复旦大学微分几何教学大纲研究生考试专业课高等教育大学课件.pdf

微分几何教学大纲 (Differential Geometry)课程代码 318.022.1 编写时间 课程名称 微分几何 英文名称 Differential Geometry 学分数 3 周学时 3+1 任课教师 傅吉祥 开课院系 数学学院 预修课程 课程性质：本课程是数学系基础数学与应用数学专业（相对于复旦大学）的必修 课。基本要求和教学目的：通过本课程的学习，学生应掌握曲线论与曲面论中的一些基本几何概念与研究微分几何的一些常用方法。以便为以后进一步学习、研究现代几何学打好基础；另一方面培养学生理论联系实际和分析问题解决问题的能力。课程基本内容简介：本课程主要讲授三维空间中经典的曲线和曲面的理论。主要内容有：曲线论，内容包括：曲线的切向量与弧长；主法向量与从法向量；曲率与扰率；Frenet 标架与 Frenet 公式；曲线的局部结构；曲线论的基 本定理；平面曲线的一些整体性质，如切线的旋转指标定理，凸曲线的几 何性质，等周不等式，四顶点定理与 Cauchy-Crofton 公式；空间曲线的一 些整体性质，如球面的 Crofton 公式，Fenchel 定理与 Fary-Milnor 定理。曲面的局部理论，内容包括：曲面的表示、切向量、法向量；旋转 曲面、直纹面与可展曲面；曲面的第一基本形式与内蕴量；曲面的第二基 本形式；曲面上的活动标架与基本公式；Weingarten 变换与曲面的渐近线、共扼线；法曲率；主方向、主曲率与曲率线；Gauss 曲率和平均曲率；曲 面的局部结构；Gauss 映照与第三基本形式；全脐曲面、极小曲面与常 Gauss 曲率曲面；曲面论的基本定理；测地曲率与测地线；向量的平行移动。曲面的整体性质初步，内容包括：曲面的整体表述；曲面上的 Gauss-Bonnet 公式；向量场与孤立奇点的指标；球面的刚性；极小曲面中 的 Bernstein 定理；完备曲面与 Hopf-Rinow 定理。教学方式:课堂授课+习题课 教材和教学参考资料 作者 教材名称 出版社 出版年月 教材 苏步青，胡和生 微分几何 高等教学出版社 1979 参 Elementary Andrew Pressley Springer 考Differential 资 Geometry 料 姜国英 黄宣国 微分几何一百例 高等教育出版社 教学内容安排：第一章 三维欧氏空间的曲线论（13 学时）1 曲线 曲线的切向量 弧长（1 学时）教学要求：理解曲线的基本概念、会求曲线的切向量与弧长、会 用弧长参数表示曲线。2 主法向量与从法向量 曲率与扰率（2 学时）教学要求：理解曲率与挠率、主法向量与从法向量、密切平面与从切平面等基本概念，会计算曲率与挠率。3 Frenet 标架 Frenet 公式（1 学时）教学要求：掌握 Frenet 公式，能运用 Frenet 公式去解决实际问题。4 曲线在一点邻近的性质（1 学时）教学要求：能表达曲线在一点领域内的局部规范形式，理解扰率符号的集合意义。5 曲线论基本定理（1 学时）教学要求：掌握曲线论的基本定理，能求已知曲率与扰率的一些 简单的曲线。6 平面曲线的一些整体性质（5 学时）61 关于闭曲线的一些概念 62 切线的旋转指标定理 63 凸曲线*64 等周不等式*65 四顶点定理*66 Cauchy-Crofton 公式*教学要求：理解平面曲线的一些基本概念：闭曲线、简单曲线、切 线像、相对全曲率、旋转指标、凸曲线。掌握平面曲线的一些整体性质：简单闭曲线切线的旋转指标定理，凸曲线的几何性质，等周不等式，四顶 点定理与 Cauchy-Crofton 公式。