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高斯-博内公式


高斯-博内公式有几种形式。最简单的一种形式表达了嵌入三角形的总高斯曲率,它与边界的总测地曲率和角点的跳跃角有关。

更具体地说,如果 M 是任何二维黎曼流形(如三维空间中的曲面),如果 T 是一个嵌入三角形,那么高斯-博内公式指出,整个三角形上关于面积高斯曲率积分由 2pi 减去跳跃角之和,再减去三角形边界上关于弧长测地曲率积分给出,

 intint_(T)KdA=2pi-sumalpha_i-int_(partialT)kappa_gds,
(1)

其中 K高斯曲率dA面积度量,alpha_is 是 partialT跳跃角kappa_gpartialT测地曲率,其中 ds弧长度量。

高斯-博内公式最常见的另一种形式是:对于任何紧致、无边界的二维黎曼流形,整个流形上关于面积高斯曲率积分是 2pi 乘以欧拉示性数

 intint_(M)KdA=2pichi(M).
(2)

这有点令人惊讶,因为总高斯曲率在性质上是微分几何的,但欧拉示性数在性质上是拓扑的,并且完全不依赖于微分几何。因此,如果你扭曲曲面并改变任何位置的曲率,无论你如何操作,总曲率都会保持不变。

观察三维空间中曲面的高斯-博内定理的另一种方式是,曲面的高斯映射布劳威尔度由曲面的欧拉示性数的一半给出

 intint_(M)KdA=2pichi(M)-sumalpha_i-int_(partialM)kappa_gds,
(3)

这仅适用于可定向曲面,其中 M紧致的。这使得高斯-博内定理成为庞加莱-霍普夫指标定理的简单推论,如果你是拓扑学家,这是一种很好的观察事物的方式,但对于微分几何学家来说就没那么好了。这个证明可以在 Guillemin 和 Pollack (1974) 中找到。 Millman 和 Parker (1977) 给出了高斯-博内定理的标准微分几何证明,而 Singer 和 Thorpe (1996) 给出了一个受高斯绝妙定理启发的证明,该证明完全是内在的,没有任何参考外部欧几里得空间

也可以给出考虑了两种公式的通用高斯-博内公式。对于任何带角的紧致二维黎曼流形,2-流形上关于面积高斯曲率积分是 2pi 乘以欧拉示性数,减去跳跃角之和以及边界的总测地曲率


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参考文献

Chavel, I. 黎曼几何:现代导论。 纽约:剑桥大学出版社,1994年。Guillemin, V. 和 Pollack, A. 微分拓扑学。 新泽西州恩格尔伍德崖:普伦蒂斯-霍尔出版社,1974年。Millman, R. S. 和 Parker, G. D. 微分几何要素。 普伦蒂斯-霍尔出版社,1977年。Reckziegel, H. 在 大学和博物馆藏品中的数学模型 (G. Fischer 编辑)。 不伦瑞克,德国:Vieweg,第 31 页,1986年。Singer, I. M. 和 Thorpe, J. A. 初等拓扑学和几何学讲义。 纽约:施普林格出版社,1996年。

在 Wolfram|Alpha 中引用

高斯-博内公式

请引用为

Weisstein, Eric W. “高斯-博内公式。” 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/Gauss-BonnetFormula.html

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