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【微分几何】圆柱面上的测地线

由于圆柱面可以展开为平面,所以圆柱面上的测地线,就相当于展开面上的直线。需要指出,如果把圆柱体的参数方程写成下面的形式:r[{u_, v_}] := {Cos[v], Sin[v], u};那么相应的uv平面恰好就是展开面,因此圆柱面展开前后,点的曲纹坐标保持不变。这时候,测地线还是比较容易确定的。
工具/原料
1

电脑

2

Mathematica

方法/步骤
1

在圆柱面上面给定两个点A和B,其曲纹坐标如下:A = {2, 3}; B = {5, 3};这两个点的连线,在uv平面上与坐标轴平行。

2

圆柱面上,经过A和B的测地线的参数方程就是r[{u, 3}](这是一条直线),这条测地线在uv平面上的参数方程是{u, 3}。

3

如果B的曲纹坐标改为:B = {2,5};那么经过A和B的测地线就是一个圆,其在uv平面上还是直线。

4

B = {1,5};此时A和B在uv平面上的连线,与坐标轴不平行。

5

上面图中的直线的参数方程,可以写为:k={u, (A - B)[[2]]/(A - B)[[1]] (u - (A[[1]])) + (A[[2]])}因此可以画出圆柱面上,经过A和B的测地线:r[k]这是一条螺旋线。

6

如果A = {0, 0}; B = {5, 5};那么用上述方法画出的螺旋线不是测地线。

7

此时,真正的测地线是下图的红色螺旋线,在uv平面上表现为另一条直线。.特别需要注意,uv平面上的两个不同的点,在圆柱面上有相同的位置,但是它们的曲纹坐标是不相同的,这是周期性在起作用。

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