如何简明地解释曲率(curvature)?

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brucxytiger   2022-5-24 13:51   3412   0
一个圆半径越小,看起来就越弯曲;半径越大,看起来就越平,半径趋于无穷大,圆看起来就像一条直线,就几乎不弯曲了。所以我们把圆的半径的倒数,定义为曲率,因为我们希望曲率是一个衡量几何体弯曲程度的量。
对于一般的曲线,每点局部可以近似看成一小段圆弧(可以看其他答主提到的密切圆)。固定一点后,该点处密切圆弧的半径的倒数,就定义成曲线在该点处的曲率。注意,对于一般的曲线而言,不同点处的曲率数值并不一样,是个变数而不是常数。用数学术语来说,曲率是定义在曲线上的一个函数。——严格来说还可以讨论曲线曲率的正负号,但涉及曲线的定向问题,我不想画图所以不讨论了。
对曲面而言,固定一个点,沿着该点不同切方向截出的曲线的曲率,就是曲面沿着这个方向的法曲率。法曲率中最大的与最小的,称为两个主曲率,对应的方向称为主方向。两个主曲率的乘积,称为曲面在该点处的高斯曲率——对的,就是那个德国数学大师高斯提出来的。高斯曲率不仅有数值的大小,也有自然而然的正负号,因为两个主方向对应的曲线可以弯向相同或者相反的方向。弯向相同的方向,比如球面,椭球面,就是正曲率,局部都位于切平面的同一侧;弯向相反的方向,比如马鞍面,或者薯片,就是负曲率,切平面的两侧都有曲面分布。当然,曲率本身是个函数(变数),他在同一张曲面上也是可以变号的。比如考虑环面(看成3维空间中的旋转曲面,而不是平坦环面),可以想想哪些点是正曲率,哪些点是负曲率。
然后数学上还可以考虑更高维度的几何体,术语称为“流形”。3维以上流形,我们依然可以套用降维化归的想法,在流形上截出一个个子曲面,考虑这些子曲面的高斯曲率,术语称之为“截面曲率”,他们反映了流形沿着这些子曲面的弯曲信息。高维几何体的曲率的表达形式更加复杂,准确地说,流形上的曲率是个“张量”,而不仅仅是个数量——顺便提一句,流形上曲率张量这一整套理论,是另一个德国数学大师黎曼提出来的,所以同学们,不要小瞧德国的数学。不过讲到这里已经差不多到我通俗表达能力的极限了,要准确解释什么是“曲率张量”,然后通过曲率张量定义截面曲率,甚至准确定义什么是流形,我都得写数学定义、写公式了——而知乎上的文科生似乎不喜欢公式。。要准确理解最后一段提到的流形的曲率,您起码得学过数分、高代、微分流形理论、黎曼几何入门;不过理解曲线曲率,其实懂多元微分就行了,积分都不需要,文科生咬咬牙也是能做到的。
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