- •Е.Г. Романова Дифференциальная геометрия
- •Содержание
- •1. Векторная функция скалярного аргумента
- •1.1. Определение вектор-функции. Предел. Непрерывность
- •1.2. Дифференцирование вектор-функции
- •1.3. Интеграл от векторной функции по скалярному аргументу
- •2. Сведения из теории кривых
- •2.1. Элементарная кривая
- •2.2. Касательная прямая к кривой
- •2.3. Соприкасающаяся плоскость кривой
- •2.4. Длина дуги как параметр
- •2.5. Кривизна кривой
- •2.6. Кручение кривой
- •2.7. Формулы Френе
- •3. Теория поверхностей в дифференциальной геометрии
- •3.1. Элементарная поверхность
- •3.2. Регулярная поверхность
- •3.3. Кривые на поверхности
- •3.4. Касательная плоскость и нормаль к поверхности
- •3.5. Измерение на поверхности длин, углов, площадей. Первая квадратичная форма поверхности
- •3.6. Площадь поверхности
- •3.7. Вторая квадратичная форма поверхности
- •3.8. Кривизна кривой, лежащей на поверхности
- •3.9. Главные направления и кривизны поверхности
- •3.10. Внутренняя геометрия поверхности
- •Литература:
3. Теория поверхностей в дифференциальной геометрии
3.1. Элементарная поверхность
Определение 3.1. Область на плоскости называется элементарной областью, если она является образом открытого круга при гомеоморфизме, т.е. при взаимно однозначном и непрерывном отображении.
Таким образом, внутренность квадрата, прямоугольника, эллипса – всё это элементарные области.
Пусть Ф – элементарная поверхность и G – элементарная область на плоскости, являющаяся образом Ф при гомеоморфизме.
Определение 3.2. Поверхностью F в пространстве называется множество точек пространства, которое можно покрыть конечным или счётным множеством элементарных поверхностей.
Из этого
определения следует, что для любой точки
M
поверхности F
существует элементарная поверхность
Ф,
такая, что
,
т.е. у каждой точки поверхности существует
окрестность, являющаяся элементарной.
Введем понятие координат на поверхности.
Пусть
на некоторой поверхности F
задано однопараметрическое семейство
линий, т.е. каждая линия этого семейства
характеризуется определенным значением
некоторого параметра. Назовем это
семейство правильным,
если
через каждую точку поверхности проходит
одна и только одна линия из данного
семейства. Если на поверхности даны два
правильных семейства, такие, что
каждая из линий первого семейства
пересекается без касания с каждой линией
второго семейства не более чем в одной
точке, то говорят, что на поверхности
задана координатная
сеть.
Пусть
линии первого из семейств, образующих
координатную сеть, определяются
значениями некоторого параметра и.
А
Рисунок
6
Если на поверхности введены каким-либо образом координаты u, v, то говорят, что эта поверхность параметризована параметрами u и v. Каждая точка такой поверхности может быть задана значениями параметров u и v. Но эта же точка может быть задана и своими декартовыми координатами. Следовательно, декартовы координаты точек параметризованной поверхности представляют собой функции координат на поверхности.
Пусть u,
v
– декартовы координаты произвольной
точки, принадлежащей
,
а x,
y,
z
– координаты соответствующей точки
поверхности.
Тогда
координаты x,
y,
z
есть функции координат u,
v
при отображении f,
т.е.
,
,
. (3.1)
Эту систему
равенств, задающих отображение f
области G
в пространство,
называют уравнениями
поверхности
в параметрической форме. Здесь u,
v
называются криволинейными
координатами на поверхности.
Параметрические уравнения (3.1) при
фиксированных значениях u,
v
задают
кривую, лежащую на поверхности. Будем
также пользоваться векторной записью
уравнения поверхности
или
.
Последняя запись есть векторная функция двух скалярных аргументов u, v.
Замечание
3.1.
Уравнение
можно
рассматривать как частный случай
параметрического уравнения, если принять
x
и y
за
параметры
и положить
.
В
дальнейшем мы будем рассматривать
поверхности, заданные именно
параметрическими уравнениями, причем
функцию
будем
предполагать непрерывной и имеющей
непрерывные частные производные по
и
.
В
некоторых случаях, нам придется
потребовать также существования и
непрерывности ее частных производных
второго порядка.
