Читать «Большая Советская Энциклопедия (ПО)» онлайн - страница 14

ds ² = Edu² + 2Fdudu + Gdu² ,     (1)

[здесь Е = r² _u , F = r_u r_u , G = r² _u , r = r (u, u ) - радиус-вектор переменной точки поверхности, u, u — её криволинейные координаты], выражающая квадрат дифференциала дуги линии на поверхности. Именно, если известны функции Е = E (u, u ), F = F (u, u ), G = G (u,  u ), то, зная внутренние уравнения линии u = u (t ), u = u (t ) и интегрируя ds, можно определить длину этой линии; кроме того, существуют формулы, которые при данных Е, F, G выражают угол между двумя линиями и площадь области по внутренним уравнениям этих линий и по внутреннему уравнению контура области. Изучение пространственного строения окрестности точки на поверхности производится при помощи второй основной квадратичной формы поверхности

2h = Ldu² + 2Mdud u + Ndu² ,      (2)

здесь L = r_{u и} n, М = r_{u u} n, N = r _uu n,

— единичный вектор нормали к поверхности. Величина h с точностью до малых более высокого порядка относительно du, du равна расстоянию от точки М’ поверхности с координатами u + du, u + du до касательной плоскости g в точке М с координатами u, u, причём расстояние берётся со знаком + или — в зависимости от того, с какой стороны от у расположена точка М'. Если форма (2) знакоопределённая, то поверхность в достаточно малой окрестности точки М располагается по одну сторону от касательной плоскости g, и в этом случае точка М поверхности называется эллиптической (рис. 1 ). Если форма (2) знакопеременная, то поверхность в окрестности точки М располагается по разные стороны от плоскости g, и точка М тогда называется гиперболической (рис. 2 ). Если форма (2) знакоопределённая, но принимает нулевые значения (при не равных одновременно нулю du и du ), то точка М называется параболической (на рис. 3 показан один из примеров строения поверхности в окрестности параболической точки).

  Более точная характеристика пространственной формы поверхности может быть получена с помощью исследования геометрических свойств линий на поверхности. Пусть М — некоторая точка поверхности S и n — единичный вектор нормали к поверхности в М. Линия (L ) пересечения S с плоскостью, проходящей через n в направлении  называется нормальным сечением в этом направлении, а ее кривизна — нормальной кривизной 1/R, которая вычисляется по формуле:

.

  Нормальная кривизна поверхности в данной точке М в данном направлении  может рассматриваться как мера искривлённости поверхности в М в направлении . Экстремальные значения нормальной кривизны в данной точке называется главными кривизнами, а соответствующие направления на поверхности — главными направлениями. Кривизна произвольного нормального сечения в данной точке связана простым соотношением с главными кривизнами (см. ). Если главная кривизны в точке М различны, то в этой точке существуют два различных главных направления. Линии, направления которых в каждой точке являются главными, называются линиями кривизны. Направления, в которых нормальная кривизна равна нулю, называются асимптотическими, а линии, имеющие в каждой точке асимптотическое направление, — асимптотическими линиями. Поверхность, состоящая из эллиптических точек (например, сфера), не имеет асимптотических линий. Поверхность, состоящая из гиперболических точек, имеет два семейства асимптотических линий (например, две системы прямолинейных образующих однополостного гиперболоида). Поверхность, состоящая из параболических точек, имеет одну систему асимптотических линий — систему прямолинейных образующих. Дальнейшее изучение свойств произвольных линий на поверхности (в первую очередь кривизн линий) тесно связано с кривизнами нормальных сечений. Кривизна k в данной точке М произвольной линии Г может быть вычислена по формуле: