曲率

  • 弧微分
    • 对曲线的一段弧的长度的微分称为弧微分 ds\mathrm ds
    • 对平面直角坐标系下的函数 y=y(x)y=y(x)
      • ds=1+(y)2dx\mathrm ds=\sqrt{1+(y')^2}\mathrm dx
    • 对平面直角坐标系下的参数方程确定的函数 {x=φ(t)y=ψ(t)\left\{\begin{matrix}x=\varphi(t) \\y=\psi(t)\end{matrix}\right.
      • ds=(φ(t))2+(ψ(t))2dt\mathrm ds=\sqrt{(\varphi'(t))^2+(\psi'(t))^2}\mathrm dt
    • 对极坐标下的方程确定的函数 ρ=ρ(θ)\rho=\rho(\theta)
      • ds=(ρ(θ))2+ρ2(θ)dθ\mathrm ds=\sqrt{(\rho'(\theta))^2+\rho^2(\theta)}\mathrm d\theta
  • 曲率
    • 定义
      • 曲率定义为 K=limΔx0ΔαΔsK=\lim\limits_{\Delta x\to 0}\left|\frac{\Delta\alpha}{\Delta s}\right|Δα\Delta \alpha 为切线转角。该极限存在时,K=dαdsK=\left|\frac{\mathrm d\alpha}{\mathrm ds}\right|
      • α\alpha 为切线倾斜角,所以 α=arctany\alpha=\arctan y',则 dαdx=y1+(y)2\frac{\mathrm d\alpha}{\mathrm dx}=\frac{y''}{1+(y')^2}
      • 曲率表示了曲线某一点处的弯曲程度,曲线在该点越弯,曲率越大。
      • 直线的曲率为 00
    • 计算
      • 对平面直角坐标系下的函数 y=y(x)y=y(x)
        • K=y[1+(y)2]32K=\frac{|y''|}{[1+(y')^2]^{\frac{3}{2}}}
      • 对平面直角坐标系下的参数方程确定的函数 {x=φ(t)y=ψ(t)\left\{\begin{matrix}x=\varphi(t) \\y=\psi(t)\end{matrix}\right.
        • K=φ(t)ψ(t)φ(t)ψ(t)[(φ(t))2+(ψ(t))]32K=\frac{|\varphi'(t)\psi''(t)-\varphi''(t)\psi'(t)|}{[(\varphi'(t))^2+(\psi'(t))]^{\frac{3}{2}}}
      • 对极坐标下的方程确定的函数 ρ=ρ(θ)\rho=\rho(\theta)
        • K=ρ2(θ)+2(ρ(θ))2ρ(θ)ρ(θ)[(ρ(θ))2+ρ2(θ)]32K=\frac{|\rho^2(\theta)+2(\rho'(\theta))^2-\rho(\theta)\rho''(\theta)|}{[(\rho'(\theta))^2+\rho^2(\theta)]^{\frac{3}{2}}}
      • 对于后面两种情况,都可以利用参数方程求导的办法求出平面直角坐标系下的 y,yy',y'',再代入到第一个公式里。
  • 曲率圆
    • 定义
      • 若曲线某处 K0K\ne 0,则称 R=1KR=\frac{1}{K} 为该点处的曲率半径。
      • 在该点处向曲线凹侧做圆,满足圆心在该点的法线上,半径为曲率半径,则该圆称为曲率圆,圆心为曲率中心。
    • 计算
      • 曲率中心为 (xy[1+(y)2]y,y+1+(y)2y)\left(x-\frac{y'[1+(y')^2]}{y''},y+\frac{1+(y')^2}{y''}\right)