曲面的微分幾何

曲面參數化(surface parametrization)

把彎曲世界畫成平面地圖,就是這個想法的日常版本。地球儀帶著不方便,於是我們把它的區域攤平到紙上,加上經緯網格。地圖上每一點對應地球儀上一點,網格讓你用兩個數字為地點命名。曲面參數化對任何彎曲曲面做的正是這件事:它把一張平坦的 (u, v) 座標紙鋪在曲面的一片上,使這片上每一點都得到一個地址 (u, v)。

具體而言,一片的參數化是一個光滑映射 x(u, v),把 (u, v) 平面上一塊平坦區域映入空間並落在曲面上,且是一對一又正則的(其偏導 x_u 與 x_v 處處獨立,故 x_u x x_v 永不為零)。兩個偏導正是你在曲面上移動時感受到的速度向量:固定 v 讓 u 跑得到 x_u,固定 u 讓 v 跑得到 x_v。固定其中一個座標所描出的曲線稱為座標曲線;它們合起來構成畫在曲面上的曲線網格。要找曲面上的點,只需代入 (u, v);要在那裡做幾何,就把 x 對 u 與 v 微分。

參數化是整門學科的實用引擎:切平面、法向量、長度、面積與曲率,全都靠對 x(u, v) 微分來計算。兩個誠實的提醒。其一,單一參數化很少能覆蓋整個封閉曲面——經緯網在地球儀的兩極失效,那裡網格擠成一團——所以我們用數張重疊的參數化,並檢查它們在重疊處一致。其二,(u, v) 座標是一種選擇,就像選用哪種地圖投影;曲面本身並不知道它們,任何真正的幾何事實,不論你用哪種參數化,結果都必須一樣。

半徑 R 的球面有經緯參數化 x(u, v) = (R cos u cos v, R cos u sin v, R sin u),其中 u 是緯度(從 -pi/2 到 pi/2),v 是經度(0 到 2pi)。代入 u = 0、v = 0 得赤道上的點 (R, 0, 0)。偏導 x_u 與 x_v 沿曲面指向「北」與「東」——除了兩極 u = +-pi/2 外處處獨立;在兩極 x_v 塌為零,所以參數化恰在那裡失效(正如平面地圖在兩極無望地扭曲)。

經緯參數化覆蓋球面,除了兩極之外。

參數化是工具,不是曲面本身。同一片有無窮多種參數化;依賴於選擇的量(如原始座標)只是記帳,而在每種參數化下都相同的量(長度、面積、曲率)才是真正的幾何。

又称
a charta coordinate patch參數式座標卡曲面片