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伪球面


Pseudosphere

伪球面是由 曳物线 绕其 渐近线 旋转生成的常负 高斯曲率 旋转曲面。它有时也被称为曳物面,曳物线面,反球面或曳物线体(Steinhaus 1999,p. 251)。笛卡尔参数方程

x=sechucosv
(1)
y=sechusinv
(2)
z=u-tanhu
(3)

对于 u in (-infty,infty)v in [0,2pi)

它可以写成隐式笛卡尔形式:

 z^2=[asech^(-1)(sqrt((x^2+y^2)/a))-sqrt(a^2-x^2-y^2)]^2.
(4)

其他参数化表示包括

x=cosusinv
(5)
y=sinusinv
(6)
z=cosv+ln[tan(1/2v)]
(7)

对于 u in [0,2pi)v in (0,pi) (Gray et al. 2006, p. 480) 和

x=phi(v)cosu
(8)
y=phi(v)sinu
(9)
z=psi(v)
(10)

对于 u in [0,2pi)v in (-infty,infty),其中

phi(v)={e^v for v<0; e^(-v) for v>=0
(11)
psi(v)={sqrt(1-e^(2v))-tanh^(-1)(sqrt(1-e^(2v))) for v<0; ln(e^v+sqrt(e^(2v)-1))-e^(-v)sqrt(e^(2v)-1) for v>=0
(12)

(Gray et al. 2006, p. 477)。

在第一个参数化中,第一基本形式的系数是

E=tanh^2u
(13)
F=0
(14)
G=sech^2u,
(15)

第二基本形式系数是

e=-sechutanhu
(16)
f=0
(17)
g=sechutanhu,
(18)

表面面积元素

 dS=sechutanhu.
(19)

表面积

 S=2int_0^(2pi)int_0^inftysechutanhududv=4pi,
(20)

这与通常的球面完全相同。

即使伪球面具有无限的范围,它也具有有限的体积。体积可以通过变量替换 z=u-tanhu 找到,得到 dz=tanh^2udu,并代入旋转体的方程,得到

 V=piint_(-infty)^inftysech^2utanh^2udu=2/3pi,
(21)

这正好是通常球面的一半。

高斯曲率和平均曲率

K=-1
(22)
H=1/2(sinhu-cschu).
(23)

因此,伪球面具有与球面相同的体积,同时具有恒定的高斯曲率(而不是球面的恒定曲率),这导致了名称“伪球面”。伪球面的恒定曲率也使其成为双曲几何的局部部分模型,正如圆锥或圆柱体是平面欧几里得几何的局部部分模型一样。

伪球面上测地线的方程由下式给出

 cosh^2u+(v+c)^2=k^2.
(24)

另请参阅

漏斗, 加百列号角, 双曲几何, 曳物线

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参考文献

Fischer, G. (编). Plate 82 in Mathematische Modelle aus den Sammlungen von Universitäten und Museen, Bildband. Braunschweig, Germany: Vieweg, p. 77, 1986.Geometry Center. "The Pseudosphere." http://www.geom.umn.edu/zoo/diffgeom/pseudosphere/.Gray, A.; Abbena, E.; and Salamon, S. Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica, 3rd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 477 and 480, 2006.JavaView. "Classic Surfaces from Differential Geometry: Pseudo Sphere." http://www-sfb288.math.tu-berlin.de/vgp/javaview/demo/surface/common/PaSurface_PseudoSphere.html.Steinhaus, H. Mathematical Snapshots, 3rd ed. New York: Dover, p. 251, 1999.Wells, D. The Penguin Dictionary of Curious and Interesting Geometry. London: Penguin, pp. 199-200, 1991.

请引用本文为

Weisstein, Eric W. "Pseudosphere." 来自 MathWorld--Wolfram Web 资源. https://mathworld.net.cn/Pseudosphere.html

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