【PBRT】補(bǔ)充知識(shí)——曲線和曲面的微分幾何

pbrt的實(shí)現(xiàn)中,對(duì)球體進(jìn)行了建模判族,而球的表面是曲面躺盛,所以,表示球面就用到了球的曲面參數(shù)方程形帮。不僅如此槽惫,反走樣技術(shù)中用到了曲面的其他屬性(比如說(shuō)曲率),所以沃缘,我就專(zhuān)門(mén)學(xué)了曲線和曲面的相關(guān)知識(shí)躯枢,在此做一個(gè)總結(jié),復(fù)習(xí)學(xué)到的內(nèi)容槐臀,并且希望能對(duì)想要連接曲線和曲面相關(guān)知識(shí)的讀者有所幫助锄蹂。

由于作者水平所限,文中如果有錯(cuò)誤或者沒(méi)有解釋到位的地方水慨,還請(qǐng)讀者不吝指正得糜。

本文主要討論的內(nèi)容是:可微參數(shù)曲線的定義敬扛、曲線的曲率、曲線的擾率朝抖、正則曲面的定義啥箭、第一基本形式、第二基本形式治宣。

可微參數(shù)曲線

在實(shí)踐過(guò)程中急侥,我們要處理的大多數(shù)曲線都是參數(shù)曲線,而且都是可微的侮邀,所以坏怪,給一個(gè)參數(shù)曲線的定義不如給一個(gè)可微參數(shù)曲線的定義。下面是可微參數(shù)曲線的定義:

可微參數(shù)曲線是一種將R域上的開(kāi)區(qū)間I = (a, b)內(nèi)的元素绊茧,轉(zhuǎn)換成R^3域內(nèi)的元素的可微映射铝宵,記作\alpha : I \to R^3

從定義中可以看出,曲線本質(zhì)上是一種對(duì)應(yīng)關(guān)系华畏,這種對(duì)應(yīng)可以看成是一種函數(shù)鹏秋,把一維空間中的元素映射到三維空間中去。那么顯示生活中亡笑,啥東西是一維的呢侣夷?想來(lái)想去,只有一個(gè)東西是一維的仑乌,那就是時(shí)間惜纸!所以,參數(shù)曲線也可以看成是绝骚,一個(gè)點(diǎn)在三維空間中隨著時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡耐版!

來(lái)看一個(gè)參數(shù)曲線的例子——螺旋線


螺旋線的參數(shù)方程是,其中和都是標(biāo)量压汪。

曲線的切向量

曲線在某一點(diǎn)的切線意味著其在當(dāng)前點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向和速度粪牲,對(duì)研究曲線來(lái)說(shuō),切向量非常重要止剖,幾乎所有的定理或者公式都有切向量腺阳,所以,它是既曲線的定義之后穿香,第二大重要的概念亭引。

切向量的定義是:

如果曲線\alpha(t)是可微參數(shù)曲線,那么它的一階導(dǎo)數(shù)\alpha'(t)就是曲線\alpha在點(diǎn)t出的切向量皮获。

這個(gè)很容易理解焙蚓,在學(xué)習(xí)微積分的時(shí)候,如何理解導(dǎo)數(shù)就是瞬時(shí)速度(雖然瞬時(shí)速度在現(xiàn)實(shí)生活中是不存在的),在一小段時(shí)間內(nèi)购公,小車(chē)行駛的距離與這段時(shí)間的比值萌京,不斷將這段時(shí)間縮短,取其極限就成了瞬時(shí)速度宏浩。把這個(gè)概念用到曲線上知残,曲線的切向量就是這樣推導(dǎo)出來(lái)的(上圖中的\alpha'(t)就是t點(diǎn)的切向量)。

曲線的弧長(zhǎng)

計(jì)算曲線的弧長(zhǎng)需要用到曲線的切向量比庄,如果曲線在某一點(diǎn)沒(méi)有切向量求妹,這種曲線我們沒(méi)法處理,而之前定義的可微參數(shù)曲線就解決了這個(gè)問(wèn)題佳窑,可微參數(shù)曲線保證曲線是處處可導(dǎo)的(有切向量)扒最。

但是光可微還不夠,我們還需要一個(gè)條件华嘹,那就是曲線的一階導(dǎo)數(shù)不為0。這就引出了正則曲線的定義法竞。

如果\alpha(t) : I \to R^3是可微參數(shù)曲線耙厚,其一階導(dǎo)數(shù)在整個(gè)定義域I上處處不為0,我們就說(shuō)這條曲線是正則曲線岔霸。

然后薛躬,弧長(zhǎng)的計(jì)算公式如下:

s(t) = \int_{t_0}^{t}|\alpha'(u)|du

這里不用a(t)來(lái)表示是因?yàn)檫@個(gè)公式中只有一個(gè)變量那就是t,而t是積分的上限呆细,其余的比如t_0型宝,u在這個(gè)式子中都不是變量。所以s(t)本質(zhì)上是一個(gè)關(guān)于積分上限t的函數(shù)絮爷。

我們不妨這么來(lái)看趴酣,令f(u) = |a'(u)|,則積分等式右邊變成了\int_{t_0}^{t}f(u)du坑夯,然后f(u)積分之后變成F(u)岖寞,于是弧長(zhǎng)計(jì)算公式就變成:
s(t) = \left.F(u)\right|_{t_0}^{t}
也就是s(t)=F(t) - F(t_0),因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=t_0" alt="t_0" mathimg="1">是一個(gè)常量柜蜈,所以整個(gè)式子就是一個(gè)關(guān)于t的函數(shù)仗谆。

還有一點(diǎn)要注意的是,對(duì)|\alpha'(u)|積分之后淑履,跟\alpha(u)沒(méi)有半毛錢(qián)關(guān)系隶垮,也就是說(shuō)\int_{t_0}^{t}|\alpha'(u)|du不能表示成\left.|\alpha(u)|\right|_{t_0}^{t},取\alpha'(u)的長(zhǎng)度會(huì)把表達(dá)式變成一個(gè)完全不同的函數(shù)秘噪,和\alpha(u)不再有什么關(guān)系狸吞。

曲線的曲率

對(duì)一條曲線來(lái)說(shuō),我們很自然地會(huì)去考慮,這條曲線到底有多“曲”捷绒?那么瑰排,在數(shù)學(xué)上,怎么表示這個(gè)彎曲程度呢暖侨?答案是:曲率椭住。

下面是曲率的定義:

\alpha:I \to R^3是一條正則參數(shù)曲線,其參數(shù)為s字逗,且參數(shù)s恰好是曲線的弧長(zhǎng)京郑,那么曲線\alpha(s)的曲率是|\alpha''(s)|,記作\kappa(s)葫掉。

乍一看些举,曲率的定義過(guò)于苛刻了,因?yàn)樗笄€的參數(shù)正好是其弧長(zhǎng)俭厚,這點(diǎn)似乎很難辦到户魏,但是我們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,這點(diǎn)還是比較容易辦到的挪挤,因?yàn)椋?/p>

對(duì)于任何正則參數(shù)曲線來(lái)說(shuō)叼丑,都可以把它化作以弧長(zhǎng)為參數(shù)的形式。

也就是說(shuō)如果我有一條曲線扛门,就說(shuō)是\alpha(t)吧鸠信,這個(gè)t不是弧長(zhǎng)。我可以找到一條曲線\beta(s)论寨,使得這個(gè)s正好是\alpha(t)的弧長(zhǎng)星立。并且,這個(gè)\beta(s)\alpha(t)是同一條曲線葬凳!然后绰垂,曲率的定義就可以在\beta(s)上應(yīng)用了,因?yàn)樗?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%5Calpha(t)" alt="\alpha(t)" mathimg="1">是同一條曲線火焰,所以\beta(s)的曲率也就是\alpha(t)的曲率辕坝。

以弧長(zhǎng)為參數(shù)的曲線還有一個(gè)好處,就是\alpha''(s)\alpha'(s)是垂直的荐健。因?yàn)榧偃缥覀冇没¢L(zhǎng)計(jì)算公式去計(jì)算的話酱畅,我們得到的結(jié)果是S(s)=\int_{s_0}^{s}|\alpha'(u)|du,這個(gè)正好等于s江场,也就是說(shuō)|\alpha'(u)|正好是1纺酸,并且恒等于1。即
|\alpha'(s)|=1
成立址否。那么我們可以得到\alpha'(s) \bullet \alpha'(s)=1餐蔬,對(duì)等式兩邊求導(dǎo)(運(yùn)用乘積公式)得\alpha''(s)\bullet\alpha'(s)+\alpha'(s)\bullet\alpha''(s)=0碎紊,化簡(jiǎn)得\alpha''(s)\bullet\alpha'(s)=0
也就是說(shuō)\alpha''(s)\alpha'(s)是垂直的。

曲率的幾何意義

現(xiàn)在我們知道曲線有多“曲”了樊诺,它的彎曲程度是\kappa(s)仗考,這是一個(gè)標(biāo)量。那么词爬,它的幾何意義是什么秃嗜?

