活动标架下的双曲抛物面
The Hyperbolic Paraboloid under the Moving Frame
DOI: 10.12677/PM.2020.1010107, PDF, HTML, XML, 下载: 720  浏览: 1,150  国家自然科学基金支持
作者: 刘晓周, 包图雅:内蒙古民族大学数理学院,内蒙古 通辽
关键词: 双曲抛物面活动标架法施密特正交化法不可展曲面Hyperbolic Paraboloid Moving Frame Method Schmidt Orthogonalization Method Undevelopable Surface
摘要: 双曲抛物面是微分几何中一常见研究对象,本文用活动标架理论得到一些双曲抛物面的活动标架基本量,进而去研究双曲抛物面。
Abstract: Hyperbolic paraboloid is a common object in differential geometry. In this paper, we use the theory of moving frame to get some basic quantities of Hyperbolic paraboloid, and then study Hyperbolic paraboloid.
文章引用:刘晓周, 包图雅. 活动标架下的双曲抛物面[J]. 理论数学, 2020, 10(10): 921-927. https://doi.org/10.12677/PM.2020.1010107

活动标架法是微分几何中研究曲面的一个重要方法,能够很好地分析曲面的性质 [1]。双曲抛物面是微分几何的一个重要研究对象,在生活中有着广泛应用。参考文献 [2],利用参数变换给双曲抛物面构造曲率线网参数表示;参考文献 [3] 分析通过双曲抛物面一条直母线的平面与其他直母线的位置关系,研究了双曲抛物面的直母线在特殊平面上的射影;参考文献 [4] 对双曲抛物面的直纹性进行探究,总结了双曲抛物面在建筑、电力工程、日常生活、宇宙学中的应用。下面根据活动标架理论,得到活动标架下双曲抛物面的一些基本量 [5],以便进一步去分析双曲抛物面。

活动标架法首先要寻找一个活动标架,使得活动标架与双曲抛物面上的点一一对应起来。我们在曲面上选取正交坐标网,我们取双曲抛物面上的曲率线网 [2]。但是在计算中我们发现,利用双曲抛物面上的曲率线网计算过程很复杂。因此我们使用双曲抛物面上的常用参数 r ( u , v ) = ( u + v , u v , 4 u v ) ,通过计算得到 r u = ( 1 , 1 , 4 v ) r v = ( 1 , 1 , 4 u ) ,但是 F = r u r v = ( 1 , 1 , 4 v ) ( 1 , 1 , 4 u ) = 16 u v 0 ,不是我们想要的正交坐标网。为此在这里我们对 r u r v 施行施密特正交化法,使其成为正交的单位向量 [6]。具体做法如下:

正交化: r u = r u = ( 1 , 1 , 4 v )

r v = r v ( r v , r u ) ( r u , r u ) r u = ( 1 16 u v 2 + 16 v 2 , 1 16 u v 2 + 16 v 2 , 4 u + 64 u v 2 2 + 16 v 2 )

单位化: r u = r u | r u | = 1 2 + 16 v 2 ( 1 , 1 , 4 v )

r v = r v | r v | = 2 + 16 v 2 8 ( 1 + 8 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 1 , 1 , 4 u ) + 16 u v 8 ( 1 + 8 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 1 , 1 , 4 v )

这样我们得到了一组正交的单位向量组,我们令:

e 1 = r u = 1 2 + 16 v 2 ( 1 , 1 , 4 v )

e 2 = r v = 2 + 16 v 2 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 , 1 , 4 u ) + 8 u v ( 2 + 16 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 1 , 1 , 4 v )

e 3 = e 1 × e 2 = 1 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 2 u 2 v , 2 u 2 v , 1 )

这样我们就完成了活动标架法的第一步,即找到了一个双参数的活动标架。

定理1:双曲抛物面 r ( u , v ) = ( u + v , u v , 4 u v ) 的相对分量为:

ω 1 2 = 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v , ω 1 3 = 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v

ω 2 1 = 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v , ω 2 3 = 2 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u + 32 u v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 + 16 v 2 d v

ω 3 1 = 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v , ω 3 2 = 2 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u + 32 u v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 + 16 v 2 d v

