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定义Definition

曲线的曲率与挠率

Curvature and torsion of a space curve · 空间曲线曲率 · Torsion of a curve

用弧长导数定义曲率和挠率,推导任意正则参数的计算公式并核验方向与退化边界。

形式陈述 ​

设 γ:I→R3 是 C3 正则参数曲线,以 s 为弧长参数,T=dγ/ds 为单位切向。曲率定义为

κ=‖dTds‖≥0.

在 κ>0 的开区间,定义主法向 N=(dT/ds)/κ、副法向 B=T×N,三者构成右手正交单位标架。挠率定义为

τ=−⟨dBds,N⟩.

曲率衡量切向转动,挠率衡量密切平面 span(T,N) 的转动。这里的 N 是曲线主法向,不是曲面选定的单位法向。

若撇号表示对任意正则参数 t 求导,则

κ(t)=‖γ′×γ″‖‖γ′‖3,τ(t)=det⁡(γ′,γ″,γ‴)‖γ′×γ″‖2.

曲率公式允许分子为零;挠率公式只用于 γ′×γ″≠0。曲率实际上只需 C2。本页的经典挠率则使用 C3 和正曲率,不能把 0/0 默认为零。

直觉

一辆车可以沿直线加速,也可以匀速转弯。只有第二种动作改变切向,曲率因此应消去“加速”的影响。挠率进一步问:转弯所在的平面有没有沿途抬起、旋转?圆有曲率而挠率零;螺旋线不断转弯,同时离开任何固定平面。

从速度分解推出计算公式 ​

写 v=ds/dt>0。链式法则给

γ′=vT,γ″=v′T+v2κN.

因 T×N=B,有 γ′×γ″=v3κB,取范数得到曲率公式。它解释了为何加速度的切向分量 v′T 不贡献弯曲。在 κ=0 处无需引入 N:直接写 γ″=v′T+v2Ts,利用 Ts⊥T 得 ‖γ′×γ″‖=v3‖Ts‖,同一曲率公式仍成立。

由 B⋅B=1、B⋅T=0 求导,得到 Bs⊥B,T,所以 Bs=−τN。再由 N⋅T=0 和 N⋅B=0 得

Ns=−κT+τB.

对 γ″ 求导,γ‴ 的 B 分量恰为 v3κτ。因此

det⁡(γ′,γ″,γ‴)=(γ′×γ″)⋅γ‴=v6κ2τ,

分母为 v6κ2,得到挠率公式。行列式的列顺序已固定;交换两列会改号。

哪些变化改变符号 ​

本段为使用三阶链式法则,要求重参数 ϕ 为 C3 微分同胚(只讨论曲率时 C2 足够)。这样的重参数不改变对应点的 κ,τ,反向也一样。若 γ~(u)=γ(ϕ(u)),叉积多出因子 (ϕ′)3,行列式多出 (ϕ′)6,分母也有相同的六次因子;低阶链式法则项含重复列,行列式为零。反向时 T,B 同时变号、N 不变,仍得到同一挠率。

环境中的平移和旋转也保持两者。对正交矩阵 Q,行列式乘上 det⁡Q:镜像反射保持曲率,却把挠率改号。参数反向与空间镜像是不同操作。

例子与边界

把螺旋线算到底 ​

对 γ(t)=(acos⁡t,asin⁡t,bt),a>0,记 c=a2+b2。逐项计算

γ′=(−asin⁡t,acos⁡t,b),γ″=(−acos⁡t,−asin⁡t,0),γ‴=(asin⁡t,−acos⁡t,0),γ′×γ″=(absin⁡t,−abcos⁡t,a2).

叉积模为 ac,三重积为 a2b,故

κ=aa2+b2,τ=ba2+b2.

标架为

T=(−asin⁡t,acos⁡t,b)c,N=(−cos⁡t,−sin⁡t,0),B=(bsin⁡t,−bcos⁡t,a)c.

a=2,b=1 时 κ=2/5,τ=1/5。把 b 改成 −1 是关于水平面的镜像,挠率变成 −1/5;把整条曲线改为 γ(−t) 则仍是 1/5。

曲率为零不是曲线不光滑 ​

γ(t)=(t,t3,0) 处处正则,却有

κ(t)=6|t|(1+9t4)3/2,κ(0)=0.

两侧主法向的极限方向相反,标准 Frenet 主法向不能在零点连续接合。两侧挠率都为零,但零点处按本定义没有挠率。直线也有良好单位切向与零曲率,却没有由 Ts/κ 唯一选出的主法向。

推论与应用

在连通区间上,κ≡0 当且仅当像落在一直线上:Ts=0 后积分即可。若进一步 κ>0,则 τ≡0 当且仅当曲线落在固定平面中。一个方向来自平面法向恒定;反方向由 Bs=0 得 B=B0,再对 γ⋅B0 求导得零。正曲率条件使整段的 B 能被定义,不能悄悄删去。

运动中的法向加速度大小为 v2κ。Frenet方程把这套局部测量反过来变成曲线重建问题;测地曲率则把曲面上一条曲线的总弯曲分为面内与法向两部分。

参考资料
  • Theodore Shifrin,Differential Geometry,April 2021,Ch. 1 §2,pp. 10–17,Propositions 2.2–2.4:Frenet定义、任意参数曲率及直线/平面判据。
  • Neil Donaldson,Math 162A, Curves,Winter 2024,§§1.4–1.5:任意参数的挠率、Theorem 1.38 的刚体与镜像变换。
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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