审题;梯度;Clebsch 恒等式

Question.1.[Peng.Sec3.10]

Fλ(x,y,z)=x2aλ+y2bλ+z2cλ,a>b>c>0F_\lambda(x,y,z)=\dfrac {x^2}{a-\lambda}+\dfrac {y^2}{b-\lambda}+\dfrac {z^2}{c-\lambda},\quad a>b>c>0

(1) 当 λ(,c)\lambda \in (-\infty,c) 时,Fλ=1F_\lambda=1 给出一族椭球面

(2) 当 λ(c,b)\lambda \in(c,b) 时,Fλ=1F_\lambda=1 给出一族单叶双曲面

(3) 当 λ(b,a)\lambda \in(b,a) 时,Fλ=1F_\lambda=1 给出一族双叶双曲面

证明:对 E3\mathbb E^3 中任意一点 P=(x,y,z)(xyz0)P=(x,y,z)(xyz\neq 0),恰有分别属于这三族曲面的三个二次曲面过点 PP,且它们在点 PP 相互正交.

G(λ)=Fλ(x,y,z)1G(\lambda)=F_\lambda(x,y,z)-1,这是关于 λ\lambda 的三次方程,首先分析根的取值范围,以 (,c)(-\infty,c) 为例:

limλG(λ)=1,limλcG(λ)=+\lim_{\lambda\to -\infty}G(\lambda)=-1,\quad \lim_{\lambda\to c^-}G(\lambda)=+\infty

(,c)(-\infty,c)G(λ)G(\lambda) 连续,所以存在 λ1(,c)\lambda_1\in(-\infty,c),使得 G(λ1)=0G(\lambda_1)=0;同理分析可得

λ1<c<λ2<b<λ3<a\lambda _1<c<\lambda _2<b<\lambda_3<a

记分别对应的曲面为 S1,S2,S3S_1,S_2,S_3,则它们的法向量分别为

ni=Fλi=(2xaλi,2ybλi,2zcλi),i=1,2,3\vec n_i=\nabla F_{\lambda_i}=\left(\dfrac {2x}{a-\lambda_i},\dfrac {2y}{b-\lambda_i},\dfrac {2z}{c-\lambda_i}\right),\quad i=1,2,3

仅需要说明 ninj\vec n_i\perp \vec n_j,等价于说明轮换等式成立

x2(aλi)(aλj)+y2(bλi)(bλj)+z2(cλi)(cλj)=0\dfrac {x^2}{(a-\lambda_i)(a-\lambda_j)}+\dfrac {y^2}{(b-\lambda_i)(b-\lambda_j)}+\dfrac {z^2}{(c-\lambda_i)(c-\lambda_j)}=0

注意到

x2(aλi)(aλj)=x2λiλj(1aλj1aλi)\dfrac {x^2}{(a-\lambda_i)(a-\lambda_j)}=\dfrac {x^2}{\lambda_i-\lambda_j}\left(\dfrac 1{a-\lambda_j}-\dfrac 1{a-\lambda_i}\right)

再由

x2aλi+y2bλi+z2cλi=1\dfrac {x^2}{a-\lambda_i}+\dfrac {y^2}{b-\lambda_i}+\dfrac {z^2}{c-\lambda_i}=1

即可说明.


向量三重积

Question.2.[Peng.Sec3.12] 使 F=ru,rv=0F=\langle \boldsymbol{r}_u,\boldsymbol{r}_v\rangle=0 的参数 (u,v)(u,v) 称为曲面的正交参数系。给定一个曲面 SS 以及它的一个参数表示 r=r(u,v)\boldsymbol r=\boldsymbol{r}(u,v),证明:对曲面 SS 上任一点 P0=P(u0,v0)P_0=P(u_0,v_0),存在 P0P_0 的邻域 DD 以及 DD 的新参数 (s,t)(s,t),使得 (s,t)(s,t) 是曲面 SS 的正交参数系.

不妨 ru,rv0\langle \boldsymbol{r}_u,\boldsymbol{r}_v\rangle\neq 0,否则已经是正交参数系。考虑正交的两个向量

ru,(rurv)ru=ErvFru\boldsymbol r_u,\quad (\boldsymbol r_u\wedge \boldsymbol r_v)\wedge \boldsymbol r_u=E\boldsymbol r_{v}-F\boldsymbol{r}_u

我们构造参数 (s,t)(s,t) 使得

rs=ru,rt=ErvFru\boldsymbol r_s=\boldsymbol r_u,\quad \boldsymbol r_t=E\boldsymbol r_{v}-F\boldsymbol{r}_u

这同时给出了 (u,v)(s,t)\frac {\partial (u,v)}{\partial (s,t)},这在曲面上都是非退化的,因此可以取到邻域 DD.


Question.3.[Peng.Sec3.13] 在曲面 S:r=r(u,v)S:\boldsymbol r=\boldsymbol r(u,v) 上一点,由方程 Pdudu+2Qdudv+Rdvdv=0P\mathrm du\mathrm du+2Q\mathrm du\mathrm dv+R\mathrm dv\mathrm dv=0 确定两个切向。证明:这两个切向相互正交的充要条件是 ER2FQ+GP=0ER-2FQ+GP=0,其中 E,F,GE,F,G 是曲面的第一基本形式的系数.

由方程确定的两个切向量满足

dudv=Q±Q2PRP=α+orα\dfrac {\mathrm du}{\mathrm dv}=\dfrac {-Q\pm \sqrt{Q^2-PR}}P=\alpha^+\text{ or }\alpha^-

所以这两个切向量可表示为

v+=ruα++rv,v=ruα+rv\boldsymbol v^+=\boldsymbol r_u \alpha^+ +\boldsymbol r_v,\quad \boldsymbol v^-=\boldsymbol r_u \alpha^- +\boldsymbol r_v

那么它们相互正交,等价于

0=v+,v=Eα+α+F(α++α)+G=ER2FQ+GPP0=\langle \boldsymbol v^+,\boldsymbol v^-\rangle=E\alpha^+\alpha^-+F(\alpha^++\alpha^-)+G=\dfrac {ER-2FQ+GP}{P}


Question.4.[Peng.Sec3.14] 求曲面的第二基本形式

(1) r(u,v)=(ucosv,usinv,bv)\boldsymbol r(u,v)=(u\cos v,u\sin v,bv)

(2) r(u,v)=(a(u+v),b(uv),u2+v2)\boldsymbol r(u,v)=(a(u+v),b(u-v),u^2+v^2).

直接计算

(1) ru=(cosv,sinv,0),rv=(usinv,ucosv,b)\boldsymbol r_u=(\cos v,\sin v,0),\boldsymbol r_v=(-u\sin v,u\cos v,b),所以

n=1b2+u2(bsinv,bcosv,u)\boldsymbol n=\dfrac {1}{\sqrt {b^2+u^2}}(b\sin v,-b\cos v,u)

进而

L=ruu,n=0,M=ruv,n=bb2+u2,N=rvv,n=0L=\langle \boldsymbol r_{uu},\boldsymbol n\rangle=0,\quad M=\langle \boldsymbol r_{uv},\boldsymbol n\rangle=\dfrac {-b}{\sqrt {b^2+u^2}},\quad N=\langle \boldsymbol r_{vv},\boldsymbol n\rangle=0

所以

II=2bb2+u2dudvII=-\dfrac {2b}{\sqrt {b^2+u^2}}\mathrm du\mathrm dv

(2) ru=(a,b,2u),rv=(a,b,2v)\boldsymbol r_u=(a,b,2u),\boldsymbol r_v=(a,-b,2v),所以记 Δ=a2b2+a2(uv)2+b2(u+v)2\Delta=a^2b^2+a^2( u-v)^2+b^2(u+v)^2

n=1Δ(b(u+v),a(uv),ab)\boldsymbol n=\dfrac 1{\Delta}\left(b(u+v),a(u-v),-ab\right)

进而

L=ruu,n=2abΔ,M=ruv,n=0,N=rvv,n=2abΔL=\langle \boldsymbol r_{uu},\boldsymbol n\rangle=\dfrac {-2ab}{\Delta},\quad M=\langle \boldsymbol r_{uv},\boldsymbol n\rangle=0,\quad N=\langle \boldsymbol r_{vv},\boldsymbol n\rangle=\dfrac {-2ab}{\Delta}

所以

II=2abΔ(du2+dv2)II=\dfrac {-2ab}{\Delta}(\mathrm du^2+\mathrm dv^2)


Question.5.[Peng.Sec3.15] 求曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 的第二基本形式.

直接计算,rx=(1,0,fx),ry=(0,1,fy)\boldsymbol r_x=(1,0,f_x),\boldsymbol r_y=(0,1,f_y),所以

n=11+fx2+fy2(fx,fy,1)\boldsymbol n=\dfrac 1{\sqrt {1+f_x^2+f_y^2}}(-f_x,-f_y,1)

1+fx2+fy2=Δ\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}=\Delta,进而

L=rxx,n=fxxΔ,M=rxy,n=fxyΔ,N=ryy,n=fyyΔL=\langle \boldsymbol r_{xx},\boldsymbol n\rangle=\dfrac {f_{xx}}{\Delta},\quad M=\langle \boldsymbol r_{xy},\boldsymbol n\rangle=\dfrac {f_{xy}}{\Delta},\quad N=\langle \boldsymbol r_{yy},\boldsymbol n\rangle=\dfrac {f_{yy}}{\Delta}

所以

II=fxxΔdx2+2fxyΔdxdy+fyyΔdy2II=\dfrac {f_{xx}}{\Delta}\mathrm dx^2+\dfrac {2f_{xy}}{\Delta}\mathrm dx\mathrm dy+\dfrac {f_{yy}}{\Delta}\mathrm dy^2


Weingarten 算子

Question.6.[Peng.Sec3.19] 定义 III=dn,dnIII=\langle \mathrm d\boldsymbol n,\mathrm d\boldsymbol n\rangle 为曲面的第三基本形式,证明:KI2HII+III=0KI-2HII+III=0.