证明:对双参数的活动标架进行微分:

d r = { 1 , 1 , 4 v } d u + { 1 , 1 , 4 u } d v = ω 1 e 1 + ω 2 e 2

e 1 e 2 代入,得到:

ω 1 2 + 16 v 2 ( 1 , 1 , 4 v ) + 2 + 16 v 2 ω 2 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 , 1 , 4 u ) + 8 u v ω 2 ( 2 + 16 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 1 , 1 , 4 v ) = { 1 , 1 , 4 v } d u + { 1 , 1 , 4 u } d v

{ ω 1 2 + 16 v 2 + 2 + 16 v 2 ω 2 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 + 8 u v ω 2 ( 2 + 16 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) = d u + d v ω 1 2 + 16 v 2 2 + 16 v 2 ω 2 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 + 8 u v ω 2 ( 2 + 16 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) = d u d v 4 v ω 1 2 + 16 v 2 + 4 u 2 + 16 v 2 ω 2 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 + 32 u v 2 ω 2 ( 2 + 16 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) = 4 v d u 4 u d v

解得 { ω 1 = 2 + 16 v 2 d u + 16 u v 2 + 16 v 2 d v ω 2 = 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v

d e 1 = ( 16 v d v ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 , 16 v d v ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 , 4 d v 2 + 16 v 2 + 64 v 2 d v ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 ) = ω 1 2 e 2 + ω 1 3 e 3

e 2 e 3 代入,得到:

ω 1 2 2 + 16 v 2 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 , 1 , 4 u ) + ω 1 2 8 u v ( 2 + 16 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 1 , 1 , 4 v ) + ω 1 3 1 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 2 u 2 v , 2 u 2 v , 1 ) = ( 16 v d v ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 , 16 v d v ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 , 4 d v 2 + 16 v 2 + 64 v 2 d v ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 )

解得: { ω 1 2 = 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v ω 1 3 = 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v

d e 2 T = ( 8 u 8 v 64 u v 2 64 v 3 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 16 u [ 8 u 2 8 u v 64 v 4 64 u v 3 + 1 ] ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v , 8 u 8 v + 64 u v 2 64 v 3 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 16 u [ 8 u 2 + 8 u v 64 v 4 + 64 u v 3 + 1 ] ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d v , 2 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 128 u v ( 4 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v ) = ω 2 1 e 1 + ω 2 3 e 3

e 1 e 3 代入,得到:

{ ω 2 1 2 + 16 v 2 + ( 2 u 2 v ) ω 2 3 8 u 2 + 8 v 2 + 1 = 8 u 8 v 64 u v 2 64 v 3 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 16 u [ ( 1 + 8 v 2 ) ( 1 8 v 2 ) + 8 u 2 ] ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v ω 2 1 2 + 16 v 2 + ( 2 u 2 v ) ω 2 3 8 u 2 + 8 v 2 + 1 = 8 u 8 v + 64 u 2 v 64 v 3 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 16 u ( 8 u v + 8 v 2 + 1 ) ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d v 4 v ω 2 1 2 + 16 v 2 + ω 2 3 8 u 2 + 8 v 2 + 1 = 2 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 128 u v ( 4 u 2 + 8 v 2 + 1 ) ( 2 + 16 v 2 ) 3 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v

解得 { ω 2 1 = 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v ω 2 3 = 2 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u + 32 u v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 + 16 v 2 d v

d e 3 = ( 16 v 2 + 16 u v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 16 u 2 + 16 u v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v , 16 v 2 + 16 u v + 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 16 u 2 16 u v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v , 8 u ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u + 8 v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d v ) = ω 3 1 e 1 + ω 3 2 e 2

e 1 e 2 代入,解得 { ω 3 1 = 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v ω 3 2 = 2 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u + 32 u v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 + 16 v 2 d v

通过上述计算,我们得到了相对分量,显然有 ω 1 2 = ω 2 1 , ω 2 3 = ω 3 2 , ω 1 3 = ω 3 1 成立。

定理2:双曲抛物面的结构方程:

d ω 1 = ω 2 ω 2 1 = 0

d ω 2 = ω 1 ω 1 2 = 16 u 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u d v

d ω 3 = ω 1 ω 1 3 + ω 2 ω 2 3 = 0

d ω 1 2 = ω 1 3 ω 3 2 = 8 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v

d ω 2 3 = ω 2 1 ω 1 3 = 0

d ω 3 1 = ω 3 2 ω 2 1 = 32 u 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v

