借助向量微积分及空间坐标架,去解决各种空间曲线和曲面的有关几何问题,这就是微分几何.学习微分几何时,时常感到题难做,特别是题难证明.其实,任何学科,都有其自身规律,微分几何也不例外.下面就分别对微分几何的学习提些建议.
一、曲线论
一般来说,解题规律,应依赖于相应知识的内在规律.用向量函数来表示空间曲线.首先,它应具有向量函数的特性,遵循向量函数的运算性质.
例如:为定长向量函数的充要条件是
为定向向量函数的充要条件是
单位向量函数在一点t的旋转速度为,即若=1,则=;或者说单位向量函数在t点的临近的变换率等.这些向量函数的特征,必对空间曲线的研究形成根本性的制约.再考虑到在一定标架下来研究曲线的几何性质,标架应是单位向量且易于从中求得.为此,将一般参数的空间曲线,转化成自然参数s的空间曲线的形式.这样不仅使曲线的弧长s成为曲线方程的参数,而且求导就易得曲线上一点P的标架,构成曲线上一种动态的基本三棱形.进而由单位向量的变化率(旋转速度)得到曲率,由单位副法向量的变化率(旋转速度)得到挠率的绝对值,即,在求k及的过程中,又相应的产生了伏雷内公式:
它表明三棱形的标架的各阶导数(注意不只是一阶),均是标架的线性组合,且其中的系数,只能是k及的函数.这种带本质性的归结,正是曲线论的核心规律,并且由曲线论的基本定理,对这种本质规律作了肯定.
对曲线论中的题的解法归纳如下:
(1)空间曲线有唯一确定的k和,用这两个几何量,可以去衡量曲线在一点邻近的弯曲程度和扭曲程度.反之,由一对,可唯一确定一条空间曲线.
(2)曲线,总是离不开,.而且只要“碰见问题就求导”,就会出现以及更高阶的导数“有点就用伏雷内公式”,这就使问题回到的关系中去.因此,“碰见问题就求导”、有点就用伏雷内公式”,应是曲线论普遍的解题规律.
曲线论中的题型,主要有三种类型:
(1)求曲线的基本三棱形、弧长、曲率、挠率等.这类题,主要是记住和的相应求,的公式,直接利用公式就可求得.这类常规题,应是研究空间曲线及有关问题的出发点.
(2)证曲线是直线、平面曲线、或证空间曲线有某种性质.这种类型题,首先要掌握好,曲线是直线、平面曲线等充要条件.在应用这些充要条件的过程中,要应用“碰见问题就求导、有点就用伏雷内公式”的规律.
例 证明如果一条曲线的所有法平面包含常向量e,那么这曲线是直线或平面曲线.
证明:设曲线为,切向量为,定向量为.
∵法平面的法向量为,依题意为
两边对s求导,得
当k=0时,曲线为直线.
当k≠0时,,
∵均在法平面上,且,
∴(即不能垂直)
∴,曲线为平面曲线.
从上面例题可以看出“碰见问题就求导”是指题中所给的数学问题,一般是题设条件或碰见的数学问题.并要将这些“问题”要“数量”化,即要将问题转换成数学关系式,才能去求导.“有点就用伏雷内公式”是指有以及它的高阶导数,就用公式.再要结合具体问题中的有关条件去推证结论.
(3)两曲线上点与点有一一对应关系,证明这样的两条曲线具有某些性质.这种题型一般说较难,但只要牢记:曲线c:的参数s是曲线c的弧长,而对于曲线:来讲参数s只是一般参数,不是曲线的弧长,因此对的求导,应是,且.进而再应用“碰见问题就求导、有点就用伏雷内公式”这就不难解决了.
例 设在两条曲线c和的点之间,建立了一一对应关系,且对应点的切线平行.
求证:对应点的主法线及副法线也分别平行.
证明:曲两边对s求导
∥
由且∥,∥
∥.
综上,可见看出,“碰见问题就求导”、有点就用伏雷内公式”是曲线论解题的总的规律.在应用这个规律时,“碰见问题”应是数学问题且应将此问题转化成相应的关系式,才好“就求导”.对关系式的求导,可能会求,.“有点用公式”是对以及的高阶导数,均在连续地用公式.再结合各种充要条件、特殊曲线性质,曲线论的题就不难解决了.
二、曲面论
在曲面论中,用二元向量函数来表示曲面.曲面上的曲线,则用复合函数
来表示.从研究曲面上在一点邻近的几何性质出发,我们逐渐发现,曲线的内蕴性质依赖于第一基本形式:;曲面的外蕴性质依赖于第二基本形式:Ⅱ=.即曲面上一点邻近的几何性质,完全依赖于这点的六个基本量E,F,G,L,M,N以及过这点的一个方向(d):.点动它们变,它们确定曲面上一点的几何性质.进而点动形成曲面上的各种曲线,线动形成不同的曲面.这必导致曲面论中,求各种点、曲线、曲面的方程,以及求曲面上一点临近各种几何性质的题型.这种题型的解题规律是:有曲面方程,首先求其六个基本量E,F,G,L,M,再代入相应的点、曲线、曲面方程以及各种几何量的关系式中.
例1求曲面上的曲率线方程.
解:
E=
G=
F=
L=
M=
代入曲率线方程
得
两边积分,
为所求曲率线方程.
说明:先求基本量E、F、G、L、M、N,然后代入曲率线方程,解微分方程得曲率线.
例2 求正螺面上曲线的正交轨线.
解:由,可以求得E=1,F=0,G=.
已知曲线可为代入正交条件,得:
为所求正交轨线的微分方程.
说明:求基本量E、F、G代入正交条件.
例3 求正螺面的主曲率、高斯曲率和平均曲率.
解:由.
求得E=1,F=0,G=
L=N=0,M=
代入主曲率关系式:
为主曲率;
高斯曲率:
平均曲率:
说明:求基本量E、F、G、L、M、N代入主曲率方程,利用,
综上,这类题型解题规律比较简单,关键在于掌握曲面上各点、线、面的方程特征,求各种轨线,各种计算几何量的公式及各种几何量间的关系式.
在研究曲面论中,还发现,作为数形转化的“桥”和“船”.它的标架是三棱形(P;),
且都建立在不同曲线构成的坐标网上.这必导致研究曲面上个种不同曲线及其相互间的关系,各种坐标网机器在该网下曲线呈现的几何性质.故作为这部分知识的题型将是:确定曲面上各种不同的坐标网,及各种不同曲线的性质,求曲面上某些几何性质或某种几何量之间关系.
例求证:球面上的参数网为渐近网,且一簇渐近曲线为直线,另一簇是螺旋线.
证明:由.
∵L=N=0
∴曲面上的参数网为渐近网
又u线(常数)
∴为一簇直线
另一簇v线
为一簇螺旋线.
综上,解这种类型题的规律是:由曲面的向量方程首先求出六个基本量,再用各种坐标网成立的必要条件,或利用各种曲线的性质,特别是充要条件,并且对曲面上的曲线,还是要用“碰见问题就求导,有点就得用公式”的规律.
在研究曲面中,还会发现曲面上有诸多的曲率,求这些曲率及它们之间的各种关系是研究曲面的重要课题,是曲面上几何性质的重要表征.这必导致以各种曲率及其相互关系表征曲面几何性质的一类题型.解这类题型的规律是:由曲面的向量方程求其基本量,再利用它们之间的各种关系公式去解决有关的问题.