取 Weingarten 算子 W\mathcal W,则

W(dr)=dn\mathcal W(\mathrm d\boldsymbol r)= -\mathrm d\boldsymbol n

这说明

III=dn,dn=W(dr),W(dr)=W2(dr),drIII=\langle \mathrm d\boldsymbol n,\mathrm d\boldsymbol n\rangle=\langle \mathcal W(\mathrm d\boldsymbol r),\mathcal W(\mathrm d\boldsymbol r)\rangle=\langle \mathcal W^2(\mathrm d\boldsymbol r),\mathrm d\boldsymbol r\rangle

KI2HII=Kdr,dr2HW(dr),dr=(Kid2HW)(dr),drKI-2HII=K\langle \mathrm d\boldsymbol r,\mathrm d\boldsymbol r\rangle -2H\langle \mathcal W(\mathrm d\boldsymbol r),\mathrm d\boldsymbol r\rangle=\langle (K {\mathrm {id}}-2H\mathcal W)(\mathrm d\boldsymbol r),\mathrm d\boldsymbol r\rangle

而注意到 W\mathcal W 的特征值为 k1,k2k_1,k_2,且 k1+k2=2H,K=k1k2k_1+k_2=2H,K=k_1k_2,所以

(W)22HW+Kid=(Wk1id)(Wk2id)=0(\mathcal W)^2 -2H\mathcal W +K{\mathrm {id}}=(\mathcal W-k_1{\mathrm {id}})(\mathcal W-k_2{\mathrm {id}})=0

因此 KI2HII+III=0KI-2HII+III=0.


非正交标架不能直接投影

Question.7.[Peng.Sec3.20] 设曲面 S1S_1S2S_2 的交线 CC 的曲率为 κ\kappa,曲线 CC 在曲面 SiS_i 上的法曲率为 ki,i=1,2k_i,i=1,2;若沿 CCS1S_1S2S_2 的法向量夹角为 θ\theta,证明:

κ2sin2θ=k12+k222k1k2cosθ\kappa^2\sin^2\theta=k_1^2+k_2^2-2k_1k_2\cos\theta

考虑标架 {t,n1,n2}\{\boldsymbol t,\boldsymbol n_1,\boldsymbol n_2\},其中 t\boldsymbol t 是曲线 CC 的切向,ni\boldsymbol n_i 是曲面 SiS_i 的法向,因为 rsst\boldsymbol r_{ss}\perp \boldsymbol t,所以可以设 α,βR\alpha,\beta\in\mathbb R,使得

rss=αn1+βn2\boldsymbol{r}_{ss}=\alpha \boldsymbol n_1+\beta \boldsymbol n_2

考虑到 rssni=ki\boldsymbol r_{ss}\cdot \boldsymbol n_i=k_i,以及 n1n2=cosθ\boldsymbol n_1\cdot \boldsymbol n_2=\cos\theta,解得

α=k1k2cosθsin2θ,β=k2k1cosθsin2θ\alpha=\dfrac {k_1-k_2\cos\theta}{\sin^2\theta},\quad \beta=\dfrac {k_2-k_1\cos\theta}{\sin^2\theta}

所以

κ2=rss,rss=α2+β2+2αβcosθ=k12+k222k1k2cosθsin2θ\kappa^2=\langle \boldsymbol r_{ss},\boldsymbol r_{ss}\rangle=\alpha^2+\beta^2+2\alpha\beta\cos\theta=\dfrac {k_1^2+k_2^2-2k_1k_2\cos\theta}{\sin^2\theta}


Question.8.[Peng.Sec3.21] 求下列曲面的 Gauss 曲率和平均曲率:

(1) 单叶双曲面

x2a2+y2b2z2c2=1\frac {x^2}{a^2}+\frac {y^2}{b^2}-\frac {z^2}{c^2}=1

(2) 环面

(x,y,z)=(R+rcosu)cosv,(R+rcosu)sinv,rsinu)(x,y,z)=(R+r\cos u)\cos v,(R+r\cos u)\sin v,r\sin u)

