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本帖最后由 Czhang271828 于 2022-1-15 17:17 编辑 非常经典的论题, 下依个人书写习惯抄题, 并给出"局部等距"的通常解释:
设 $X(u,v)=(\cosh u\cos v,\cosh u\sin v,u)$ 为悬链曲面 $S_1$ 之正则参数化表示, i.e.
$$
X:U(\subset\mathbb R^2)\to S_1(\mathbb R^3).
$$
同理, 记 $Y(\overline u,\overline v)=(\overline u\cos \overline v,\overline u\sin \overline v,\overline v)$ 为螺旋曲面 $S_2$ 之正则参数表示. 此处, "正则"一词可理解为"处处存在局部逆映射".
当参数 $u$ 改变 $\Delta u$, $v$ 改变 $\Delta v$ 时, $X$ 改变 $X_u\cdot \Delta u+X_v\cdot \Delta v$. 记 Riemann 度量
$$
g=(g_{ij})_{2\times 2}=\begin{pmatrix}X_u\cdot X_u&X_u\cdot X_v\\
X_v\cdot X_u&X_v\cdot X_v\end{pmatrix}.
$$
此处内积即通常内积. 在建立曲面上的度量后, 单位长度 $\mathrm ds=\sqrt{\sum_{i,j=1}^2 g_{ij}\mathrm du^i\mathrm du^j}$, 如 $S$ 上则 $\mathrm ds=\sqrt{g_{11}\mathrm (\mathrm du)^2+2g_{12}\mathrm du\mathrm dv+g_{22}(\mathrm dv)^2}$. 显然, 曲面 $S_1$ 在 $p(\in S_1)$ 处与 $S_2$ 某点局部等距若且仅若存在局部双射 $\varphi:U_p(\subset S_1)\to U_{\varphi(p)}(\subset S_2)$ 使得 $p$ 在 $S_1$ 上的 Riemann 度量与 $\varphi(p)$ 在 $S_2$ 上的 Riemann 度量相等.
以 $S_1$ 与 $S_2$ 为例, 度量 $g$ 与 $\overline g$ 分别为
$$
g=\begin{pmatrix}\cosh^2u&0\\0&\cosh^2 u\end{pmatrix},\quad \overline g=\begin{pmatrix}1&0\\0&\overline u^2+1\end{pmatrix}.
$$
记 $(u,v)=(u(\overline u,\overline v),v(\overline u,\overline v))$. 若存在局部等距映射, 据链式法则, 有
$$
\left(\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(\overline u,\overline v)}\right)'\cdot g\cdot \left(\dfrac{\partial(u,v)}{\partial(\overline u,\overline v)}\right)=\overline g.
$$
代入得
$$
\begin{pmatrix}\partial_{\overline u} u&\partial_{\overline u}v\\\partial_{\overline v} u&\partial_{\overline v}v\end{pmatrix}\cdot \begin{pmatrix}\cosh^2u&0\\0&\cosh^2 u\end{pmatrix}\cdot \begin{pmatrix}\partial_{\overline u} u&\partial_{\overline v}u\\\partial_{\overline u} v&\partial_{\overline v}v\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1&0\\0&\overline u^2+1\end{pmatrix}.
$$
此处仅需证明存在等距映射, 因此观察出某个解 $(u,v)=(u(\overline u,\overline v),v(\overline u,\overline v))$ 即可. 视 $u=u(\overline u)$, $v=v(\overline v)$, 解常微分方程
$$
\left\{\begin{align*}
\dfrac{\mathrm du}{\mathrm d\overline u}=&\dfrac{1}{\cosh u},\\
\dfrac{\mathrm dv}{\mathrm d\overline v}=&\dfrac{\sqrt{\overline u^2+1}}{\cosh u}.\\
\end{align*}\right.
$$
取 $\overline u=\sinh u$, $v=\overline v$ . 因此 $S_1$ 到 $S_2$ 的局部等距由映射
$$
\varphi:S_1\to S_2,X^{-1}(u,v)\to Y(\sinh u,v)
$$
给出. 之所以不存在全局的等距映射, 是因为 $S_1$ 与 $S_2$ 的拓扑结构有殊. 悬链曲面与无限长圆柱之侧面具有相同的拓扑结构(同胚), 螺旋曲面与上半平面同胚, 而无限长圆柱之侧面与上半平面不同胚, 因为前者表面上的某些闭曲线无法连续变化至单点, 但上半平面上的一切闭曲线均可连续变换至单点, 因此两者不具有相同的拓扑结构. 是故 $S_1$ 与 $S_2$ 间无法建立全局的等距映射.
局部(全局)等距 $\Leftrightarrow$ 存在参数化使得度量局部(全局)相等. |
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