7 空间曲线的整体性质（2 学时）71 球面的 Crofton 公式*预修课程课程性质本课程是数学系基础数学与应用数学专业相对于复旦大学的必修课基本要求和教学目的通过本课程的学习学生应掌握曲线论与曲面论中的一些基本几何概念与研究微分几何的一些常用方法以便为以后进一步学习研讲授三维空间中经典的曲线和曲面的理论主要内容有曲线论内容包括曲线的切向量与弧长主法向量与从法向量曲率与扰率架与公式曲线的局部结构曲线论的基本定理平面曲线的一些整体性质如切线的旋转指定理凸曲线的几何性质等示切向量法向量旋转曲面直纹面与可展曲面曲面的第一基本形式与内蕴量曲面的第二基本形式曲面上的活动架与基本公式变换与曲面的渐近线共扼线法曲率主方向主曲率与曲率线曲率和平均曲率曲面的局部结构映照与第三基本形式 72 Fenchel 定理*73 Fary-Milnor 定理*教学要求：理解全曲率的概念。掌握空间曲线的一些整体性质：球面的 Crofton 公式，Fenchel 定理与 Fary-Milnor 定理。第二章 三维欧氏空间中曲面的局部几何（27 学时）1 曲面的表示 切向量 法向量（4 学时）1 1 曲面的定义 1 2 切向量 切平面 1 3 法向量 1 4 曲面的参数表示 15 例 1 6 单参数曲面族 平面族的包络面 可展曲面 教学要求：掌握曲面的三种局部解析表示；会求曲面的切平面与法 线；了解旋转曲面与直纹面的表示；掌握可展曲面的特征。2 曲面的第一、第二基本形式（4 学时）21 曲面的第一基本形式 22 曲面的正交参数曲线网 23 等距对应 曲面的内蕴几何 24 共形对应 25 曲面的第二基本形式 教学要求：掌握曲面的第一基本形式及相关量曲面上曲线的弧 长、两相交曲线的交角与面积的计算，并理解其几何意义；了解等距对应 与共形对应；掌握第二基本形式。3 曲面上的活动标架 曲面的基本公式（3 学时）3 1 省略和式记号的约定 3 2 曲面上的活动标架 曲面的基本公式 3 3 Weingarten 变换 W 3 4曲面的共轭方向 渐近方向 渐近线 教学要求：掌握曲面上的活动标架与曲面的基本公式，能求正交 参数曲线网的联络系数；理解 Weingarten 变换与共轭方向、渐近方向，会 求一些简单曲线的渐近曲线。4 曲面上的曲率（7 学时）4 1曲面上曲线的法曲率 4 2 主方向 主曲率 预修课程课程性质本课程是数学系基础数学与应用数学专业相对于复旦大学的必修课基本要求和教学目的通过本课程的学习学生应掌握曲线论与曲面论中的一些基本几何概念与研究微分几何的一些常用方法以便为以后进一步学习研讲授三维空间中经典的曲线和曲面的理论主要内容有曲线论内容包括曲线的切向量与弧长主法向量与从法向量曲率与扰率架与公式曲线的局部结构曲线论的基本定理平面曲线的一些整体性质如切线的旋转指定理凸曲线的几何性质等示切向量法向量旋转曲面直纹面与可展曲面曲面的第一基本形式与内蕴量曲面的第二基本形式曲面上的活动架与基本公式变换与曲面的渐近线共扼线法曲率主方向主曲率与曲率线曲率和平均曲率曲面的局部结构映照与第三基本形式 43 Dupin 标线 44 曲率线 45 主曲率及曲率线的计算 总曲率 平均曲率 46 曲率线网 47 曲面在一点的邻近处的形状 48 Gauss 映照及第三基本形式 49 总曲率、平均曲率满足某些性质的曲面 教学要求：理解法曲率、主方向与主曲率、曲率线、总曲率和平均曲率概念与几何意义，并会对它们进行计算；掌握 Gauss 映照及第三基本形式；能对全脐曲面与总曲率为零的曲面进行分类；掌握极小曲面的几何意义并会求一些简单的极小曲面。