直接计算

(1) 局部参数表示为

r(x,y)=(x,y,±cx2a2+y2b21)\boldsymbol r(x,y)=(x,y,\pm c\sqrt {\dfrac {x^2}{a^2}+\dfrac {y^2}{b^2}-1})

z0z\neq 0 时,计算得到

zx=c2xa2z,zy=c2yb2zz_x=\dfrac {c^2x}{a^2z},\quad z_y=\dfrac {c^2y}{b^2z}

zxx=c2a2z(1c2x2a2z2),zxy=c4xya2b2z3,zyy=c2b2z(1c2y2b2z2)z_{xx}=\dfrac {c^2}{a^2z}\left(1-\dfrac {c^2x^2}{a^2z^2}\right),\quad z_{xy}=-\dfrac {c^4xy}{a^2b^2z^3},\quad z_{yy}=\dfrac {c^2}{b^2z}\left(1-\dfrac {c^2y^2}{b^2z^2}\right)

利用 [Peng.Sec3.22] 的结果,得到

K=1a2b2c2(x2a4+y2b4+z2c4)2K=-\dfrac {1}{a^2b^2c^2(\frac {x^2}{a^4}+\frac {y^2}{b^4}+\frac {z^2}{c^4})^2}

H=x2+y2+z2a2b2+c22a2b2c2(x2a4+y2b4+z2c4)32H=\dfrac{x^2+y^2+z^2-a^2-b^2+c^2}{2a^2b^2c^2(\frac {x^2}{a^4}+\frac {y^2}{b^4}+\frac {z^2}{c^4})^{\frac 32}}

(2) 直接计算

ru=(rsinucosv,rsinusinv,rcosu)\boldsymbol r_u=(-r\sin u\cos v,-r\sin u\sin v,r\cos u)

rv=((R+rcosu)sinv,(R+rcosu)cosv,0)\boldsymbol r_v=(-(R+r\cos u)\sin v,(R+r\cos u)\cos v,0)

n=(cosucosv,cosusinv,sinu)\boldsymbol n=(-\cos u\cos v,-\cos u\sin v,-\sin u)

ruu=(rcosucosv,rcosusinv,rsinu)\boldsymbol r_{uu}=(-r\cos u\cos v,-r\cos u\sin v,-r\sin u)

ruv=(rsinusinv,rsinucosv,0)\boldsymbol r_{uv}=(r\sin u\sin v,-r\sin u\cos v,0)

rvv=((R+rcosu)cosv,(R+rcosu)sinv,0)\boldsymbol r_{vv}=(-(R+r\cos u)\cos v,-(R+r\cos u)\sin v,0)

进而

L=r,M=0,N=(R+rcosu)cosuL=r,\quad M=0,\quad N=(R+r\cos u)\cos u

E=r2,F=0,G=(R+rcosu)2E=r^2,\quad F=0,\quad G=(R+r\cos u)^2

所以

K=LNM2EGF2=cosur(R+rcosu)K=\dfrac {LN-M^2}{EG-F^2}=\dfrac {\cos u}{r(R+r\cos u)}

H=EN2FM+GL2(EGF2)=R+2rcosu2r(R+rcosu)H=\dfrac {EN-2FM+GL}{2(EG-F^2)}=\dfrac {R+2r\cos u}{2r(R+r\cos u)}


Question.9.[Peng.Sec3.22] 求曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 的 Gauss 曲率和平均曲率.

直接计算,rx=(1,0,fx),ry=(0,1,fy)\boldsymbol r_x=(1,0,f_x),\boldsymbol r_y=(0,1,f_y),所以

n=11+fx2+fy2(fx,fy,1)\boldsymbol n=\dfrac 1{\sqrt {1+f_x^2+f_y^2}}(-f_x,-f_y,1)

1+fx2+fy2=Δ\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}=\Delta,进而

rxx=(0,0,fxx),rxy=(0,0,fxy),ryy=(0,0,fyy)\boldsymbol r_{xx}=(0,0,f_{xx}),\quad \boldsymbol r_{xy}=(0,0,f_{xy}),\quad \boldsymbol r_{yy}=(0,0,f_{yy})

所以

E=1+fx2,F=fxfy,G=1+fy2E=1+f_x^2,\quad F=f_xf_y,\quad G=1+f_y^2

L=fxxΔ,M=fxyΔ,N=fyyΔL=\dfrac {f_{xx}}{\Delta},\quad M=\dfrac {f_{xy}}{\Delta},\quad N=\dfrac {f_{yy}}{\Delta}

得到

K=LNM2EGF2=fxxfyyfxy2Δ4K=\dfrac {LN-M^2}{EG-F^2}=\dfrac {f_{xx}f_{yy}-f_{xy}^2}{\Delta^4}

H=EN2FM+GL2(EGF2)=(1+fy2)fxx2fxfyfxy+(1+fx2)fyy2Δ3H=\dfrac {EN-2FM+GL}{2(EG-F^2)}=\dfrac {(1+f_y^2)f_{xx}-2f_xf_yf_{xy}+(1+f_x^2)f_{yy}}{2\Delta^3}

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