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
,通过计算得到
,
,但是
,不是我们想要的正交坐标网。为此在这里我们对
和
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:
,
。
单位化:
,
。
这样我们得到了一组正交的单位向量组,我们令:
,
,
,
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
的相对分量为:
,
,
。
证明:对双参数的活动标架进行微分:
,
把
和
代入,得到:
,
即
,
解得
。
,
把
和
代入,得到:
,
解得:
。
,
把
和
代入,得到:
,
解得
。
把
和
代入,解得
。
通过上述计算,我们得到了相对分量,显然有
成立。
定理2:双曲抛物面的结构方程:
,
,
,
,
,
。
证明:
,
,
故有
成立。
,
,
故有
成立。
而
,
,
故有
成立。
,
,
故有
成立。
,
,
故有
成立。
,
,
故有
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
。
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:
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