我們可以很直觀地想到,如果\kappa(s)越大顿膨,那么這條曲線在點(diǎn)s的附近就會(huì)越彎曲锅锨。所以,曲率的幾何意義就是恋沃,當(dāng)s增加一個(gè)微小量\Delta{s}之后必搞,曲線\alpha(s)在垂直于\alpha'(s)的方向上(也就是\alpha''(s)方向上)增加了多少。這與我們對(duì)彎曲程度的概念是一致的囊咏!

曲線的擾率

對(duì)曲線來(lái)說(shuō)恕洲,曲率是沿著\alpha''(s)方向彎曲的程度,\alpha''(s)\alpha'(s)垂直梅割,也就是說(shuō)\alpha''(s)\alpha'(s)共同組成了一個(gè)平面霜第。曲率是曲線在這個(gè)平面上的變化程度。

那么炮捧,如果我的曲線\alpha(s)是三維空間中的一條曲線,只有曲率怕是不夠的吧惦银?沒(méi)錯(cuò)咆课,這就引出了另一個(gè)概念:擾率

下面是關(guān)于擾率的計(jì)算過(guò)程:

令曲線\alpha(s)是以弧長(zhǎng)為參數(shù)的正則曲線扯俱,t(s)=\alpha'(s)书蚪,則其曲率為\kappa(s)=|\alpha''(s)|=|t'(s)|
n(s)=\frac{1}{\kappa(s)}\alpha''(s)=\frac{t'(s)}{|t'(s)|},即迅栅,n(s)是單位\alpha''(s)殊校,則
b(s)=t(s)\times{n(s)} \quad\quad (1)
由等式1可以推導(dǎo)得到:
n(s)=b(s)\times{t(s)} \quad\quad (2)
顯然,b(s)是單位向量读存。那么就有
b'(s)\bullet{b(s)}=0 \quad\quad (3)
對(duì)式2兩邊求導(dǎo)可得b'(s)=t'(s)\times{n(s)}+t(s)\times{n'(s)}很明顯为流,t'(s)n(s)是線性相關(guān)的,所以它們的叉積是0向量让簿,所以敬察,我們的等式可以化簡(jiǎn)為
b'(s)=t(s)\times{n'(s)} \quad\quad (4)
通過(guò)觀察等式3和等式4我們可以知道,b'(s)b(s)是垂直的尔当,b'(s)t(s)是垂直的莲祸,在觀察等式2就可以得出結(jié)論b'(s)n(s)是線性相關(guān)的,也就是說(shuō)b'(s)可以表示成
b'(s) =\tau{n(s)}
這個(gè)\tau就是曲線的擾率

很復(fù)雜的推理過(guò)程锐帜,比\kappa要復(fù)雜地多田盈。擾率的幾何意義是,在垂直于\alpha'(s)\alpha''(s)形成的平面的方向上缴阎,曲線的“彎曲”程度允瞧,也就是空間的第三個(gè)維度上的變化情況。


就是上圖中方向上的變化情況药蜻。

正則曲面的定義

同樣瓷式,從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),跟找曲面的意義相比语泽,找正則曲面的意義更大贸典。所以,下面要給出正則曲面的定義踱卵,說(shuō)實(shí)話廊驼,正則曲面的定義比曲線的定義復(fù)雜很多,但是惋砂,復(fù)雜就不學(xué)了嗎妒挎?

正則曲面的定義如下:

假設(shè)有一個(gè)R^3的子集S,如果對(duì)于S上的每一點(diǎn)p西饵,都可以找到一個(gè)鄰域VV\subset{R^3})酝掩,和一個(gè)映射x:U\to{V}\cap{S},其中UR^2上的開(kāi)集眷柔,V\cap{S}VS的交集期虾,顯然V\cap{S}\subset{R^3},滿足如下的條件:
1驯嘱、x是可微的镶苞。這就表示x(u,v)的各階偏導(dǎo)數(shù)都存在。
2鞠评、x是同胚映射茂蚓。和條件1結(jié)合起來(lái),這就意味著x有一個(gè)逆映射x^{-1}使得V\cap{S}\to{U}剃幌,并且x^{-1}是連續(xù)的聋涨。
3、對(duì)每一個(gè)q\in{U}负乡,微分運(yùn)算dx_q:R^2\to{R}^3是一一對(duì)應(yīng)的牛郑。
那么,這個(gè)子集S就是一個(gè)正則曲面敬鬓。


研究研究定義就可以發(fā)現(xiàn)淹朋,數(shù)學(xué)上的曲面定義好苛刻啊笙各。最苛刻的地方在于,它必須要有的映射關(guān)系础芍,如果我們憑空繪制一個(gè)曲面杈抢,哪來(lái)的這種關(guān)系可以對(duì)應(yīng)?更何況這映射還需要滿足3個(gè)條件仑性!

