高斯曲率的计算公式 高斯曲率绝妙定理2122LN M K k k EG F -==- 。

注意(,,)uu r r r L n r =⋅=r r r r r ，(,,)uv r r r M n r =⋅=r r ，(,,)vv r r r N n r =⋅=r r 。

所以22LN M K EG F-=- 2221[(,,)(,,)(,,)]()u v uu u v vv u v uv r r r r r r r r r EG F =--r r r r r r r r r ，利用行列式的转置性质和矩阵乘法性质，得2(,,)(,,)(,,)u v uu u v vv u v uv r r r r r r r r r -r r r r r r r r r(,,)(,,)u u v u v vv v u v uv uu uv r r r r r r r r r r r r⎛⎫⎛⎫ ⎪ ⎪=- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭r r r r r r r r r r r r u u u v u vv u u u v u uv v uv v v vv v u v v v uv uu uuu vuu vv uv uuv vuv uvr r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r ⋅⋅⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r ru vv u uv v vv v uv uu u uu v uu vv uv uuv v uv uvE F r r E F r r FGr r F Gr r r r r r r r r r r r r r ⋅⋅=⋅-⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅r r r r r rr r r r r r r r r r r r r ru vv u uv v vv v uv uu u uu v uu vv uv uv uv uuv v E F r r E F r r FGr r F Gr r r r r r r r r r r r r r ⋅⋅=⋅-⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r ，（其中用到行列式按第三行展开计算的性质。

）利用 u u r r E ⋅=r r ，u v r r F ⋅=r r，v v r r G ⋅=v v，可得12u uu u r r E ⋅=r r ，12u uv v r r E ⋅=r r，12v vu u r r G ⋅=v v ，12v vv v r r G ⋅=v v ，12v uu u v r r F E ⋅=-r r，12u vv v u r r F G ⋅=-r r。

由于()()uu vv uv uv uu vv u vvu u vvu uv uv r r r r r r r r r r r r ⋅-⋅=⋅+⋅-⋅+⋅r r r r r r r r r r r r()()u vv u u vu v r r r r =⋅-⋅r r r r11()()22v u u v v F G E =--1122vu uu vv F G E =-- ；或者uu vv uv uv r r r r ⋅-⋅r r r r()()uu v v v uv u r r r r =⋅-⋅r r r r11()()22u v v u u F E G =--1122uv vv uu F E G =-- ；于是得到221122111[]()22111111222222v u v v u u u vuv vv uu vu EF FG EF E K FG G F G G EG F E F E F E G E G -=----- (1)公式被称为高斯定理，且被誉为高斯绝妙定理。

将上式中的行列式按第三列展开，并化简，可得2221[(2)4()v v u v u K E E G F G G EG F =-+- (242)u v v u v v u v u u F E G E G E F F F F G +--+-2(2)u u u v v G E G E F E +-+22()(2)]vv uv uu EG F E F G ---+,(2)高斯绝妙定理断言一个曲面的高斯曲率可以只用第一类基本量及其导数表示，从而K 事实上是曲面的一个内蕴不变量。

高斯曲率用第一类基本量明确的表达式由 Brioschi 公式(1)给出。

存在等距对应的两曲面，曲面上对应点处的高斯曲率必相等。

球面片与平面片之间不存在等距对应。

u vv u uv v vv v uv uu u uu v uu vv uv uv uv uuv v E F r r E F r r FGr r F Gr r r r r r r r r r r r r r ⋅⋅⋅-⋅⋅⋅⋅-⋅⋅⋅r r r r r r r r r r r r r r r r r r r r12211222221211221211121111022uv vv uuE F EF F GF G F E G ΓΓ=Γ-ΓΓΓΓΓ--，122112222212221122121112111[]()11022uv vv uuE FEF K F GF G EG F F E G ΓΓ=Γ-Γ-ΓΓΓΓ-- 。

