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
域上的開(kāi)區(qū)間
內(nèi)的元素绊茧,轉(zhuǎn)換成
域內(nèi)的元素的可微映射铝宵,記作
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
是可微參數(shù)曲線,那么它的一階導(dǎo)數(shù)
就是曲線
在點(diǎn)
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
是可微參數(shù)曲線耙厚,其一階導(dǎo)數(shù)在整個(gè)定義域
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:
這里不用來(lái)表示是因?yàn)檫@個(gè)公式中只有一個(gè)變量那就是
,而
是積分的上限呆细,其余的比如
型宝,
在這個(gè)式子中都不是變量。所以
本質(zhì)上是一個(gè)關(guān)于積分上限
的函數(shù)絮爷。
我們不妨這么來(lái)看趴酣,令,則積分等式右邊變成了
坑夯,然后
積分之后變成
岖寞,于是弧長(zhǎng)計(jì)算公式就變成:
也就是,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
的函數(shù)仗谆。
還有一點(diǎn)要注意的是,對(duì)積分之后淑履,跟
沒(méi)有半毛錢(qián)關(guān)系隶垮,也就是說(shuō)
不能表示成
,取
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
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:
令
是一條正則參數(shù)曲線,其參數(shù)為
字逗,且參數(shù)
恰好是曲線的弧長(zhǎng)京郑,那么曲線
的曲率是
,記作
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)是吧鸠信,這個(gè)
不是弧長(zhǎng)。我可以找到一條曲線
论寨,使得這個(gè)
正好是
的弧長(zhǎng)星立。并且,這個(gè)
和
是同一條曲線葬凳!然后绰垂,曲率的定義就可以在
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
的曲率也就是
的曲率辕坝。
以弧長(zhǎng)為參數(shù)的曲線還有一個(gè)好處,就是和
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
,這個(gè)正好等于
江场,也就是說(shuō)
正好是1纺酸,并且恒等于1。即
成立址否。那么我們可以得到餐蔬,對(duì)等式兩邊求導(dǎo)(運(yùn)用乘積公式)得
碎紊,化簡(jiǎn)得
也就是說(shuō)與
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,如果越大顿膨,那么這條曲線在點(diǎn)
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)
增加一個(gè)微小量
之后必搞,曲線
在垂直于
的方向上(也就是
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,曲率是沿著方向彎曲的程度,
與
垂直梅割,也就是說(shuō)
和
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
是以弧長(zhǎng)為參數(shù)的正則曲線扯俱,
书蚪,則其曲率為
令,即迅栅,
是單位
殊校,則
由等式1可以推導(dǎo)得到:
顯然,是單位向量读存。那么就有
對(duì)式2兩邊求導(dǎo)可得很明顯为流,
和
是線性相關(guān)的,所以它們的叉積是
向量让簿,所以敬察,我們的等式可以化簡(jiǎn)為
通過(guò)觀察等式3和等式4我們可以知道,與
是垂直的尔当,
與
是垂直的莲祸,在觀察等式2就可以得出結(jié)論
與
是線性相關(guān)的,也就是說(shuō)
可以表示成
這個(gè)就是曲線的擾率!
很復(fù)雜的推理過(guò)程锐帜,比要復(fù)雜地多田盈。擾率的幾何意義是,在垂直于
和
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)
的子集
,如果對(duì)于
上的每一點(diǎn)
西饵,都可以找到一個(gè)鄰域
(
)酝掩,和一個(gè)映射
,其中
是
上的開(kāi)集眷柔,
是
和
的交集期虾,顯然
,滿足如下的條件:
1驯嘱、是可微的镶苞。這就表示
的各階偏導(dǎo)數(shù)都存在。
2鞠评、是同胚映射茂蚓。和條件1結(jié)合起來(lái),這就意味著
有一個(gè)逆映射
使得
剃幌,并且
是連續(xù)的聋涨。
3、對(duì)每一個(gè)负乡,微分運(yùn)算
是一一對(duì)應(yīng)的牛郑。
那么,這個(gè)子集就是一個(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,上的一點(diǎn)
的鄰域
是一個(gè)球诊杆,它和
的交集就是
的一個(gè)子集(注意還不能認(rèn)為
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,
的這個(gè)子集和
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,
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:
令
是一個(gè)正則參數(shù)曲面,則點(diǎn)
處的切線空間是向量
和
所張成的向量空間曙聂,其中
晦炊,
分別是
關(guān)于
,
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:
令
是正則曲面
在點(diǎn)
處的向量空間中的一個(gè)向量,則曲面的第一基本形式為:
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)正則曲面语稠,它上面有一條參數(shù)曲線
,點(diǎn)
處的第一基本形式是:
其中弄砍,
所以仙畦,在點(diǎn)
處的第一基本形式是:
。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
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
是正則曲面忠荞,在點(diǎn)
處的標(biāo)準(zhǔn)單位法線為
蒋歌,則曲面
在點(diǎn)
處的第二基本形式是
,其中
委煤,
是
關(guān)于
的二階偏導(dǎo)數(shù)堂油,依次類(lèi)推。
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
對(duì)兩邊求導(dǎo)可得
這就說(shuō)明
這就是說(shuō)
沒(méi)錯(cuò)喝滞,就是這么巧。也就是說(shuō)
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