Первая квадратичная форма

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис

Первая квадратичная форма (или первая фундаментальная форма или метрический тензор) поверхностиквадратичная форма на касательном расслоении поверхности, которая определяет внутреннюю геометрию поверхности в окрестности данной точки. Первая квадратичная форма часто обозначается [math]\displaystyle{ \mathrm{I} }[/math].

Знание первой квадратичной формы достаточно для вычисления гауссовой кривизны поверхности, а также для вычисления длин дуг, углов между кривыми и площади областей на поверхности.

Определение

Пусть в евклидовом пространстве со скалярным произведением [math]\displaystyle{ \langle \cdot, \cdot \rangle }[/math] поверхность задана уравнением [math]\displaystyle{ r = r (u, v), }[/math] где [math]\displaystyle{ u }[/math] и [math]\displaystyle{ v }[/math] ― внутренние координаты на поверхности; [math]\displaystyle{ dr= r_u du + r_v dv }[/math] ― дифференциал радиус-вектора [math]\displaystyle{ r }[/math] вдоль выбранного направления смещения из точки [math]\displaystyle{ M }[/math] в бесконечно близкую точку [math]\displaystyle{ M' }[/math]. (Здесь [math]\displaystyle{ r_u }[/math] и [math]\displaystyle{ r_v }[/math] — частные производные радиус-вектора [math]\displaystyle{ r }[/math] по [math]\displaystyle{ u }[/math] и по [math]\displaystyle{ v }[/math] соответственно.) Тогда квадрат главной части приращения длины [math]\displaystyle{ |MM'| }[/math] выражается квадратом дифференциала [math]\displaystyle{ dr }[/math]:

[math]\displaystyle{ \mathrm{I} = (dr)^2 = \langle r_u, r_u\rangle du^2+2\langle r_u, r_v\rangle du dv + \langle r_v, r_v\rangle dv^2 }[/math]

и называется первой квадратичной формой поверхности.

Коэффициенты первой квадратичной формы обычно обозначают через

[math]\displaystyle{ E =|r_u|^2, \ F = \langle r_u, r_v\rangle, \ G=|r_v|^2 }[/math]

или, в тензорных символах,

[math]\displaystyle{ \mathrm{I} = dr^2 = g_{1,1}du^2+2g_{1,2} du dv+g_{2,2}dv^2. }[/math]

Тензор [math]\displaystyle{ g_{i,j} }[/math] называется основным, или метрическим, тензором поверхности.

Свойства

  • Первая квадратичная форма является положительно определенной формой в обыкновенных точках поверхности; в частности
    [math]\displaystyle{ EG - F^2 \gt 0. }[/math]

См. также

Литература

  • Мищенко А.С. Фоменко А.Т. Курс дифференциальной геометрии и топологии. — Физматлит, 2004. — ISBN 5-9221-0442-X.
  • Топоногов В.А. Дифференциальная геометрия кривых и поверхностей. — Физматкнига, 2012. — ISBN 9785891552135.