特别地，当曲面∑：(,)r r u v =v v上的坐标曲线网是正交网时， 0F =， 此时2110022111[00]()22111111222222u v v u u v vv uu v u EG E E K G G G G EG E E E G E G -=----211111111111[()()]()2222222222vv uu v v u u u u v v E GE GG E G G E G E G G E G E EG =--++---211[()()]24()vv uu v v u u u u v v E G EE G E G G EG G E GE EG EG =-+-+++, 即得211[()()]24()vv uu v v u u u u v v K E G EE G E G G EG G E GE EG EG =-+-+++,(3) 经过观察，通过凑微分，得到211[()()]24()vv uu v v u u u u v v E G EE G E G G EG G E GE EG EG -+-+++)()()]uu vv u u u v v v G E G EG E G E EG E G =+-+++111)()()]uu vv u u v v G E G EG E EG =-+-+11111]uu u u vv v v G E E =-++++111))]u u v v E =-+1]u v =-+ ，故有1]u v K =+，(4)（验算这个量的散度的动因，是在用测地曲率的刘维尔公式，推导高斯-波涅公式时，出现求散度的运算，导致两者的表达方式是一致的。

）[K u v ∂∂=+∂∂ 。

[K u u v ∂∂∂=+∂∂∂，21i i iKu=∂=∂∑。

如果曲面在参数坐标网(,)u v下的第一基本形式为222(,)[()()]u v du dvλI=+，则称此坐标网为等温参数网。

2,0E G Fλ===，]u vK=+21[()()]u vu vλλλλλ=-+21[(ln)(ln)]uu vvλλλ=-+21lnλλ=-∆，其中2222u v∂∂∆=+∂∂是关于变量,u v的Laplace算子.于是在曲面上取等温参数网(,)u v时，222(,)[()()]u v du dv λI =+，2E G λ==，其中(,)0u v λλ=>. 此时 21ln K λλ=-∆。

例 求第一基本形式为222222()du dv ds u v c +=++的曲面高斯曲率 。

解 因为2221,0()E GF u v c ===++ ， 所以]u v K =+()22222222222222()2()[]4()()v c u u c v u v c c u v c u v c -+--+-=-+++=++++。

例 求第一基本形式为22()(,)()du G u v dv I =+的曲面上的高斯曲率 。

由（3）式，得21124uu u u uu K G G G G G =-+= 。

半测地坐标网下， 高斯曲率的计算公式在2C 类曲面 ∑：(,)r r u v =v v上选一条测地线Γ为v --曲线：0u =；再取与Γ正交的测地线族为u --曲线，另取这测地线族的正交轨线为v --曲线，则得一半测地坐标网。

对于这个半测地坐标网而言，曲面的第一基本形式 可以简化为22()(,)()du G u v dv I =+，其中(,)G u v 满足条件(0,)1,(0,)0u G v G v == 。

在曲面上选取了半测地坐标网后，曲面的高斯曲率有如下的计算公式2K u ∂=∂ 。

常高斯曲率的曲面现在设曲面∑的高斯曲率是常数，即K =常数，则得微分方程220u∂+=∂ 。

根据初始条件：(0,)1,(0,)0u G v G v ==，我们可按以下不同情形求出这个微分方程的解。

（1） 正常数高斯曲率的曲面，0K >，((A v B v =+ 。

根据初始条件，可得()1,()0A v B v ==，于是cos =，222()cos()du dv I =+。

实例：考虑球心在原点，半径为R 的球面。

取赤道为最初给定的测地线，则所有经线是与赤道正交的测地线，所有纬线是这测地线族的正交轨线，因此球面上的经线和纬线构成半测地坐标网。

设球面上点的经度为v ，纬度为u ， 则球面的参数表示是 (cos cos ,cos sin ,sin )r R u v u v u =v。

(sin cos ,sin sin ,cos )u r R u v u v u =--v， (cos sin ,cos cos ,0)v r R u v u v =-v，2,0,u u u v E r r R F r r =⋅==⋅=v v v v22cos v v G r r R u =⋅=v v，22222()cos ()R du R u dv I =+。

在球面上重新选择参数，命 ,u Ru v Rv == 于是222()cos ()u du dv RI =+， 高斯曲率2211(cos )cos u K u u R R R∂''=-=-=∂ ，因此得到222()cos)du dv I =+，所以正常数高斯曲率的曲面的第一基本形式与球面的相同。