在微分几何中,一个曲面 S 的平均
曲率(
平均数 curvature)H,是一个“外在的”弯曲测量标准,局部地描述了一个曲面嵌入周围空间(比如二维曲面嵌入三维欧几里得空间)的曲率。
概述
这个概念由
索菲·热尔曼在她的著作《弹性理论》中最先引入。
定义
令p是曲面S上一点考虑S上过p的所有曲线Ci。每条这样的Ci在p点有一个伴随的曲率Ki在这些曲率Ki中,至少有一个极大值 与极小值这两个曲率称为S的主曲率。
的平均
曲率是两个主曲率的平均值(斯皮瓦克 1999, 第3卷,第2章),由欧拉公式其实也是所有曲率的平均值,故有此名。
利用第一基本形式与第二基本形式的系数,平均曲率表示为:
这里 E,F,G 是第一基本形式的系数,L,M,N 为第二基本形式的系数。
平均曲率可推广为更一般情形 (斯皮瓦克 1999, 第4卷,第7章),一个超曲面 T 的平均曲率为:
更抽象地说,平均曲率是第二基本形式(或等价地,形算子)的迹。
这里利用了高斯-Weingarten 关系, 是一族光滑嵌入超曲面,为单位法向量,而gij 是度量张量。
一个曲面是极小曲面当且仅当平均曲率为零。此外,平面 S 平均曲率满足一个热型
方程称为平均曲率流方程。
维空间中曲面
对 3 维空间中的曲面,平均曲率与曲面的单位法向量相关:
这里法向量的选取影响
曲率的正负号。曲率的符号取决于法向量的方向:如果曲面“远离”法向量则曲率是正的。上面的公式对 3 维空间中任何方式定义的曲面都成立,只要能够计算单位法向量的散度。
对曲面是两个坐标的函数定义的曲面,比如,使用向下的法向量平均曲率(的两倍)表示为
如果曲面还是轴对称的,满足,则
流体力学
这出现于杨-
拉普拉斯方程中,平衡球状小滴内部的压力等于
表面张力乘以 Hf;两个
曲率等于小滴半径的
倒数。
极小曲面
Costa 极小曲面示意图
一个极小曲面是所有点的平均曲率为零的曲面。经典例子有悬链面、
螺旋面、Scherk 曲面与 Enneper 曲面。新近发现的包括 Costa 极小曲面(Costa's mimimal
surface,1982年)与 Gyroid(Gyroid,1970年)。
极小曲面的一个推广是考虑平均曲率为非零
常数的曲面,球面和圆柱面就是这样的例子。Heinz Hopf 的一个问题为是否存在
曲率为非零常数的非球面闭曲面。球面是惟一具有常平均曲率且没有边界或奇点的曲面;如果允许自交,则存在平均曲率为非零常数的闭曲面,Wente 在1986年曾构造出这样的自交环面(
陈维桓 2006, 4.6节)。
参见
高斯曲率
平均曲率流
逆平均曲率流
面积公式第一变分
注释
Dubreil-Jacotin on Sophie Germain
Curvature in the Calculus Curriculum
关于角度的平均值。
参考文献
佳亚特里·斯皮瓦克, 迈克尔 (1999), A comprehensive introduction to differential geometry (Volumes 3-4) (3rd ed.), Publish or Perish Press, ISBN 0-914098-72-1 (Volume 3), ISBN 0-914098-73-X (Volume 4).
陈维桓 (2006), 微分几何,
北京大学出版社有限公司, ISBN 7-307-10709-9
参考资料
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