高斯曲率和平均曲率

定义 1　

　　 给定一个正则曲面 $S$ 和其上一条正则曲线 $C$。任取 $p\in C$，记 $k$ 为 $C$ 在 $p$ 处的曲率，$n$ 为 $C$ 在 $p$ 处的单位法向量，$N$ 为 $S$ 在 $p$ 处的单位法向量，则定义 $k_n=kn\cdot N$ 为曲线 $C$ 在曲面 $S$ 上的法曲率（normal curvature）。

定理 1　Meusnier 定理

　　 给定正则曲面 $S$ 和其上一点 $p$，如果 $C_1$ 和 $C_2$ 是两条 $S$ 上过 $p$ 的曲线，且在 $p$ 点处二者有相同的切线，那么二者的法曲率相同。

定义 2　主曲率

　　 给定正则曲面 $S$ 和其上一点 $p$，由 Meusnier 定理，该点处每一个切线方向都唯一对应一个法曲率值。这些法曲率中的最大和最小值被称为 $S$ 在点 $p$ 处的主曲率（principal curvature），对应的方向则是主方向（principal direction）。

定义 3　曲率曲线

　　 如果曲面上一条曲线处处都是主方向，那么称其为曲面上的一条曲率曲线（line of curvature）。¹

定义 4　高斯曲率与平均曲率

　　 设曲面 $S$ 在 $p$ 处的主曲率为 $k_1$ 和 $k_2$，那么称 $K_p=k_1{k}_2$ 为曲面在该点处的高斯曲率（Gaussian Curvature），$H_p=\frac{k_1+k_2}{2}$ 为曲面在该点处的平均曲率（mean curvature）。

定义 5　

　　 对于曲面 $S$ 上的一点 $p$，我们有：

• 如果 $K_p>0$，则称 $p$ 是一个椭圆点（elliptic）；
• 如果 $K_p<0$，则称 $p$ 是一个双曲点（hyperbolic）；
• 如果 $K_p=0$ 但 $L_p\ne 0$，则称 $p$ 是一个抛物点（parabolic）；
• 如果 $L_p=0$，则称 $p$ 是一个平面点（planar）；

定理 2　

　　 对于曲面 $S$ 上的一点 $p$，如果 $p$ 是椭圆点，则存在 $S$ 上 $p$ 的邻域 $V$，使得 $V-\{p\}$ 的所有点都在 $T_{p}S$ 的同一侧；如果 $p$ 是双曲点，则对于 $S$ 上 $p$ 的任何邻域 $U$，$T_{p}S$ 的两侧总有 $U$ 的点。

定义 6　脐点

　　 对于曲面 $S$ 上的一点 $p$，如果 $k_1=k_2$，即所有方向都是主方向，那么称 $p$ 为 $S$ 上的一个脐点（umbilical point）。

定理 3　

　　 如果一个正则曲面 $S$ 上处处是脐点，那么 $S$ 必然是球面的一部分。此处将平面视为球面的特例。

定义 7　渐进曲线

　　 对于曲面 $S$ 上的一点 $p$，如果某个方向对应的法曲率为零，那么称这个方向是 $T_{p}S$ 上的渐进方向（asymptotic direction）。如果 $S$ 上一条正则曲线处处在渐进方向上，则称它为 $S$ 上的一条渐进曲线（asymptotic curve）。