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x13曲率与挠率
§1.3 曲率与挠率
1.3.1 曲率的定义及其几何意义
1. 曲率的解析定义 设曲线 C 的自然参数方程为 r = r(s), 且r(s)有二阶连续的
导矢量 r¨ , 称|r¨(s)|为曲线 C 在弧长为 s的点处的曲率 , 记为 k(s) = |r¨(s)|, 并称 r¨(s)为C
1
的曲率向量 , 当k(s) 6= 0 时, 称ρ(s) = k(s) 为曲线在该点处的曲率半径 .
2. 曲率的几何意义 任取曲线 C : r = r(s)上的一点 P (s)及其邻近点 Q(s + ?s), P
和Q点处的单位切向量分别为 α(s) = r˙ (s)和α(s + ?s) = r˙ (s + ?s), 它们的夹角设为?θ
?θ
, 将α(s + ?s)的起点移到P (s)点, 则|α(s + ?s) ? α(s)| = 2 sin 2 , 于是
|α(s + ?s) ? α(s)| 2 sin ?θ sin ?θ |?θ|
= 2 = 2 · ,
|?s| |?s| ?θ |?s|
| 2 |
故
k(s) = |r¨(s)|
ˉ ˉ
ˉα(s + ?s) ? α(s)ˉ
= lim ˉ ˉ
?s→0 ˉ ?s ˉ
ˉ ˉ
ˉ ?θ ˉ ˉ ˉ
ˉsin ˉ ˉ?θ ˉ
= lim ˉ 2 ˉ · lim ˉ ˉ
?θ→0 ˉ ?θ ˉ ?s→0 ˉ?sˉ
ˉ 2ˉ
ˉ?θ ˉ
= lim ˉ ˉ ,
?s→0 ˉ?sˉ
这表明曲线在一点处的曲率等于此点与邻近点的切线向量之间的夹角关于弧长的变化率,
也就是曲线在该点附近切线方向改变的程度, 它反映了曲线的弯曲程度. 如果曲线在某点
处的曲率愈大, 表示曲线在该点附近切线方向改变的愈快, 因此曲线在该点的弯曲程度愈
大.
3. 直线的特征
定理 3.1 曲线为直线的充分必要条件是曲率k ≡ 0.
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证明 (?) 若曲线 C : r = r(s)为直线, 则其方程为 r = r0 + as, 其中 r0 为常矢量, a
为直线的单位方向矢量, s为弧长参数. 于是
k = | r¨ | ≡ 0.
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