我們來(lái)仔細(xì)看看正則曲面的定義惶楼。首先,S上的一點(diǎn)p的鄰域V是一個(gè)球诊杆,它和S的交集就是S的一個(gè)子集(注意還不能認(rèn)為S是一個(gè)曲面歼捐,所以交集就不能認(rèn)為是一個(gè)面片)。然后晨汹,S的這個(gè)子集和U有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系豹储。最后,這種對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要滿足1,2,3的條件淘这。如此這般之后剥扣,S才能被稱(chēng)為是一個(gè)正則曲面。

第一基本形式

想要定義第一基本形式铝穷,先得定義曲面的切線空間的概念钠怯。

下面定義切線空間:

x(u,v)是一個(gè)正則參數(shù)曲面,則點(diǎn)p\in{S}處的切線空間是向量x_ux_v所張成的向量空間曙聂,其中x_u晦炊,x_v分別是x關(guān)于uv的偏導(dǎo)數(shù)宁脊。

有了切線空間的定義断国,我們就能定義曲面的第一基本形式了:

w是正則曲面S在點(diǎn)p處的向量空間中的一個(gè)向量,則曲面的第一基本形式為:<w, w>朦佩,其中<,>符號(hào)表示兩個(gè)向量的內(nèi)積并思。

上面這個(gè)定義不好理解庐氮,我們舉個(gè)例子說(shuō)明一下就好了:
假設(shè)我們有一個(gè)正則曲面S语稠,它上面有一條參數(shù)曲線\alpha(t)=x(u(t), v(t)),點(diǎn)p=\alpha(0)=x(u_0, v_0)處的第一基本形式是:
<\alpha'(0), \alpha'(0)>\quad=\quad<x_u{u'} + x_v{v'}, x_u{u'}+x_v{v'}>
\quad=\quad<x_u, x_u>(u')^2 + 2<x_u, x_v>u'v'+<x_v, x_v>(v')^2
=E(u')^2+2Fu'v'+G(v')^2
其中弄砍,
E\quad=\quad<x_u,\quad x_u>
F\quad=\quad<x_u,\quad x_v>
G\quad=\quad<x_v,\quad x_v>
所以仙畦,S在點(diǎn)p處的第一基本形式是:E(u')^2+2Fu'v'+G(v')^2。通常音婶,我們都把這種樣子的東西叫做第一基本形式慨畸,而E,F,G被稱(chēng)為第一基本形式的系數(shù)!

注意:雖然有一些資料上說(shuō)是曲面的第一基本形式衣式,但是這是錯(cuò)誤的叫法寸士,曲面根本就沒(méi)有什么第一基本形式檐什,這只是曲面上的一點(diǎn)的第一基本形式,因?yàn)槲覀兺耆梢钥闯鋈蹩ǎ@個(gè)式子計(jì)算出來(lái)的是一個(gè)標(biāo)量乃正,根本就不是曲面上的點(diǎn)!

第一基本形式的作用是計(jì)算曲面上曲線的長(zhǎng)度婶博,兩條曲線交點(diǎn)切向量的夾角瓮具,或是某一塊曲面片的面積。

第二基本形式

同第一基本形式一樣凡人,第二基本形式也不是曲面的名党,而是曲面上一點(diǎn)的。第二基本形式的幾何意義是挠轴,曲面在當(dāng)前這個(gè)點(diǎn)上的曲率是多少传睹,也就是曲面在這點(diǎn)上有多“曲”。

第二基本形式的計(jì)算方法如下:

令曲面S=x(u,v)是正則曲面忠荞,在點(diǎn)p處的標(biāo)準(zhǔn)單位法線為\mathrm{N}=\frac{x_u\times{x_v}}{|x_u\times{x_v}|}蒋歌,則曲面S在點(diǎn)p處的第二基本形式是edu^2+2fdudv+gdv^2,其中e=x_{uu}\bullet \mathrm{N},f=x_{uv}\bullet \mathrm{N},g=x_{vv}\bullet\mathrm{N}委煤,x_{uu}x關(guān)于u的二階偏導(dǎo)數(shù)堂油,依次類(lèi)推。e, f, g被稱(chēng)為第二基本形式的系數(shù)碧绞。

