一个有关微分几何测地线的问题给定双曲面x^2+y^2-z^2-查字典问答网
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  一个有关微分几何测地线的问题给定双曲面x^2+y^2-z^2=1,及曲面上任意两点,求它们的曲面最短路的距离貌似要用到微分几何的一些知识,

  一个有关微分几何测地线的问题

  给定双曲面x^2+y^2-z^2=1,及曲面上任意两点,求它们的曲面最短路的距离

  貌似要用到微分几何的一些知识,

1回答
2020-02-08 13:56
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艾峥

  如果旋转面的参数方程是

  r(u,v)=(u*cos(v),u*sin(v),f(u))

  则其测地线公式是(一般微分几何书上都有)

  v(u)=v0+int_{u0}^{u}c*sqrt(1+[f'(w)]^2)/[w*sqrt(w^2-c^2)]dw

  其中(u0,v0)是出发点位置,int_{u0}^{u}表示从u0到u的积分,

  sqrt是开根号,f'(w)表示f的导数,c是一个常数,由

  v(u1)=v1决定

  由Liouville公式,还可以推出

  dv/ds=c/u^2

  其中s是测地线弧长参数.这样

  ds/dv=u^2/c

  ds=(u^2/c)dv=(u^2/c)dv/du*du

  =(u^2/c)*c*sqrt(1+[f'(u)]^2)/[u*sqrt(u^2-c^2)]du

  =u*sqrt(1+[f'(u)]^2)/sqrt(u^2-c^2)du

  所以弧长等于int_{u0}^{u1}ds

  =int_{u0}^{u1}u*sqrt(1+[f'(u)]^2)/sqrt(u^2-c^2)du

  对于x^2+y^2-z^2=1,令f(u)=正负sqrt(u^2-1)即可.这样:

  x=u*cos(v),y=u*sin(v),z=正负sqrt(u^2-1)

  x^2+y^2-z^2=u^2-(u^2-1)=1

  上面的积分不一定能够有积出来的表达式,实际计算的时候,可以数值计算.

  以u0=1,v0=0,u1=2,v1=0为例,这对应着空间两点:

  p1=(1,0,0),p2=(2,0,sqrt(3))

  显然最短路径就是沿着母线走,通过这两点的母线方程是

  x^2-z^2=1,也就是z=sqrt(x^2-1)(这里只取上半部分)

  由求曲线弧长的微积分公式,最短路径长度是

  int_{1}^{2}sqrt(1+[dz/dx]^2)dx

  =int_{1}^{2}sqrt[(2x^2-1)/(x^2-1)]dx

  这个积分没有封闭表达式结果,只能数值计算.

2020-02-08 14:01:09

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