活动标架

XantC

这里不提曲线论下的活动标架,因为曲线单参数,只用导数的Frenet标架就可以搞定。我们只关心曲面。

所谓活动标架,是与曲面本身联系不紧的,附着在曲面每一点上的局部标架。例如,我们可以通过使e1e2正交,让原本不正交的曲纹坐标变为更易处理的正交标架。我们还可以让它们在切平面上做一个转动,使e1成为曲面上一直线的切向量,甚至于主曲率的方向,进而研究曲面上与方向相关的问题。以上说明的两种做法,就是曲面的一阶和二阶标架场。

三维空间内的标架族

$$ \mathrm{d}\begin{pmatrix} \boldsymbol{r}\\\boldsymbol{e_1}\\\boldsymbol{e_2}\\\boldsymbol{e_3} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \omega^1&\omega^2&\omega^3\\ \omega^1_1&\omega^2_1&\omega^3_1\\ \omega^1_2&\omega^2_2&\omega^3_2\\ \omega^1_3&\omega^2_3&\omega^3_3\\ \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \boldsymbol{e_1}\\\boldsymbol{e_2}\\\boldsymbol{e_3}\\ \end{pmatrix} $$

曲面的自然标架场

{p; ru, rv, n}作为标架场,再通过其运动公式来得到活动标架的相对分量。

$$ \begin{cases} \displaystyle\frac{\partial\boldsymbol{r}}{\partial u^{\alpha}}=\boldsymbol{r}_\alpha\\ \displaystyle\frac{\partial\boldsymbol{r_\alpha}}{\partial u^{\beta}}=\boldsymbol{\Gamma}^{\gamma}_{\alpha\beta}\boldsymbol{r_\gamma}+b_{\alpha\beta}\boldsymbol{n}\\ \displaystyle\frac{\partial\boldsymbol{n}}{\partial u^{\beta}}=-b^\gamma_\beta\boldsymbol{r}_\gamma \end{cases}\Rightarrow \begin{cases} \mathrm{d}\boldsymbol{r}=\boldsymbol{r_\alpha}\mathrm{d}u^{\alpha}\\ \mathrm{d}\boldsymbol{e_\alpha}=\Gamma^{\gamma}_{\alpha\beta}\mathrm{d}u^{\beta}\boldsymbol{e_\gamma}+b_{\alpha\beta}\mathrm{d}u^{\beta}\boldsymbol{e_3}\,(\alpha,\gamma=1,2)\\ \mathrm{d}\boldsymbol{e_3}=-b^{\gamma}_{\beta}\mathrm{d}u^{\beta}\boldsymbol{e_\gamma}\,(\gamma=1,2)\\ \end{cases} $$

曲面的一阶标架场

曲面的一阶标架场就是e1, e2为切向量的单位正交标架场。

ei ⋅ ej = 0 (i ≠ j),可得到矩阵中ωji = −ωij, ωii = 0

$$ \mathrm{d}\begin{pmatrix} \boldsymbol{r}\\\boldsymbol{e_1}\\\boldsymbol{e_2}\\\boldsymbol{e_3} \end{pmatrix}=\begin{pmatrix} \omega^1&\omega^2&0\\ 0&\omega^2_1&\omega^3_1\\ \omega^1_2&0&\omega^3_2\\ \omega^1_3&\omega^2_3&0\\ \end{pmatrix}\begin{pmatrix} \boldsymbol{e_1}\\\boldsymbol{e_2}\\\boldsymbol{e_3}\\ \end{pmatrix} $$

曲面的二阶标架场