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曲率

Kamimika...小于 1 分钟学习笔记

曲率

定义

在曲线上由点 MM 到点 M′M': 切线转过角度 ∣Δα∣|\Delta \alpha|, 弧长为 Δs\Delta s 则平均曲率: ∣Δα∣∣Δs∣\dfrac{|\Delta \alpha|}{|\Delta s|}曲率: K(M)=lim⁡∣Δs∣→0∣Δα∣∣Δs∣K(M) = \lim_{|\Delta s| \to 0} \dfrac{|\Delta \alpha|}{|\Delta s|}

注意

注意曲率要加绝对值,曲率是非负数

直角坐标系

由于 y′=tan⁡αy' = \tan \alpha, α=arctan⁡y′\alpha = \arctan y'  ⟹  dα=y′′1+y′2dx\implies d\alpha = \dfrac{y''}{1+y'^2} dx 又因为 ds=1+y′2dxds = \sqrt{1+y'^2} dx

  ⟹  K=∣dαds∣=∣y′′(1+y′2)32∣ \implies K = \left|\dfrac{d\alpha}{ds}\right| = \left|\dfrac{y''}{(1+y'^2)^\frac{3}{2}}\right|

警告

注意曲率为非负数,要加绝对值

参数方程

见 高阶导数#参数方程

dydx=y′(t)x′(t) \dfrac{dy}{dx} = \dfrac{y'(t)}{x'(t)}

d2ydx2=ddx(dydx)=ddt(dydx)dxdt=x′(t)y′′(t)−x′′(t)y′(t)x′3(t) \dfrac{d^2 y}{dx^2} = \dfrac{d}{dx}(\dfrac{dy}{dx}) = \dfrac{\dfrac{d}{dt}(\dfrac{dy}{dx})}{\dfrac{dx}{dt}} = \dfrac{x'(t) y''(t) - x''(t) y'(t)}{x'^3(t)}

故

K=∣x′(t)y′′(t)−x′′(t)y′(t)∣[x′2(t)+y′2(t)]32 K = \dfrac{|x'(t) y''(t) - x''(t) y'(t)|}{[x'^2(t) + y'^2(t)]^\frac{3}{2}}

曲率圆

曲率半径: R=1KR = \dfrac{1}{K} (曲率的倒数) 曲率中心坐标:

(x−y′(1+y′2)y′′,y+1+y′2y′′) \left( x-\dfrac{y'(1+y'^2)}{y''}, y+\dfrac{1+y'^2}{y''} \right)

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贡献者: wzh656
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