对于在微分几何中常见的数种曲面进行介绍与计算
以下 S=f({0}),σ:D→S
曲率计算仅考虑 σ(D)
计算包含项目
- 曲面方程与参数表示
- 正向法向量场
- 第一基本形式
- 第二基本形式
- 曲率
# 球面 Sphere
# 曲面方程与参数表示
![球面]()
r>0,D=(0,π)×(0,2π)
f(x,y,z)=x2+y2+z2−r2,σ(u,v)=⎝⎛rsinucosvrsinusinvrcosu⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛rcosucosvrcosusinv−rsinu⎠⎞×⎝⎛−rsinusinvrsinucosv0⎠⎞=⎝⎛r2sin2ucosvr2sin2usinvr2sinucosu⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=⎝⎛sinucosvsinusinvcosu⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=r2
F=σu⋅σv=0,
G=σv⋅σv=r2sin2u
# 第二基本量
σuu=⎝⎛−rsinucosv−rsinusinv−rcosu⎠⎞,σuv=⎝⎛−rcosusinvrcosucosv0⎠⎞,σvv=⎝⎛−rsinucosv−rsinusinv0⎠⎞
L=σuu⋅n=−r
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=−rsin2u
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=r21
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=−r1
κ1=−r1,κ2=−r1
# 螺旋面 Helicoid
# 曲面方程与参数表示
![螺旋面]()
k>0, D=R2
f(x,y,z)=xsinkz−ycoskz,σ(u,v)=⎝⎛ucosvusinvkv⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛cosvsinv0⎠⎞×⎝⎛00k⎠⎞=⎝⎛ksinv−kcosv0⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=u2+k21⎝⎛sinv−cosvku⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=1
F=σu⋅σv=0,
G=σv⋅σv=u2+k2
# 第二基本量
σuu=0,σuv=⎝⎛−sinvcosv0⎠⎞,σvv=⎝⎛−ucosv−usinv0⎠⎞
L=σuu⋅n=0
M=σuv⋅n=−u2+k2k
N=σvv⋅n=0
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=−(u2+k2)2k2
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=0
κ1=u2+k2k,κ2=−u2+k2k
# 环面 Torus
# 曲面方程与参数表示
![环面]()
R>r>0,D=(0,2π)2
f(x,y,z)=(x2+y2−R)2+z2−r2,σ(u,v)=⎝⎛(R+rcosu)cosv(R+rcosu)sinvrsinu⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛−rsinucosv−rsinusinvrcosu⎠⎞×⎝⎛−(R+rcosu)sinv(R+rcosu)cosv0⎠⎞=⎝⎛−rcosu(R+rcosu)cosv−rcosu(R+rcosu)sinv−rsinu(R+rcosu)⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=⎝⎛−cosucosv−cosusinv−sinu⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=r2
F=σu⋅σv=0,
G=σv⋅σv=(R+rcosu)2
# 第二基本量
σuu=⎝⎛−rcosucosv−rcosusinv−rsinu⎠⎞,σuv=⎝⎛rsinusinv−rsinucosv0⎠⎞,σvv=⎝⎛−(R+rcosu)cosv−(R+rcosu)sinv0⎠⎞
L=σuu⋅n=r
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=(R+rcosu)cosu
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=r(R+rcosu)cosu
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2r(R+rcosu)(R+2rcosu)
κ1=r1,κ2=R+rcosucosu
# 椭球 Ellipsoid
# 曲面方程与参数表示
![椭球]()
a,b,c>0,D=(0,π)×(0,2π)
f(x,y,z)=a2x2+b2y2+c2z2−1,σ(u,v)=⎝⎛asinucosvbsinusinvccosu⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛acosucosvbcosusinv−csinu⎠⎞×⎝⎛−asinusinvbsinucosv0⎠⎞=⎝⎛bcsin2ucosvacsin2usinvabsinucosu⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=c2sin2u+abcos2u1⎝⎛bcsinucosvacsinusinvabcosu⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=a2cos2ucos2v+b2cos2usin2v+c2sin2u
F=σu⋅σv=0,
G=σv⋅σv=a2sin2usin2v+b2sin2ucos2v
# 第二基本量
σuu=⎝⎛−asinucosv−bsinusinv−ccosu⎠⎞,σuv=⎝⎛−acosusinvbcosucosv0⎠⎞,σvv=⎝⎛−asinucosv−bsinusinv0⎠⎞
L=σuu⋅n=c2sin2u+abcos2uabcsinu
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=c2sin2u+abcos2uabsinu
