Друга квадратична форма
Друга квадратична форма в диференціальній геометрії це квадратична форма на дотичній площині гладкої поверхні в тривимірному евклідовому просторі, зазвичай позначається . Разом з першою фундаментальною формою, вона використовується для визначення зовнішніх інваріантів поверхні та її головних кривин. Поняття другої квадратичної форми узагальнюється на гладкі гіперповерхні в рімановому многовиді.
Випадок поверхні в
Мотивація
Друга фундаментальна форма параметрично заданої поверхні в була введена і вивчена Гаусом. Припустимо спочатку, що графіком поверхні є двічі безперервно диференційована функція , і, що площина буде дотичною площиною до поверхні в початку координат. Тоді і його часткова похідна по відношенню до і обернеться в нуль в . Таким чином, ряд Тейлора функції в точці починається з квадратичних членів:
- доданки вищого порядку
і друга фундаментальна форма на початку координат в координатах , є квадратична форма
Для гладкої точки на , можна вибрати систему координат таким чином, щоб площина проходила була дотичною до поверхні в точці , тому можна визначити другу фундаментальну форму таким же чином.
Класичний запис
Друга фундаментальна форма загальної параметрично заданої поверхні визначається наступним чином. Нехай буде регулярною параметризацією поверхні в , де є гладкою вектор-функцією від двох змінних. Вона є спільною для часткових похідних по і , які позначаються як і . Регулярність параметризації і , означає, що вони лінійно незалежні для будь-якої точки в області , і, отже, породжують дотичну площину в кожній точці. Це рівнозначно тому, що векторний добуток буде ненульовим вектором нормалі до поверхні. Таким чином, параметризація визначає поле одиничного вектора нормалі :
Друга квадратична форма -мірної поверхні
Друга квадратична форма -мірної поверхні, вкладеної в простір , — квадратична форма, що задає нормальну кривину. Нехай — нормальний вектор в точці , а — локальна карта поверхні в точці .Тоді друга квадратична форма обчислюється за формулою .
Нормальна кривина за напрямом обчислюється за формулою , де — перша квадратична форма.
Теорема. Всі лінії на поверхні, що проходять через точку поверхні зі спільною дотичною, мають одну і ту ж нормальну кривину. Відзначимо також, що в так званих Нормальних перетинах поверхні, що проходять через вектор нормалі, напрям цього вектора збігається з напрямком головної нормалі до лінії на поверхні, що лежить в цьому перетині, так що нормальна кривина збігається з кривиною цієї лінії. Зазвичай радіус кривини нормального перетину поверхні береться з протилежним знаком.