3.5 曲率

高等数学A1



周维祺

朴素的动机

  • 需要一个标量来描述“弯曲的程度”

  • 直线不弯曲,对应的量为00

  • 半径越大的圆,“弯曲的程度”越小,因此对应的量与圆的半径负相关

  • 考虑在圆周上运动的质点,经过一定的路程时切线变化的角度越小,则“弯曲的程度”越小

弧微分

  • 设y=f(t)y=f(t)在[a,b][a,b]上可导且导数也连续

  • 对x∈[a,b]x\in[a,b],记s(x)s(x)为其图像在t∈[a,x]t\in[a,x]之间的曲线长度

  • ff可微,即当Δx→0\Delta x\to0时,局部趋近于线性变化

  • s′=lim⁡Δx→0ΔsΔx=lim⁡Δx→0(Δx)2+(Δy)2Δx=1+(y′)2s'=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{\Delta s}{\Delta x}=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\frac{\sqrt{(\Delta x)^2+(\Delta y)^2}}{\Delta x}=\sqrt{1+(y')^2}

曲率的定义

  • 设有质点从光滑曲线上一点MM出发沿曲线运动

  • tt时刻经过的路程为s(t)s(t),切线变化的角度为θ(t)\theta(t)

  • 平均曲率 K=θ(t)s(t)K=\frac{\theta(t)}{s(t)}

  • 点MM处的曲率 KM=lim⁡t→0θ(t)s(t)K_M=\lim_{t\to0}\frac{\theta(t)}{s(t)}

例子

  • 求半径为rr的圆上每一点处的曲率

  • 容易看出,转过角度θ\theta时,经过的路程为rθr\theta,切线变化的角度即θ\theta

  • K=r−1K=r^{-1}

曲率的计算

  • 给定光滑曲线y=f(x)y=f(x),求每一点处的曲率

  • 设点xx的切线角度为θ(x)\theta(x),则有y′=tan⁡θy'=\tan\theta,从而y′′=sec⁡2θdθdxy''=\sec^2\theta\frac{d\theta}{d x}

  • 即dθdx=y′′1+tan⁡2θ=y′′1+(y′)2\frac{d\theta}{d x}=\frac{y''}{1+\tan^2\theta}=\frac{y''}{1+(y')^2},而弧微分dsdx=1+(y′)2\frac{ds}{dx}=\sqrt{1+(y')^2}

  • K=dθdxdsdx=y′′(1+(y′)2)32K=\frac{\frac{d\theta}{d x}}{\frac{ds}{dx}}=\frac{y''}{(1+(y')^2)^{\frac{3}{2}}}

曲率的计算

  • 若曲线由参数方程{x=φ(t)y=ψ(t)\begin{cases}x=\varphi(t)\\ y=\psi(t)\end{cases}给出

  • 计算过程略

  • 则K=φ′ψ′′−φ′′ψ′((φ′)2+(ψ′)2)32K=\frac{\varphi'\psi''-\varphi''\psi'}{\left((\varphi')^2+(\psi')^2\right)^{\frac{3}{2}}}

曲率

K=y′′(1+(y′)2)32K=\frac{y''}{(1+(y')^2)^{\frac{3}{2}}}

K=φ′ψ′′−φ′′ψ′((φ′)2+(ψ′)2)32K=\frac{\varphi'\psi''-\varphi''\psi'}{\left((\varphi')^2+(\psi')^2\right)^{\frac{3}{2}}}

例子

  • 求双曲线xy=1xy=1在(1,1)(1,1)处的曲率

  • y=x−1,y′=−x−2,y′′=2x−3y=x^{-1}, \quad y'=-x^{-2}, \quad y''=2x^{-3}

  • K=y′′(1+(y′)2)32=22K=\frac{y''}{(1+(y')^2)^{\frac{3}{2}}}=\frac{\sqrt2}{2}

练习

  • 抛物线y=ax2+bx+cy=ax^2+bx+c在哪一点处曲率最大

  • 椭圆{x=acos⁡ty=bsin⁡t\begin{cases}x=a\cos t \\ y=b\sin t\end{cases}在哪一点处曲率最大?在哪一点处曲率最小

曲率圆和曲率半径

  • 设曲线SS在MM处的曲率为KK,有切线LL和法线L′L'

  • 圆心在L′L'上,半径为K−1K^{-1},在MM处的切线也为LL,且在MM附近凹凸性与SS相同的圆称为SS在MM处的曲率圆,其半径称为MM处的曲率半径

  • MM处的曲率圆在MM附近与SS近似,因此也称密切圆(应用:p173 例3)

小结

  • 曲率的概念

  • 曲率的计算及参数方程下的计算

  • 曲率圆和曲率半径的概念