高斯曲率與平均曲率(Gaussian and mean curvature)
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在曲面任一點,把兩個主曲率(你朝不同方向看時找到的最急與最緩的彎曲)組合起來有兩種自然方式:相乘,或取平均。相乘得高斯曲率 K = kappa_1 kappa_2;取平均得平均曲率 H = (kappa_1 + kappa_2)/2。這兩個數以不同方式概括曲面在一點如何彎曲——它們回答的是很不一樣的問題。
高斯曲率 K 是乘積,僅憑其符號便道出局部形狀:K > 0 表示兩個主曲率朝同向彎,曲面呈穹頂或碗狀(球、蛋);K < 0 表示二者反向彎,是馬鞍(薯片、山口);K = 0 表示至少一個主曲率為零,曲面在某方向是平的(平面、圓柱、圓錐)。驚人的事實是高斯的絕妙定理:K 是內蘊的——它可純由第一基本形式算出,所以生活在曲面上的平面螞蟻僅靠測距離與角度便能確定 K,根本無需知道曲面嵌在三維裡。平均曲率 H 則相反,是外蘊的:它依賴曲面在空間中的置放,翻轉法向時變號。H = 0 刻畫極小曲面——肥皂膜為最小化面積而採取的形狀。
K 與 H 之分貫穿幾何與物理。K 支配內蘊事實:正曲率曲面上三角形的內角和大於 180 度;高斯-博內定理把曲面上 K 的總量與其拓撲(孔洞數)相聯,是從局部曲率通往整體形狀的驚人橋樑;地球無法畫出無失真平面地圖,不過是球面的 K 非零而紙的 K 為零。H 驅動界面物理:表面張力使肥皂膜停在 H = 0,而楊-拉普拉斯定律說彎曲液面兩側的壓差正比於 H。一個值得指出的常見混淆:圓柱 K = 0(它內蘊是平的,你能把它展開),可 H 非零(它顯然在彎)——證明兩種曲率確實彼此獨立。
半徑 R 的球面兩個主曲率都等於 1/R,故 K = 1/R^2(處處為正、每點相同),H = 1/R。平面 K = 0、H = 0。半徑 R 的圓柱主曲率為 1/R 與 0,得 K = 0 但 H = 1/(2R):像紙一樣內蘊平直,卻外蘊彎曲——這是 K 與 H 量度不同事物的最乾淨示範。
圓柱:K = 0(可展開、內蘊平直)但 H 非零(明顯在彎)——二者獨立。
高斯曲率 K 是內蘊的(絕妙定理),在不拉伸的彎曲下保持不變;平均曲率 H 是外蘊的,彎曲曲面或翻轉法向時會改變。把二者混淆——例如因為圓柱「看起來彎」就以為它有非零高斯曲率——是經典錯誤。