По аналогии с кривыми исследуется локальное строение формы поверхностей. В каждой точке М достаточно гладкой поверхности S можно построить касательную плоскость g и однозначно определённый соприкасающийся параболоид p (рис. 7), который может выродиться в параболический цилиндр или плоскость. При этом касательную плоскость можно рассматривать как плоскость, наиболее тесно прилегающую к S вблизи М. Соприкасающийся же параболоид характеризуется тем, что в окрестности точки М он совпадает с S с точностью до величин третьего порядка малости по сравнению с размерами этой окрестности. С помощью соприкасающихся параболоидов точки М поверхностей классифицируются следующим образом: эллиптическая (рис. 8) (соприкасающийся параболоид — эллиптический), гиперболическая (рис. 9) (соприкасающийся параболоид — гиперболический), параболическая (рис. 10) (соприкасающийся параболоид — параболический цилиндр), точка уплощения (рис. 11) (соприкасающийся параболоид — плоскость).

  Обычно для исследования строения поверхности используются так называемая первая и вторая основные квадратичные формы поверхности.

  Пусть поверхность S определена параметрическими уравнениями:

x = j (u, v), y = y (u, v), z = c (u, v).          (2)

При фиксированном значении v уравнения (2) определяют на S линию, называемую координатной линией u. Аналогично определяется линия v. Координатные линии u и v образуют на S параметрическую сеть (если, например, сферу радиуса 1 задать параметрическими уравнениями

х = cos u cos v, у = cos u sin v, z = sin u,

то параметрической сетью линий u и v будут меридианы и параллели этой сферы). Величины u и v называются также внутренними координатами, т.к. точка на поверхности есть точка пересечения проходящих через неё координатных линий, т. е. может быть найдена путём построений на поверхности без обращения к объемлющему пространству.

  Радиус-вектор r произвольной точки М на S определяется уравнениями (2) как функция u и v. Частные производные r_u и r_v этой функции суть векторы, касательные соответственно к линиям u и v. Эти векторы в точке М лежат в касательной плоскости к S в М. Векторное произведение [r_u, r_v] определяет нормаль к S в точке М.

  Пусть s — длина дуги линии L на S и пусть u = f (t), v = g (t) — параметрические уравнения во внутренних координатах. Тогда, вдоль L r и s будут функциями от t, причём дифференциал s определяется равенством ds² = dx² + dy² + dz², правая часть которого есть скалярный квадрат вектора dr = r_udu + r_vdv, т. е. ds² = dr². Поэтому

ds² = r²_udu² + 2r_ur_vdudv + r²_vdv².

С помощью обозначений r²_u = Е, r_ur_v = F, r²_v = G выражение для ds² можно записать в виде

ds² = Edu² + 2Fdudv + Gdv².          (3)

Правая часть соотношения (3) называется первой основной квадратичной формой поверхности S. С помощью этой формы можно измерять длины дуг на поверхности путём интегрирования выражения

 

вдоль рассматриваемой дуги. Поэтому форма (3) называется также метрической формой поверхности. Первая форма определяет также внутреннюю геометрию поверхности, т. е. совокупность фактов, которые могут быть получены путём измерений на поверхности, без обращения к объемлющему пространству. Внутренняя геометрия поверхности не меняется при её изгибании — деформации поверхности как абсолютно гибкой и нерастяжимой плёнки.

  Вторая основная квадратичная форма поверхности представляет собой выражение

Ldu² + 2Мdudv + Ndv²,

в котором L = r_uun, М = r_uvn, N = r_vvn (n — единичный вектор нормали к S в точке М). С помощью второй формы можно получить представление о пространственной форме поверхности. Например, кривизны 1/R нормальных сечений поверхности в данной точке М (т. е. линий пересечения S с плоскостями, проходящими через нормаль в М) вычисляются по формуле

 

Две основные формы поверхности, заданные в каких-либо внутренних координатах, определяют поверхность с точностью до положения в пространстве. Если заданы две формы

  Edu² + 2Fdudv + Gdv²

и

  Ldu² + 2Mdudv + Ndv²,

первая из которых положительная, а коэффициенты L, M и N второй удовлетворяют некоторой системе уравнений, из которых одно (полученное К. Гауссом) алгебраическое, а два других (полученные К. М. Петерсоном) — линейные дифференциальные уравнения с частными производными первого порядка, то найдётся поверхность, для которой эти формы являются соответственно первой и второй основными формами.

  Отмеченные уравнения Гаусса — Петерсона играют фундаментальную роль в теории поверхностей.

  Подробнее о поверхностях см. Поверхностей теория.

  Одним из объектов исследований в Д. г. являются семейства кривых и поверхностей. Такие семейства задаются посредством уравнений, содержащих параметры. Например, уравнение (х - a)² + у² = 1, содержащее параметр a, определяет семейство окружностей радиуса 1 с центрами в точках (a, 0), т. е. на оси Ox (рис. 12). С семейством кривых (поверхностей) связано понятие огибающей — такой кривой (поверхности), которая касается всех кривых (поверхностей) семейства. В рассмотренном выше примере огибающей будет пара параллельных оси Ox прямых, отстоящих от неё на расстоянии 1. Особенно детально в Д. г. исследованы двупараметрические семейства прямых b в пространстве, называемые конгруэнциями. Простейший пример конгруэнции — семейство параллельных прямых в пространстве. Истоком теории конгруэнций является геометрическая оптика.

  Различные разделы Д. г. посвящены изучению во всевозможных аспектах так называемых дифференциально-геометрических многообразии. Примерами таких многообразий могут служить кривые (одномерные многообразия), поверхности (двумерные многообразия), обычное евклидово пространство (трёхмерное многообразие). Более сложным примером может служить четырёхмерное многообразие, элементами которого являются прямые обычного евклидова пространства (прямая в декартовых координатах определяется уравнениями вида z = ax + b, z = су + d; числа a, b, с, d можно рассматривать как координаты этой прямой).

  Изучение дифференциально-геометрических многообразий ведётся по следующим основным направлениям. 1) Геометрия транзитивной группы отображений многообразия на себя, или геометрия «локальной группы» отображений. В тематику этих вопросов входят обычная классическая локальная Д. г. (изучение инвариантов группы движений евклидова пространства), аффинная, проективная и конформная геометрии (изучение инвариантов соответствующей группы преобразований). 2) Геометрия многообразий с римановой метрикой (римановых пространств), представляющая собой обобщение на многомерный случай внутренней геометрии поверхностей, которое можно рассматривать как двумерные римановы пространства. Геометрия римановых пространств играет важную роль в теории относительности. 3) Геометрия так называемых финслеровых пространств, являющихся обобщением римановых пространств. 4) Геометрия многообразий со связностью, т. е. многообразий, в которых указан способ, с помощью которого можно сравнивать геометрические образы, расположенные в касательных пространствах в разных точках.