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=(c2sin2u+abcos2u)2abc
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2(c2sin2u+abcos2u)3/2(a2sin2usin2v+b2sin2ucos2v+c2cos2u)abc(a2+b2+c2−2(a2−c2)sin2u−2(b2−c2)sin2ucos2v)
κ1=(c2sin2u+abcos2u)3/2abc,κ2=c2sin2u+abcos2u(a2sin2usin2v+b2sin2ucos2v+c2cos2u)abc
# 单叶双曲面 Hyperbolioid
# 曲面方程与参数表示
![单叶双曲面]()
a,b,c>0,D=R×(0,2π)
f(x,y,z)=a2x2+b2y2−c2z2−1,σ(u,v)=⎝⎛acoshucosvbcoshusinvcsinhu⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛asinhucosvbsinhusinvccoshu⎠⎞×⎝⎛−acoshusinvbcoshucosv0⎠⎞=⎝⎛−bccoshusinhucosv−accoshusinhusinvabcosh2u⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=c2sinh2u+abcosh2u1⎝⎛−bcsinhucosv−acsinhusinvabcoshu⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=a2sinh2ucos2v+b2sinh2usin2v−c2cosh2u
F=σu⋅σv=0,
G=σv⋅σv=a2cosh2usin2v+b2cosh2ucos2v
# 第二基本量
σuu=⎝⎛acoshucosvbcoshusinvcsinhu⎠⎞,σuv=⎝⎛−asinhusinvbsinhucosv0⎠⎞,σvv=⎝⎛−acoshucosv−bcoshusinv0⎠⎞
L=σuu⋅n=c2sinh2u+abcosh2u−abccoshu
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=c2sinh2u+abcosh2u−abcoshu
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=(c2sinh2u+abcosh2u)2−abc
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2(c2sinh2u+abcosh2u)3/2(a2cosh2usin2v+b2cosh2ucos2v−c2sinh2u)−abc(a2+b2−c2+2(c2−a2)sinh2u+2(c2−b2)sinh2ucos2v)
κ1=(c2sinh2u+abcosh2u)3/2−abc,κ2=c2sinh2u+abcosh2u(a2cosh2usin2v+b2cosh2ucos2v−c2sinh2u)−abc
# 双叶双曲面 Hyperboloid of two sheets
# 曲面方程与参数表示
![双叶双曲面]()
a,b,c>0,D=R×(0,2π)
f(x,y,z)=a2x2+b2y2−c2z2+1,σ+(u,v)=⎝⎜⎜⎛aubvca2x2+b2y2+1⎠⎟⎟⎞,σ−(u,v)=⎝⎜⎜⎛aubv−ca2x2+b2y2+1⎠⎟⎟⎞
# 正向法向量场
σ+u×σ+v=⎝⎛a0u2+v2+1cu⎠⎞×⎝⎛0bu2+v2+1cv⎠⎞=⎝⎜⎜⎛−u2+v2+1bcv−u2+v2+1acuab⎠⎟⎟⎞
n(σ+(u,v))=∥σ+u×σ+v∥σ+u×σ+v=c2(u2+v2)+ab1⎝⎛−bcv−acuab⎠⎞
σ−u×σ−v=⎝⎛a0−u2+v2+1cu⎠⎞×⎝⎛0b−u2+v2+1cv⎠⎞=⎝⎜⎜⎛u2+v2+1bcvu2+v2+1acuab⎠⎟⎟⎞
n(σ−(u,v))=∥σ−u×σ−v∥σ−u×σ−v=c2(u2+v2)+ab1⎝⎛bcvacuab⎠⎞
# 第一基本量
E=σ±u⋅σ±u=a2+u2+v2+1c2u2
F=σ±u⋅σ±v=u2+v2+1c2uv,
G=σ±v⋅σ±v=b2+u2+v2+1c2v2
# 第二基本量
σ±uu=⎝⎛00±(u2+v2+1)3/2c⎠⎞,σ±uv=⎝⎛00±(u2+v2+1)3/2−cuv⎠⎞,σ±vv=⎝⎛00±(u2+v2+1)3/2c⎠⎞
L=σ±uu⋅n=(c2(u2+v2)+ab)u2+v2+1−abc
M=σ±uv⋅n=(c2(u2+v2)+ab)u2+v2+1abcuv
N=σ±vv⋅n=(c2(u2+v2)+ab)u2+v2+1−abc
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=(c2(u2+v2)+ab)2(u2+v2+1)2abc
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2(c2(u2+v2)+ab)3/2(u2+v2+1)3/2(a2+u2+v2+1c2u2+b2+u2+v2+1c2v2)−abc(a2+b2−c2+2(c2+a2)u2+2(c2+b2)v2)
κ1=(c2(u2+v2)+ab)3/2(u2+v2+1)3/2−abc,κ2=c2(u2+v2)+ab(u2+v2+1)1/2(a2+u2+v2+1c2u2+b2+u2+v2+1c2v2)−abc
# 椭圆抛物面 Elliptic Paraboloid
# 曲面方程与参数表示
![椭圆抛物面]()
a,b>0,D=R2
f(x,y,z)=a2x2+b2y2−z=0,σ(u,v)=⎝⎛uva2u2+b2v2⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛10a22u⎠⎞×⎝⎛01b22v⎠⎞=⎝⎛−a22u−b22v1⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=1+a44u2+b44v21⎝⎛−a22u−b22v1⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=1+a44u2
F=σu⋅σv=a2b24uv,
G=σv⋅σv=1+b44v2
# 第二基本量
σuu=⎝⎛00a22⎠⎞,σuv=⎝⎛000⎠⎞,σvv=⎝⎛00b22⎠⎞
L=σuu⋅n=1+a44u2+b44v22/a2