证明:

d ω 1 = d ( 2 + 16 v 2 d u + 16 u v 2 + 16 v 2 d v ) = 16 v 2 + 16 v 2 d u d v + 16 v 2 + 16 v 2 d u d v = 0

ω 2 ω 2 1 = 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v d v = 0

故有 d ω 1 = ω 2 ω 2 1 成立。

d ω 2 = d ( 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v ) = 2 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d u d v = 16 u 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u d v

ω 1 ω 1 2 = ( 2 + 16 v 2 d u + 16 u v 2 + 16 v 2 d v ) 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v = 16 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d u d v

故有 d ω 2 = ω 1 ω 1 2 成立。

d ω 3 = 0

ω 1 ω 1 3 + ω 2 ω 2 3 = 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u d v + 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u d v = 0

故有 d ω 3 = ω 1 ω 1 3 + ω 2 ω 2 3 成立。

d ω 1 2 = d ( 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v ) = 8 ( 1 + 8 v 2 ) ( 1 + 8 v 2 ) ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v = 8 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v

ω 1 3 ω 3 2 = 8 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v

故有 d ω 1 2 = ω 1 3 ω 3 2 成立。

d ω 2 3 = d ( 2 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u + 32 u v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 + 16 v 2 d v ) = 512 u 2 v 512 v 3 64 v + 64 v + 512 v 3 + 512 u 2 v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 2 + 16 v 2 d u d v = 0

ω 2 1 ω 1 3 = 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v d v = 0

故有 d ω 2 3 = ω 2 1 ω 1 3 成立。

d ω 3 1 = d ( 4 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v ) = 32 u 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v

ω 3 2 ω 2 1 = ( 2 2 + 16 v 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 d u + 32 u v ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 + 16 v 2 d v ) 8 u 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ( 1 + 8 v 2 ) d v = 32 u 2 + 16 v 2 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v

故有 d ω 3 1 = ω 3 2 ω 2 1 成立。

这样,我们得到了双曲抛物面结构方程。

应用:双曲抛物面是不可展曲面。

根据活动标架理论,高斯曲率 K = d ω 1 2 ω 1 ω 2

把双曲抛物面的活动标架基本量带入,得到双曲抛物面的高斯曲率:

K = d ω 1 2 ω 1 ω 2 = 8 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 3 2 d u d v ( 2 + 16 v 2 d u + 16 u v 2 + 16 v 2 d v ) 2 8 u 2 + 8 v 2 + 1 2 + 16 v 2 d v = 4 ( 8 u 2 + 8 v 2 + 1 ) 2 0

因此得到双曲抛物面不可展。

本文得到了双曲抛物面的活动标架基本量,为今后利用活动标架法研究双曲抛物面奠定了基础。又利用双曲抛物面的活动标架基本量,验证了双曲抛物面是不可展曲面这一性质。

基金项目

内蒙古自治区青年科技英才支持计划(NJYT-19-A09);内蒙古自然科学基金(2018MS01011);国家自然科学基金(11661062)。

参考文献

参考文献

[1] 梅向明, 黄敬之, 微分几何[M]. 第4版. 北京: 高等教育出版社, 2008: 229-241.
[2] 张量, 宋卫东. 双曲抛物面上的曲率线网及其应用[J]. 高等数学研究, 2014, 17(4): 53-54.
[3] 王阳. 双曲抛物面直母线的性质[J]. 洛阳师专学报, 1998(2): 20-23.
[4] 桂国祥, 刘雅芸. 双曲抛物面在实际生活中的应用[J]. 产业与科技论坛, 2018, 17(16): 52-53.
[5] 刘晓周, 包图雅. 活动标架下的正螺面[J]. 内蒙古民族大学学报(自然科学蒙文版), 2020(1): 1-5.
[6] 包图雅, 张陆. 曲线上的Frenet标架[J]. 湖北民族学院学报(自然科学版), 2015, 33(3): 245-246+255.