第一章 向量代数复习
第二章 向量函数
第三章 曲线的概念
第四章 空间曲线
第五章 习题讲解(第一部分)
第六章 曲面的概念
第七章 曲面的第一基本形式
第八章 习题讲解(第二部分)
第九章 曲面的第二基本形式
第十章 习题讲解(第三部分)
第十一章 直纹面和可展区面
第十二章 曲面上的测地线
第十三章 习题讲解(第四部分)
学习建议

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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/1.files/image004.gif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:http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/1.files/image006.gif为定长向量函数的充要条件是

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/1.files/image008.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/1.files/image010.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/1.files/image012.gif为定向向量函数的充要条件是

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/1.files/image014.gif

单位向量函数http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image003.gif在一点t的旋转速度为http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image005.gif,即若http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image007.gif=1,则http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image008.gif=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image010.gif;或者说单位向量函数在t点的临近的变换率http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image011.gif等.这些向量函数的特征,必对空间曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image012.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image013.gif中求得.为此,将一般参数的空间曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image014.gif,转化成自然参数s的空间曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image016.gif的形式.这样不仅使曲线的弧长s成为曲线方程http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image018.gif的参数,而且求导就易得曲线上一点P的标架http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image020.gif,构成曲线上一种动态的基本三棱形.进而由单位向量http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image022.gif的变化率(旋转速度)得到曲率http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image024.gif,由单位副法向量http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image026.gif的变化率(旋转速度)得到挠率的绝对值,即http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image028.gif,在求khttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image030.gif的过程中,又相应的产生了伏雷内http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image032.gif公式:

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image034.gif

它表明三棱形的标架http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image036.gif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khttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/2.files/image037.gif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khttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image003.gif,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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image005.gif,可唯一确定一条空间曲线.

2)曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image007.gif,总是离不开http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image009.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image011.gif.而且只要“碰见问题就求导”,就会出现http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image013.gif以及更高阶的导数“有点就用伏雷内http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image015.gif公式”,这就使问题回到http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image016.gif的关系中去.因此,“碰见问题就求导”、有点就用伏雷内http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image017.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image019.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image021.gif的相应求http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image023.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image024.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/3.files/image025.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image003.gif,切向量为http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image005.gif,定向量为http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image007.gif

∵法平面的法向量为http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image008.gif,依题意为http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image010.gif

两边对s求导,得http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image012.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image014.gif

k=0时,曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image016.gif为直线.

k≠0时,http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image018.gif

两边对s求导,得http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image020.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image022.gif均在法平面上,且http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image023.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image025.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image027.gif(即http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image029.gif不能垂直)

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image031.gif,曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image033.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image035.gif公式”是指有http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image037.gif以及它的高阶导数,就用http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/4.files/image038.gif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chttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image003.gif的参数s是曲线c的弧长,而对于曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image005.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image007.gif来讲参数s只是一般参数,不是曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image008.gif的弧长,因此对http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image010.gif的求导,应是http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image012.gif,且http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image014.gif.进而再应用“碰见问题就求导、有点就用伏雷内http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image016.gif公式”这就不难解决了.

例 设在两条曲线chttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image017.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image019.gif两边对s求导

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image021.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image023.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image025.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image027.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image029.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image031.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image032.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image034.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image036.gif

综上,可见看出,“碰见问题就求导”、有点就用伏雷内http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image037.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image039.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image041.gif.“有点用公式”是对http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image043.gif以及http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image045.gif的高阶导数,均在连续地用http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/5.files/image046.gif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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/6.files/image004.gif来表示曲面.曲面上的曲线,则用复合函数

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/6.files/image006.gif

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:http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/6.files/image008.gif;曲面的外蕴性质依赖于第二基本形式:Ⅱ=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/6.files/image010.gif.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EFGLMN以及过这点的一个方向(d):http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/6.files/image012.gif.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http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/6.files/image013.gif,首先求其六个基本量EFGLM,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.

1求曲面http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image003.gif上的曲率线方程.

解:http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image004.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image006.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image008.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image010.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image012.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image014.gif

E=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image016.gif

G=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image018.gif

F=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image020.gif

L=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image022.gif

M=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image024.gif

代入曲率线方程

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image026.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image028.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image030.gif

两边积分,http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image032.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/7.files/image034.gif为所求曲率线方程.

说明:先求基本量EFGLMN,然后代入曲率线方程,解微分方程得曲率线.

2 求正螺面http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image003.gif上曲线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image005.gif的正交轨线.

解:由http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image006.gif,可以求得E=1F=0G=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image008.gif

已知曲线可为http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image010.gif代入正交条件,得:http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image012.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image014.gif为所求正交轨线的微分方程.

说明:求基本量EFG代入正交条件.

3 求正螺面http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image015.gif的主曲率、高斯曲率和平均曲率.

解:由.http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image016.gif

求得E=1F=0G=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image017.gif

L=N=0M=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image019.gif

代入主曲率关系式:

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image021.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image023.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image025.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image027.gif为主曲率;

高斯曲率:http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image029.gif

平均曲率:http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image031.gif

说明:求基本量EFGLMN代入主曲率方程,利用http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image033.gifhttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/8.files/image035.gif

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(Phttp://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image003.gif),

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.

求证:球面http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image005.gif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.http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image006.gif

求得E=1F=0G=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image008.gif

L=N=0M=http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image010.gif

L=N=0

∴曲面上的参数网为渐近网

u线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image012.gif(常数)

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image014.gif为一簇直线

另一簇v线http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image016.gif

http://www.sne.snnu.edu.cn/specls/cls/2002716/lanmu/xxjy/content/9.files/image018.gif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.

 

 

学习建议
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... [详细介绍]