化与曲面的形状密切相关。


Definition 曲面 SS 沿 v=λru+μrv\vec v=\lambda \vec r_u+\mu \vec r_v 的法曲率为

κn=Lλ2+2Mλμ+Nμ2Eλ2+2Fλμ+Gμ2\kappa_n=\dfrac {L\lambda^2+2M\lambda \mu +N\mu^2}{E\lambda^2+2F\lambda \mu +G\mu^2}

如果 κn(v)=0\kappa_n(\vec v)=0,则称 v\vec vSS 在该点的渐近方向;如果 SS 上一条曲线 CC 的每一点的切方向都是渐近方向,则称 CCSS渐近曲线。设 PP 为曲面 SS 上一点
(1) 如果 LNM2>0LN-M^2>0,则 PP 点叫曲面的椭圆点
(2) 如果 LNM2<0LN-M^2<0,则 PP 点叫曲面的双曲点
(3) 如果 LNM2=0LN-M^2=0,则 PP 点叫曲面的抛物点

Definition 1. 映射

dn:TP(S)TP(S),wdn(w)d\vec n:T_P(S)\to T_P(S),\quad \vec w\mapsto d\vec n(\vec w)

为曲面的 Weingarten 变换.