a110 线性曲率和几何奇点

En résumé (grâce à un LLM libre auto-hébergé)

  • 该文本解释了在表面上存在几何奇点,如褶皱,线性曲率集中在这些地方。
  • 它描述了如何计算和平衡角曲率,以保持球体的拓扑结构。
  • 测地线三角形和透镜的例子展示了曲率如何影响表面的性质。

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相反,在表面上存在真实的内在奇点。这些是真正的几何奇点:
(55)

(56)

(57)

依此类推……

此外,折痕是表面上的一个特殊区域,其中线曲率被集中。在图(57)中,左边是负的线曲率,右边是正的线曲率。

在每个子图中,我们使用了两个球面部分。整体物体具有与球体相同的拓扑结构,这意味着其总角曲率为 $4\pi$。

假设左边的物体是由两个球面部分构成的,每个部分含有 $3\pi$ 的角曲率:

$$
3\pi + 3\pi = 6\pi
$$

这太多了。因此,必须用负的线曲率来抵消,以得到最终所需的 $4\pi$ 值:

总之,我们的折痕包含的负曲率为:

$$
-2\pi
$$

这种曲率沿折痕的圆形曲线均匀分布。

回到图(57),我们绘制了由测地线构成的三角形。但你可以用一条窄胶带轻松地穿过折痕。你知道如何计算并预测三角形三个角的和。你只需将三角形的面积与球体的面积进行比较。曲率的过剩为:

$$
\text{(58)}
$$

但你必须考虑折痕部分(即弧 $mn$)中包含的曲率(负或正)。该曲率值为:

$$
\text{(59)}
$$

假设图(57)右侧有一种类似透镜的结构,由两个球面部分构成,每个部分含有 $\pi$ 的角曲率。因此,如果不考虑折痕,这两个球面部分的总角曲率为 $2\pi$。然而,这个透镜具有球形拓扑结构,因此角曲率的贡献必须为 $2\pi$。因此:

$$
2\pi + 2\pi = 4\pi \quad \text{(球体的总曲率)}
$$

你也可以预测由三条测地线构成的这种奇怪三角形的三个角的和。弧 $mn$ 包含的线性角曲率为:

$$
\text{(60)}
$$

当测量折痕内三角形中所包含的角曲率时,可以计算出与欧几里得和 $\pi$ 的偏差。

因此,你可以相对容易地处理这些表面上的曲率问题。

一个表面可能有锥形点或折痕线。这些是内在奇点,而不是由于坐标选择而产生的虚假奇点。请注意,我们可以将折痕平滑处理,从而得到一个类似花生的形状:

$$
\text{(61)}
$$

这相当于将圆锥的尖点(集中角曲率)平滑处理,使物体变成一个钝角圆锥(角曲率分布在球体的一部分上)。

假设图(61)中上面的两个球面部分各代表 $2/3$ 个球体,即曲率:

$$
\text{(62)}
$$

“花生”中的灰色部分包含负曲率,具体为:

$$
\text{(63)}
$$