令 是曲面 上一点,考虑 上过 的所有曲线 。每条这样的 在 点有一个伴随的曲率 。在这些曲率 中,至少有一个极大值 与极小值 ,这两个曲率 称为 的主曲率。
的平均曲率是两个主曲率的平均值(斯皮瓦克 1999,第3卷,第2章),由欧拉公式其实也是所有曲率的平均值[3],故有此名。
-
利用第一基本形式与第二基本形式的系数,平均曲率表示为:
-
这里 是第一基本形式的系数, 为第二基本形式的系数。
平均曲率可推广为更一般情形 (斯皮瓦克 1999,第4卷,第7章),一个超曲面 的平均曲率为:
-
更抽象地说,平均曲率是第二基本形式(或等价地,形算子)的迹 。
另外,平均曲率 可以用共变导数 写成
-
这里利用了高斯-Weingarten 关系, 是一族光滑嵌入超曲面, 为单位法向量,而 是度量张量。
一个曲面是极小曲面当且仅当平均曲率为零。此外,平面 平均曲率满足一个热型方程称为平均曲率流方程。
有些作者会将平均曲率直接定为第二基本形式的迹(而并未 )。然而,这并不影响一个曲面是否成为一个极小曲面的条件。
3 维空间中曲面
对 3 维空间中的曲面,平均曲率与曲面的单位法向量相关:
-
这里法向量的选取影响曲率的正负号。曲率的符号取决于法向量的方向:如果曲面“远离”法向量则曲率是正的。上面的公式对 3 维空间中任何方式定义的曲面都成立,只要能够计算单位法向量的散度。
对曲面是两个坐标的函数定义的曲面,比如 ,使用向下的法向量平均曲率(的两倍)表示为
-
如果曲面还是轴对称的,满足 ,则
-