测地曲率

更新时间:2022-08-31 23:51

测地曲率(geodesic curvature)是用于刻画曲面上曲线的内蕴弯曲程度的几何量。曲线C的曲率的平方等于测地曲率的平方与法曲率的平方之和,有著名的计算测地曲率的Liouville公式。

定义

设 为 正则曲面M上的曲线,

并称 为曲线C在P点处的测地曲率。所以

此外,还有

它表明 是 或 在 上的投影

相关性质定理

定理1

中曲线C在P点的测地曲率向量 就是C在平面 上的投影曲线C*在P点的曲率向量。

证明:将曲线C按法向n垂直投影到切平面 ,得到切平面上的一条曲面C*,这时投影直线就组成了一个柱面 ,曲线C与C*都是柱面 上过P点的曲线,它们的切向量都是T(因为C与C*都在柱面上,故它们的切向量都垂直于柱面的法向;另一方面,C在曲面M上,故它的切向量垂直M的法向量n;而由C*在切平面 上,故C*的切向量也垂直M在P点的法向量n,由此推得C与C*在P点的切向量相同,都为T),因为TXn为柱面的法向量以及 中向量 ,又因 ,故 , 平行于柱面 在P点的法向,于是, 可视作曲线C在P点关于柱面的法曲率向量,所以对柱面运用Meusnier定理后知, 也为曲线C*关于柱面 的法曲率向量,但C*又可视作柱面上过P点的相应于方向T的法截线,易知, 就是C*在P点的曲率向量(图1)。

定理2

(曲线C的曲率 的平方等于测地曲率 的平方与法曲率 的平方之和)。

定理3

(Liouville)设M为 中2维 正则曲面, 为其参数表示,并选 为正交的参数曲线网。令

它为 中的规范正交基,C为过P∈M的C2曲线,s为其弧长,单位切向量

则C的测地曲率为

这就是计算测地曲率 的Liouville公式。它只涉及E,F,G,所以 只与曲面M的第1基本形式有关,它是曲面的内蕴几何量。

此外,还有

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