内蒙古民族大学数理学院,内蒙古 通辽

收稿日期:2020年9月21日;录用日期:2020年10月6日;发布日期:2020年10月13日

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。
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
The Hyperbolic Paraboloid under the Moving Frame
Xiaozhou Liu, Tuya Bao
College of Mathematics and Physics, Inner Mongolia University for the Nationalities, Tongliao Inner Mongolia

Received: Sep. 21st, 2020; accepted: Oct. 6th, 2020; published: Oct. 13th, 2020

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.
Keywords:Hyperbolic Paraboloid, Moving Frame Method, Schmidt Orthogonalization Method, Undevelopable Surface

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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)。
文章引用
刘晓周,包图雅. 活动标架下的双曲抛物面
The Hyperbolic Paraboloid under the Moving Frame[J]. 理论数学, 2020, 10(10): 921-927. https://doi.org/10.12677/PM.2020.1010107
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.