曲面的微分幾何

平均曲率(mean curvature)

如果高斯曲率 K 回答「這一點是什麼內蘊形狀——圓頂、鞍還是平?」,平均曲率 H 回答的是另一個更物理的問題:「平均而言,曲面如何鼓出它的切平面?」它是肥皂膜所回應的量,是告訴你表面張力效應的量,也是恰好為使面積極小的曲面而消失的量。

精確地說,一點上的平均曲率是兩個主曲率的平均:H = (k_1 + k_2)/2。(有些書改用和 k_1 + k_2 並把那個叫平均曲率;要留意這個 2 倍因子。)在參數化下它是 H = (e*G - 2f*F + g*E) / (2(E*G - F^2))。幾何上,對 k_1 與 k_2 取平均,等於把所有方向上的彎曲加總起來:事實上 H 等於對所有方向 theta 取的法曲率 k_n(theta) 的平均,這由尤拉公式得出。因為它是平均而非乘積,H 以加法方式混合兩主曲率——所以在鞍面上,k_1 與 k_2 異號時可以抵消而給出 H = 0,儘管曲面遠非平坦。

平均曲率支配曲面的物理。楊-拉普拉斯定律說,肥皂膜或液面兩側的壓差正比於 H,這正是為什麼小泡(大 H)的內壓高於大泡。處處 H = 0 的曲面是極小曲面:它們是肥皂膜橫跨鐵絲圈時面積極小的形狀,因一個主方向的彎曲恰好抵消另一個而平衡。兩個提醒。其一,與 K 不同,平均曲率 H 是外在的,符號取決於所選法向量——翻轉法向量 H 變號,所以「H = 0」有意義(無符號),但非零 H 的數值與符號帶有約定。其二,H = 0 不表示曲面平坦;它表示主曲率大小相等、符號相反,那是極小曲面的標誌,而非平面的。

半徑 R 的球面 k_1 = k_2 = 1/R,故 H = (1/R + 1/R)/2 = 1/R——非零,且較小的泡有較大的 H 因而內壓較高,符合楊-拉普拉斯定律。平坦平面平凡地 H = 0(兩主曲率皆零)。懸鏈面(肥皂膜在兩圈間形成的曲面)每點 k_1 = -k_2,故 H = 0 而 K < 0:它確實彎曲(處處鞍形)卻有零平均曲率,正是極小曲面的標誌。

球面 H = 1/R;懸鏈面 H = 0 卻 K < 0——是極小曲面,而非平面。

平均曲率是外在且依賴符號的(翻轉法向量 H 變號),而高斯曲率是內蘊且無符號的。所以在不拉伸的彎曲下存活的是 K 而非 H;別指望捲起曲面時平均曲率還保持不變。

又称
H平均曲率