從式子中也可以看出來(lái)府框,這玩意兒就是一個(gè)標(biāo)量而已。所以讥邻,我不喜歡把它叫成曲面的第二基本形式迫靖,因?yàn)檫@會(huì)產(chǎn)生很大的歧義,仿佛這是曲面的表達(dá)式似的兴使。

第二基本形式的產(chǎn)生思路是這樣子的系宜。前面我們研究曲線的時(shí)候,計(jì)算了曲線的曲率发魄,有了一個(gè)量來(lái)表示曲線有多“曲”盹牧,那么自然地,我們也會(huì)想知道一個(gè)曲面有多“曲”励幼,這就引出了第二基本形式汰寓。

第二基本形式是曲面上兩點(diǎn)之間,法向量方向上的距離苹粟,如下圖所示:


下面來(lái)推導(dǎo)這個(gè)第二基本形式有滑。首先,假設(shè)曲面的參數(shù)形式是嵌削,曲面上一點(diǎn)p的坐標(biāo)是毛好,我們要求圖中d的長(zhǎng)度:望艺,這個(gè)公式非常簡(jiǎn)單。難的是下面這步:
我們可以把用泰勒多項(xiàng)式展開(kāi)肌访,得到在點(diǎn)(0,0)附近的曲面的近似多項(xiàng)式曲面荣茫,就會(huì)得到:

其中是余項(xiàng)。當(dāng)u和v的值趨近于0的時(shí)候场靴,余項(xiàng)可以舍棄掉啡莉。
于是,我們得到

將這個(gè)式子帶入到求的公式中


因?yàn)榉ㄏ蛄看怪庇谇衅矫嬷及院偷闹刀际?咧欣,可以消去,所以我們得到了上面的式子轨帜。把放到括號(hào)里去魄咕,然后微小變化量我們通常用表示,就得到了第二基本形式

另一種第二基本形式的表示方式

另外一種第二基本形式的表示方式蚌父,可以說(shuō)是一種巧合哮兰,因?yàn)樗鼪](méi)有什么幾何意義。我們來(lái)看:
因?yàn)?img class="math-inline" src="https://math.jianshu.com/math?formula=%3Cx_u%2C%20N%3E%3D0" alt="<x_u, N>=0" mathimg="1">苟弛,對(duì)這個(gè)式子兩邊求導(dǎo)我們可以得到
<x_{uu}, N> + <x_u, N_u> = 0
<x_{uv}, N> + <x_u, N_v> = 0
對(duì)<x_v, N>=0兩邊求導(dǎo)可得
<x_{vu}, N> + <x_v, N_u>=0
<x_{vv},N>+<x_v, N_v>=0
這就說(shuō)明
e=<x_{uu},N>=-<x_u,N_u>
f=<x_{uv},N>=-<x_u,N_v>=-<x_v,N_u>
g=<x_{vv},N>=-<x_v,N_v>
這就是說(shuō)
-dx*dN=-(x_udu+x_vdv)*(N_udu+N_vdv)
-dx*dN=-x_uN_udu^2+(-x_uN_v)dudv+(-x_vN_u)dudv+(-x_vN_v)dv^2=Ldu^2+2Mdudv+Ndv^2
沒(méi)錯(cuò)喝滞,就是這么巧。也就是說(shuō)
-dx*dN
也是第二基本形式膏秫。

為啥沒(méi)意義呢右遭?因?yàn)閐x可以看成是x的某一個(gè)切向量,而dN可以看成是N的切向量(如果N看成是一個(gè)單位球的曲面的話缤削,也可以說(shuō)是高斯映射窘哈,當(dāng)然,這是不正經(jīng)定義)亭敢,那么兩個(gè)切向量的點(diǎn)積滚婉,還要求相反數(shù),這就沒(méi)有啥意義了帅刀。當(dāng)然让腹,這只是我個(gè)人的理解,如果讀者有更好的理解的話劝篷,請(qǐng)留言告訴我哨鸭,謝謝民宿!

總結(jié)

說(shuō)實(shí)話娇妓,這些定義都是非常基本的但是要理解這些東西也并不容易活鹰,其中的有一些概念可以擴(kuò)展延伸成更有用的概念哈恰,在這里就不整理了只估,因?yàn)椋灰@些基本的概念在着绷,就不虛蛔钙!

參考資料

Differential Geometry of Curves and Surfaces, by do Carmo
Elemetary Diffential Geometry Second Edition, by Andrew Pressley

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?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
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