曲率

1 圆的曲率
对于半径为的圆,称为该圆的 曲率 (Curvature)。

圆的曲率是对圆的弯曲程度的描述。如下图所示,可以看到圆的半径越小的圆的弧越弯曲,也就是圆的曲率越大。

2 曲线的曲率
已知函数点有二阶导数,且,则此点有 曲率圆 (Osculating circle),也称为 密切圆

若用表示该曲率圆的圆心,则值为:

该曲率圆的半径称为 曲率半径 ,其值为:

函数点的 曲率 (Curvature)定义为该曲率圆的曲率,即:

(1)求出曲率半径。已知点及其左右两侧的点以及点,将它们在函数曲线上的对应点标记为点、点和点,它们的坐标可以用分别表示为:

上面所描述的可以图示如下:

容易知道,点、点和点唯一确定一个圆,标记其半径为。也唯一确定一个三角形,顶点的对边分别标记为,如下图所示。

该圆实际上是的外接圆,假设的面积为,根据外接圆半径公式可得,所以只要算出了以及就可以求出,下面分别来计算。

上述三边可以用如下来表示,这些就是要求的的边长:

其中边长可以围成如下图所示的平行四边形,要求的的面积是平行四边形面积的一半。

平行四边形可通过算出,即:

注意到是包含正负号的,所以平行四边形的面积需要加上绝对值:

因为的面积为平行四边形面积的一半,因此:

至此可以得到:

上下同除以可得:

之前分析过,将两侧的点不断靠近点,最终得到圆就是曲率圆,如下面的动图所示。也就是当时,上述圆的半径就会趋于曲率圆的半径,即有

所以下面来计算,先分别求出各项的极限,首先:

然后:

同理:

最后还有:

所以可得:

        (2)求出曲率圆的圆心。假设曲率圆的圆心坐标为,半径为,则其满足如下方程:

通过可求出上述方程的导函数

又知道曲率圆和曲线点,有相同的切线(这个结论应该也不反直觉,这里不做证明):

根据曲率圆过点,和曲线点有公共切线,可以联立两个方程:

消去后可得:

因为曲率圆是曲线的近似,所以容易理解圆心总在曲线凹的一侧,那么当的时候曲线为,必有

同样当的时候曲线为,必有

总之,异号,因此:

回代:

所以最终得到密切圆的圆心为:

上述定理给出了曲率圆的定义,以及如何求出。所谓曲率圆就是可以逼近函数点附近曲线的圆,如下图所示。曲率圆的曲率也就是函数点的曲率,描述了函数点弯曲程度。

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