5 曲面的基本方程及曲面论的基本定理（4 学时）5 1 曲面的基本方程 5 2曲面论的基本定理 教学要求：掌握、理解曲面的基本方程与曲面论基本定理。6 测地曲率 测地线（7 学时）6 1测地曲率向量 测地曲率 6 2 计算测地曲率的 Liouville 公式 6 3 测地线 6 4法坐标系 测地极坐标系 测地坐标系 6 5 应用 6 6 测地扰率 6 7 Gauss-Bonnet 公式 教学要求：理解与掌握测地曲率和测地线、测地扰率、法坐标系、测地极坐标系与测地坐标系的定义及其几何意义；能用 Liouville 公式计算测地曲率与测地线；能用测地极坐标系对总曲率为常数的曲面进行研究；理解（局部）Gauss-Bonnet 公式。7 曲面上的向量的平行移动（2 学时）7 1 向量沿曲面上一条曲线的平行移动 绝对微分 7 2 绝对微分的性质 7 3 自平行曲线 7 4 向量绕闭曲线一周的平行移动 总曲率的又一种表示 7 5 沿曲面上曲线的平行移动与欧氏平面中平行移动的关系 教学要求：理解向量沿曲面上一条曲线的平行移动与绝对微分。预修课程课程性质本课程是数学系基础数学与应用数学专业相对于复旦大学的必修课基本要求和教学目的通过本课程的学习学生应掌握曲线论与曲面论中的一些基本几何概念与研究微分几何的一些常用方法以便为以后进一步学习研讲授三维空间中经典的曲线和曲面的理论主要内容有曲线论内容包括曲线的切向量与弧长主法向量与从法向量曲率与扰率架与公式曲线的局部结构曲线论的基本定理平面曲线的一些整体性质如切线的旋转指定理凸曲线的几何性质等示切向量法向量旋转曲面直纹面与可展曲面曲面的第一基本形式与内蕴量曲面的第二基本形式曲面上的活动架与基本公式变换与曲面的渐近线共扼线法曲率主方向主曲率与曲率线曲率和平均曲率曲面的局部结构映照与第三基本形式 第三章 曲面的整体性质初步（10 学时）1 曲面的整体表述（1 学时）教学要求：理解曲面的整体表述、坐标转移函数与可定向曲面的 概念。2 曲面上的 Gauss-Bonnet 公式（2 学时）教学要求：理解 Euler-Poincare 示性数与整体的 Gauss-Bonnet 公式；能用整体的 Gauss-Bonnet 公式来分析与解决一些实际问题。3 向量场（2 学时）教学要求：理解光滑向量场在孤立奇点的指标的概念并能计算；掌握紧致定向曲面上光滑向量场关于指标的 Poincare 定理。4 球面的刚性 （1 学时）教学要求：理解与掌握球面的刚性定理，体会拓扑性质对整体微 分几何的影响，会证明紧致曲面的椭圆点的存在性。5 极小曲面 （2 学时）教学要求：了解关于极小曲面的 Bernstein 定理。6 完备曲面 Hopf-Rinow 定理 （2 学时）教学要求：理解与掌握完备曲面的概念，理解完备曲面 Hopf-Rinow 定理 作业和考核方式：闭卷笔试 *如该门课为多位教师共同开设，请在教学内容安排中注明。*考虑到有时同一门课由不同院系的教师开设，请任课教师填写此栏。预修课程课程性质本课程是数学系基础数学与应用数学专业相对于复旦大学的必修课基本要求和教学目的通过本课程的学习学生应掌握曲线论与曲面论中的一些基本几何概念与研究微分几何的一些常用方法以便为以后进一步学习研讲授三维空间中经典的曲线和曲面的理论主要内容有曲线论内容包括曲线的切向量与弧长主法向量与从法向量曲率与扰率架与公式曲线的局部结构曲线论的基本定理平面曲线的一些整体性质如切线的旋转指定理凸曲线的几何性质等示切向量法向量旋转曲面直纹面与可展曲面曲面的第一基本形式与内蕴量曲面的第二基本形式曲面上的活动架与基本公式变换与曲面的渐近线共扼线法曲率主方向主曲率与曲率线曲率和平均曲率曲面的局部结构映照与第三基本形式