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高斯-波内定理

1848
  • Carl Friedrich Gauss
  • Pierre Ossian Bonnet
一位数学家的书房,内有羊皮纸和与高斯-波奈定理有关的几何图。

高斯-波奈定理将紧凑二维曲面的几何与拓扑联系起来。它指出,整个曲面 [latex]M[/latex] 上的高斯曲率积分 [latex]K[/latex] 等于曲面的欧拉特性 [latex]2\pi[/latex] 乘以欧拉特性 [latex]/chi(M)[/latex]。公式为 [latex]\int_M K \, dA = 2\pi \chi(M)[/latex].

高斯-波奈定理是一个非凡的陈述,它提供了曲面的局部几何特性与其全局拓扑结构之间的深层联系。等式左边的 [latex]\int_M K \, dA[/latex] 涉及对整个曲面的高斯曲率进行积分--这个量可以因点而异。这是一个纯粹的几何量。右边的 [latex]2\pi \chi(M)[/latex] 涉及欧拉特性,[latex]\chi(M) = V - E + F[/latex](顶点 - 边 + 面,适用于曲面的任意三角剖分),这是一个拓扑不变量。这意味着 [latex]\chi(M)[/latex] 在曲面连续变形的情况下不会改变;例如,球面总是有 [latex]\chi=2[/latex] ,环面总是有 [latex]\chi=0[/latex] ,无论它们如何拉伸或弯曲。

该定理意味着,无论怎样变形一个表面,总曲率都必须保持不变。如果在球面上形成一个凹陷(引入负曲率),就必须同时在其他地方形成正曲率更高的区域,以保持总积分等于 [latex]4\pi[/latex](因为 [latex]\chi(球面)=2[/latex])。对于环面来说,总曲率必须始终为零;任何正曲率区域都必须被负曲率区域完全平衡。这个定理是阿蒂亚-辛格索引定理(Atiyah-Singer index theorem)等更一般索引定理的先驱,它将高维度的分析不变式和拓扑不变式联系起来。

UNESCO Nomenclature: 1204
- 几何学

类型

抽象系统

中断

基础

使用方法

广泛使用

前体

  • 关于球面三角形面积的吉拉尔定理
  • 高斯关于本征曲率的著作(Theorema Egregium)
  • 欧拉多面体公式 (V - E + F = 2)
  • 积分微积分的发展

应用

  • 拓扑学(将几何性质(曲率)与拓扑不变量(欧拉特征)联系起来
  • 物理学
  • 计算机制图(用于网格处理和分析)
  • 机器人 (用于复杂表面的路径规划)

专利:

NA

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