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数学知识体系

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⌕2026/8/31
概念

基本形式

第一基本形式度量曲面上曲线的长度,第二基本形式度量曲面在空间中弯曲的方式,二者共同刻画曲面几何。

所属主题:微分几何 ↗
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参考可汗学院 Get ready 机制:先修概念 → 当前概念 → 进阶概念,✓ 表示已读。

01定义

曲面的第一基本形式 I=E du2+2F du dv+G dv2I=E\,du^2+2F\,du\,dv+G\,dv^2 编码曲面上的一切内蕴度量(长度、角度、面积);第二基本形式 IIII 编码曲面在空间中的弯曲方式,二者共同决定曲面。
r_v r_u n 参数网格 (u, v)、切向量 r_u、r_v 与法向量 n
曲面的参数网格与切平面标架:r_u、r_v 张成切平面,n 为法向量

02核心要点

01

第一基本形式

E=r⃗u⋅r⃗uE=\vec r_u\cdot\vec r_u,F=r⃗u⋅r⃗vF=\vec r_u\cdot\vec r_v,G=r⃗v⋅r⃗vG=\vec r_v\cdot\vec r_v;曲面上曲线的长度、两曲线夹角、区域面积全部由 II 计算——它是曲面的「内蕴尺子」。

02

第二基本形式

II=L du2+2M du dv+N dv2II=L\,du^2+2M\,du\,dv+N\,dv^2 由法向量的变化给出,度量曲面偏离切平面的二阶量,即「外在弯曲」。

03

两者关系

高斯曲率 K=LN−M2EG−F2K=\frac{LN-M^2}{EG-F^2} 由两个形式之比给出;绝妙定理说 KK 其实只依赖 II——外在之比竟是内蕴量。

03关键公式

I=E du2+2F du dv+G dv2I=E\,du^2+2F\,du\,dv+G\,dv^2
II=L du2+2M du dv+N dv2II=L\,du^2+2M\,du\,dv+N\,dv^2
K=LN−M2EG−F2K=\frac{LN-M^2}{EG-F^2}

04历史沿革

高斯 1827 年《关于曲面的一般研究》建立第一、第二基本形式与绝妙定理,被公认是微分几何的奠基文献;该工作直接启发了黎曼的高维推广。

05应用与延伸

地图投影的「保角」即保持第一基本形式的角度结构;钣金成形、服装打版必须处理不可展曲面(K≠0K\neq 0)的变形问题。

06交互演示

第一/第二基本形式:曲面在某点的几何拖 u、v 移动考察点:E,F,G 定长度,L,M,N 定弯曲

07相关概念