(小石頭來回答這個過期的問題,雖然註定沒有推薦到首頁的機會,但是撓率和曲率在一起,依然構成《曲線論》中的最重要概念,因此值得我們認真對待。)
三維空間的曲線,除了可以用兩個曲面方程組成的方程組(兩個曲面的交線就是曲線)來表示外,還可以表示為引數形式,即, t ∈ I = [a, b] ⊂ R ,
x = x(t)
y = y(t)
z = z(t)
仿照,空間中一個點對應一個向量 a = (x, y, z),將一個空間曲線(引數方程)寫成以 函式為 元素的 向量
r(t) = (x(t), y(t), z(t))
稱之為 向量函式,它是 區間 I 到 R³ 的對映,即,r : I → R³。
向量函式 除了具有普通 向量 的性質和運算外,我們還在其上定義導數:
對於任意曲線 r(t),
我們在 引數 區間 [a, b] 中插入:
a = t₁ < ... < t_{n+1} = b
它們將 曲線 r(t) 分成任意多小段,對於其中每一小段 Δtᵢ = tᵢ₊₁ - tᵢ ( > 0),其對應的弧長約等於 弦長:
Δsᵢ =|r(tᵢ + Δtᵢ) - r( tᵢ)|
令,λ = max{Δtