平均曲率(mean curvature) 是
微分几何中一个“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。
基本介绍
这个概念由
索菲·热尔曼在她的著作《
弹性理论》中最先引入。
曲面的两个
主曲率之积K=k1k2叫曲面的高斯曲率,两个主曲率的平均值
叫做曲面的平均曲率。
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κ1 与
极小值κ2这两个曲率κ1,κ2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[3],故有此名。
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 。
另外,平均曲率 H 可以用共变导数 写成
这里利用了
高斯-Weingarten 关系,X(x,t) 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。
三维空间中曲面
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 z = S(x,y),使用向下的法向量平均曲率(的两倍)表示为
流体力学
Hf=(k1+k2)
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 κ1 = κ2 = r ^-1。
极小曲面
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
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。