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=1+a44u2+b44v22/b2
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=a2b2(1+a44u2+b44v2)24
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=a2b2(1+a44u2+b44v2)3/2(a2+b2+4v2)a2+(a2+b2+4u2)b2
κ1=(1+a44u2+b44v2)3/22/a2,κ2=(1+a44u2+b44v2)3/22/b2
# 双曲抛物面 Hyperbolic Paraboloid
# 曲面方程与参数表示
![双曲抛物面]()
a,b>0,D=R2
f(x,y,z)=a2x2−b2y2−z=0,σ(u,v)=⎝⎛uva2u2−b2v2⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛10a22u⎠⎞×⎝⎛01−b22v⎠⎞=⎝⎛a22u−b22v1⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=1+a44u2+b44v21⎝⎛a22u−b22v1⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=1+a44u2
F=σu⋅σv=−a2b24uv,
G=σv⋅σv=1+b44v2
# 第二基本量
σuu=⎝⎛00a22⎠⎞,σuv=⎝⎛000⎠⎞,σvv=⎝⎛00−b22⎠⎞
L=σuu⋅n=1+a44u2+b44v22/a2
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=1+a44u2+b44v2−2/b2
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=a2b2(1+a44u2+b44v2)2−4
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=a2b2(1+a44u2+b44v2)3/2(a2−b2−4v2)a2+(b2−a2+4u2)b2
κ1=(1+a44u2+b44v2)3/22/a2,κ2=(1+a44u2+b44v2)3/2−2/b2
# 柱面 Cylinder
# 曲面方程与参数表示
![柱面]()
r>0,D=R×(0,2π)
f(x,y,z)=x2+y2−r2=0,σ(u,v)=⎝⎛rcosvrsinvu⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛−rsinvrcosv0⎠⎞×⎝⎛001⎠⎞=⎝⎛rcosvrsinv0⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=r2cos2v+r2sin2v1⎝⎛rcosvrsinv0⎠⎞=⎝⎛cosvsinv0⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=1
F=σu⋅σv=0
G=σv⋅σv=r2
# 第二基本量
σuu=0,σuv=⎝⎛000⎠⎞,σvv=⎝⎛002⎠⎞
L=σuu⋅n=0
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=r2cos2v+r2sin2v2=r2
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=0
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2r1
κ1=0,κ2=r1
# 三次柱面 Cubic Cylinder
# 曲面方程与参数表示
![三次柱面]()
D=R2
f(x,y,z)=y2−x3=0,σ(u,v)=⎝⎛uvv2−u3⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛10−3u2⎠⎞×⎝⎛012v⎠⎞=⎝⎛3u2−2v1⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=9u4+4v2+11⎝⎛3u2−2v1⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=1+9u4
F=σu⋅σv=−6u2v,
G=σv⋅σv=1+4v2
# 第二基本量
σuu=⎝⎛00−6u⎠⎞,σuv=⎝⎛000⎠⎞,σvv=⎝⎛002⎠⎞
L=σuu⋅n=9u4+4v2+1−6u
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=9u4+4v2+12
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=(9u4+4v2+1)2−12u
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2(9u4+4v2+1)3/2(−6u)(1+4v2)+(1+9u4)(2)
κ1=(9u4+4v2+1)3/23u2−29u4+4v2+1,κ2=(9u4+4v2+1)3/23u2+29u4+4v2+1
# 对数形曲面
# 曲面方程与参数表示
![对数形曲面]()
D = \
f(x,y,z)=ezcosx−cosy=0,σ(u,v)=⎝⎛uvlncosucosv⎠⎞
# 正向法向量场
σu×σv=⎝⎛10tanu⎠⎞×⎝⎛01−tanv⎠⎞=⎝⎛−tanv−tanu1⎠⎞
n(σ(u,v))=∥σu×σv∥σu×σv=tan2u+tan2v+11⎝⎛−tanv−tanu1⎠⎞
# 第一基本量
E=σu⋅σu=1+tan2u
F=σu⋅σv=tanutanv,
G=σv⋅σv=1+tan2v
# 第二基本量
σuu=⎝⎛00sec2u⎠⎞,σuv=⎝⎛000⎠⎞,σvv=⎝⎛00−sec2v⎠⎞
L=σuu⋅n=tan2u+tan2v+1sec2u
M=σuv⋅n=0
N=σvv⋅n=tan2u+tan2v+1−sec2v
# 曲率
K=EG−F2LN−M2=(1+tan2u+tan2v)2−1
H=2(EG−F2)EN−2FM+GL=2(1+tan2u+tan2v)3/2(1+tan2v)sec2u−(1+tan2u)sec2v
κ1=(1+tan2u+tan2v)3/2sec2u−1+tan2u+tan2v,κ2=(1+tan2u+tan2v)3/2sec2u+1+tan2u+tan2v