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考研全科400分攻略
微分几何
第7次开课
开课时间: 2025年02月17日 ~ 2025年06月30日
学时安排: 4小时
进行至第13周,共20周 已有 380 人参加
立即参加
课程详情
课程评价(163)
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—— 课程团队
课程概述

    微分几何学是一门古老而又现代的学科,除了具有重要的理论价值,在工程建筑、工业设计以及计算机图像处理等方面均有广泛应用。因此,《微分几何》 是一门面向数学专业本科生开设的重要专业课程。


    本课程主要讲述三维欧氏空间中曲线和曲面几何的(局部)理论与内蕴几何学,主要内容覆盖教材(《微分几何》,彭家贵,陈卿,高等教育出版社,2002年)的第一章至第五章第5节(2021年第2版变动不大,更正了一些错误,已在本课程中提及)。学生也可参考其他教材,如《微分几何初步》(陈维桓编,北京大学出版社,1990)、《Differential geometry of curves and surfaces》( Manfredo P. do Carmo, Prentice Hall, 1976)等。


    通过学习本课程,我们希望学生:

    1. 掌握微分几何的基本观点和基本方法,特别是如何利用自然标架和正交标架研究曲面的几何;

    2. 提高自己的抽象思维、逻辑推理、计算和解决实际问题等各种能力,为更深入地学习现代微分几何学打下基础,或为投身工程建设、工业设计以及计算机图形图像处理等需要大量微分几何知识的实际领域做好准备;

    3. 在学习中体会并巩固完善马克思主义哲学的世界观和方法论,培养优秀品质,陶冶高尚情操,塑造健全人格:例如体会“从实践中来、到实践中去”的实践论,学习归纳与演绎的研究方法,认识现象与本质、整体与部分、运动与静止的辩证统一;锻炼科学质疑、严谨求实、刻苦钻研的精神;欣赏数学之美和数学之用,品味数学家的为学之道和爱国奉献精神。


    本门课程全程采用平板电脑手写录屏,以便详细展示各种推导过程,期间适当穿插几何图形、形变动画和多媒体资料;教师不出镜。我们对某些章节的顺序进行了适当调整;也对某些内容进行了扩充,为学生今后进一步学习微分流形和黎曼几何等课程埋下伏笔。

课程大纲
欧氏空间
课时目标:理解向量空间和3维欧氏空间的概念,熟练运用向量分析中的内积、外积、混合积,梯度、旋度、散度运算性质;理解并掌握3维欧氏空间中的正交标架与合同变换。本章属于准备知识,是后面学习的基础。
1-1-1-代数角度看欧氏空间的向量及其运算
1-1-2-三维欧氏空间中关于向量运算的恒等式
1-1-3-向量分析的基本运算性质和场论基本公式
1-2-1-几何角度看欧氏空间的向量及其运算
1-2-2-坐标与坐标变换
1-2-3-合同变换及其刻画I
1-2-4-合同变换及其刻画II
曲线的局部理论
课时目标:掌握平面或空间曲线的定义,熟练掌握弧长参数、曲率、挠率等概念;能熟练计算参数曲线的长度、曲率、挠率等几何量;理解曲线的运动方程及Frenet标架;了解曲线论基本定理,并牢记常见曲线的例子及性质,如直线、圆周、圆柱螺线等。
2-1-1-曲线的定义和例子
2-2-1-平面曲线的 Frenet 公式及常曲率平面曲线的局部分类
2-2-2-从高斯映照看平面曲线的曲率和一道计算例题
2-3-1-空间曲线的 Frenet 标架
2-3-2-标架的运动方程及曲率和挠率
2-3-3-挠率为0的空间曲线
2-3-4-圆柱螺线的曲率和挠率
2-3-5-渐进展开与局部近似
2-4-1-曲线的再参数化和弧长参数的唯一性
2-4-2-弧长参数曲率挠率在刚体运动下不变
2-4-3-曲线论基本定理的证明之唯一性
2-4-4-曲线论基本定理的证明之存在性
2-4-5-常曲率挠率曲线的局部分类
曲面的局部理论
课时目标:掌握曲面的定义;能熟练计算参数曲面的第一基本形式与第二基本形式、法曲率、主曲率、Gauss曲率、平均曲率等几何量;理解Weingarten变换的几何意义;掌握某些类型的曲面的例子、分类及性质,如旋转曲面、直纹面、可展曲面、全脐点曲面等。
3-1-1-正则曲面的定义
3-1-2-曲面的局部坐标及参数变换
3-1-3-1-曲面参数化例子1:局部图和等值面
3-1-3-2-曲面参数化例子2:旋转曲面
3-1-3-3-曲面参数化例子3:球面的球极投影
3-1-4-曲面的切平面和法线
3-1-5-等值面的切平面和法线
3-1-6-切平面和法线与参数选取无关
3-2-1-第一基本形式的引入和定义
3-2-2-第一基本形式与参数选取无关
3-2-3-计算第一基本形式之两个例子
3-3-1-第二基本形式的引入和定义
3-3-2-计算第二基本形式之两个例子
3-3-3-第二基本形式与参数选取无关
3-3-4-第一第二基本形式在合同变换下不变
3-3-5-第二基本形式与曲面形状
3-3-6-小结和附注
3-4-1-曲面上曲线曲率的分解与法曲率的定义
3-4-2-法曲率的定义(续)
3-4-3-法曲率的几何直观和不变性质
3-4-4-法曲率的计算例子之平面球面圆柱面
3-4-5-法曲率计算之二次曲面法曲率与曲面局部形状
3-5-1-法向量的变化率和Weingarten变换的定义
3-5-2-Weingarten变换不依赖于同向参数的选取
3-5-3-Weingarten变换与法曲率的关系
3-5-4-Weingarten变换是自共轭变换
3-5-5-主曲率高斯曲率和平均曲率的定义
3-5-6-主曲率是主方向的法曲率和曲面相关计算步骤小结
3-5-7-主曲率与法曲率的关系之Euler公式
3-5-8-高斯映照与高斯曲率
3-5-9-曲面的二阶近似和脐点的定义及分类
3-6-1-全脐点曲面的定义及其局部分类
3-6-2-直纹面的定义和例子直纹面高斯曲率非正
3-6-3-可展曲面的定义和例子直纹面可展的充要条件
3-6-4-可展曲面的分类
3-6-5-旋转面的基本形式和曲率的计算
3-6-6-常高斯曲率的旋转面
3-6-7-常平均曲率的旋转面
标架和曲面论基本定理
课时目标:理解自然标架与正交活动标架,会计算自然标架的运动方程;理解并掌握曲面的结构方程(Gauss-Codazzi方程)特别是正交参数网下的结构方程表达式;掌握曲面论基本定理的内容;了解外微分法推导曲面的结构方程。
4-1-1-自然标架的运动方程和Christoffel符号
4-2-1-自然标架下的结构方程和Codazzi方程的独立个数
4-2-2-黎曼曲率张量记号的引入和高斯方程的化简
4-2-3-黎曼曲率张量的基本对称性质
4-2-4-高斯方程的独立个数和高斯绝妙定理
4-3-1-曲面论基本定理之唯一性
4-3-2-曲面论基本定理之存在性
4-4-1-标架场的概念和选取
4-4-2-正交活动标架之曲线Frenet标架再审视
4-4-3-曲面上正交活动标架的存在性
4-4-4-曲面上正交活动标架的运动方程及正交活动标架下的基本形式
4-4-5-曲面的第一第二基本形式不依赖于正交标架的选取
4-4-6-正交标架下 Weingarten 变换的矩阵表示
4-5-1-微分形式及其外积
4-5-2-外微分运算
4-5-3-正交标架下曲面的面积元
4-5-4-关于微分形式的思考题与维数的补充说明
4-5-5-从正交标架的运动方程推导曲面的结构方程
4-5-6-正交标架下曲面结构方程的进一步分析
4-5-7-推导正交参数网下的 Gauss-Codazzi 方程
4-5-8-三维欧氏空间中常主曲率曲面的局部分类
4-5-9-三维欧氏空间中无脐点的平坦曲面必可展
4-6-1-欧氏空间正交标架运动方程和欧氏空间的结构方程
4-6-2-运动方程与结构方程之从三维欧氏空间到曲面
4-6-3-再看几何量与标架的选取无关
4-6-4-联络形式和曲率形式随标架的变化规律
4-6-5-第四章的总结与复习
曲面的内蕴几何学
课时目标:理解曲面的等距变换,掌握协变微分的概念;会计算测地曲率;熟悉测地线及其性质,理解并掌握Gauss-Bonnet公式及其应用。
5-1-1-内蕴几何引言和曲面之间的映射
5-1-2-切映射的定义和性质
5-1-3-等距变换的定义
5-1-4-关于等距变换的一些注记
5-1-5-等距变换和第一基本形式及正螺面和悬链面的等距
5-1-6-函数和微分形式的拉回
5-1-7-从拉回看等距变换
5-1-8-共形变换的定义和例子
5-1-9-从拉回看共形变换及曲面的等温坐标
5-2-1-联络形式的性质及高斯绝妙定理的推论和应用
5-2-2-等温坐标下高斯曲率的计算
5-2-3-协变导数与协变微分的定义和性质
5-2-4-曲面上平行移动的定义存在唯一性及其性质
5-3-1-测地曲率的定义
5-3-2-测地曲率的计算之 Liouville 定理
5-3-3-测地线的定义及局部存在性
5-3-4-测地线的判定及某些特殊曲面上的测地线
5-3-5-测地线作为长度泛函的临界点
5-4-1-指数映射的定义
5-4-2-法坐标系和测地极坐标系的定义
5-4-3-法坐标和测地极坐标的正则性
5-4-4-法坐标系的性质
5-4-5-测地极坐标系的性质
5-4-6-测地线的局部最短性
5-4-7-常高斯曲率曲面的局部分类
5-5-1-局部 Gauss-Bonnet 定理的叙述和应用
5-5-2-局部 Gauss-Bonnet 定理的证明概要
5-5-3-整体 Gauss-Bonnet 定理的介绍
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证书要求

为积极响应国家低碳环保政策, 2021年秋季学期开始,中国大学MOOC平台将取消纸质版的认证证书,仅提供电子版的认证证书服务,证书申请方式和流程不变。

 

电子版认证证书支持查询验证,可通过扫描证书上的二维码进行有效性查询,或者访问 https://www.icourse163.org/verify,通过证书编号进行查询。学生可在“个人中心-证书-查看证书”页面自行下载、打印电子版认证证书。

 

完成课程教学内容学习和考核,成绩达到课程考核标准的学生(每门课程的考核标准不同,详见课程内的评分标准),具备申请认证证书资格,可在证书申请开放期间(以申请页面显示的时间为准),完成在线付费申请。

 

认证证书申请注意事项:

1. 根据国家相关法律法规要求,认证证书申请时要求进行实名认证,请保证所提交的实名认证信息真实完整有效。

2. 完成实名认证并支付后,系统将自动生成并发送电子版认证证书。电子版认证证书生成后不支持退费。


西北工业大学
1 位授课老师
陈航

陈航

副教授

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