曲率

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微积分学
\text{e} = \lim_{n\to\infty} \left(1+\frac{1}{n}\right)^n
函数 · 导数 · 微分 · 积分

曲率是几何体不平坦程度的一种衡量。平坦对不同的几何体有不同的意義。

本文考虑基本的情况,欧几里得空间中的曲线和曲面的曲率。一般意义下的曲率,请参照曲率张量

平面曲线的曲率[编辑]

曲线 C 在 P 点的密切圆和曲率半径

对于平面曲线 C,在一点P的曲率大小等于密切圆英语Osculating circle半径的倒数,它是一个指向该圆圆心的向量。其大小可用屈光度(dioptre)衡量,1屈光度等于1(弧度)每米。此密切圆的半径即为曲率半径

密切圆的半径越小,曲率越大;所以曲线接近平直的时候,曲率接近0,而当曲线急速转弯时,曲率很大。

直线曲率处处为0;半径为r的圆曲率处处为1/r

局部表达式[编辑]

若曲線  y = f(x)\, 其曲率為

\kappa= \frac{|f''(x)|}{(1+f'^2(x))^{3/2}}

对于一个以参数化形式给出的平面曲线c(t) = (x(t),y(t))\, 其曲率为

\kappa= \frac{|x'(t)y''(t)-x''(t)y'(t)|}{(x'^2(t)+y'^2(t))^{3/2}}

对于隐式给出的平面曲线f(x,y)=0\, 其曲率为

\kappa=
\nabla\cdot\left(\frac{\nabla f}{\|\nabla f\|}\right)

也就是,f\,梯度的方向的散度。 最后的公式也给出了在欧几里得空间中的超曲面平均曲率(可以差一个常数)。

空间曲线的曲率[编辑]

对于一个以参数化形式给出的空间曲线c(t)=(x(t),y(t),z(t))\,其曲率为

\kappa=\frac{\sqrt{(z''(t)y'(t)-y''(t)z'(t))^2+(x''(t)z'(t)-z''(t)x'(t))^2+(y''(t)x'(t)-x''(t)y'(t))^2}}{(x'^2(t)+y'^2(t)+z'^2(t))^{3/2}}

三维空间中的曲面曲率[编辑]

对于嵌入在欧几里得空间R3中的二维曲面,有两种曲率存在:高斯曲率平均曲率。为计算在曲面给定点的曲率,考虑曲面和由在该点的法向量和某一切向量所确定的平面的交集。这个交集是一个平面曲线,所以有一个曲率;如果选择其它切向量,这个曲率会改变,并且有两个极值-最大和最小曲率,称为主曲率 k1k2,极值方向称为主方向。这里我们采用在曲线向和曲面选定法向的相同方向绕转的时候把曲率置为正数,否则为负的约定。

高斯曲率,以高斯命名,等于主曲率的乘积,k1k2. 它的单位为1/长度2,对于椭球、双叶双曲面的一叶、椭圆抛物面为正,对于伪球面、 单叶双曲面双曲抛物面为负,对平面圆柱面为0。它决定了曲面局部(正的时候)还是局部鞍点(负的时候)。

高斯曲率的以上定义是外在的,因为它用了曲面在 R3中的嵌入,法向量,外部平面等等。但是高斯曲率实际上是曲面的内在属性,也就是它不依赖于曲面的特定嵌入;直观的讲,这意味着活在曲面上的蚂蚁可以确定高斯曲率。形式化的,高斯曲率只依赖于曲面的黎曼度量。这就是高斯著名的絕妙定理,在他在研究地理测绘和地图制作时发现。

高斯曲率在一点P的内在定义的一种:想象一直用一条长为r的短线绑在P。她在线拉直的时候绕P点跑并测量绕P点的一圈的周长C(r)。如果曲面是平的,她会发现 C(r) = 2πr。在弯曲的曲面上,C(r)的公式不同,P点的高斯曲率 K可以这样计算:


K  = \lim_{r \rarr 0} (2 \pi r  - \mbox{C}(r)) \cdot \frac{3}{\pi r^3}.

高斯曲率在整个曲面上的积分和曲面的欧拉示性数有密切关联;参见高斯-博内定理

平均曲率等于主曲率的和,k1+k2,除以 2。其单位为1/长度。平均曲率和曲面面积的第一变分密切相关,特别的,像肥皂膜这样的最小曲面平均曲率为0,而肥皂泡平均曲率为常数。不像高斯曲率,平均曲率依赖于嵌入,例如,一个圆柱和一个平面是局部等距的,但是平面的平均曲率为0,而圆柱的非零。

空间的曲率[编辑]

宇宙学上,需要考虑"空间的曲率",就是相应的伪黎曼流形的曲率,见黎曼流形的曲率

没有曲率的空间称为平坦空间欧几里得空间。另见宇宙的形状

参考[编辑]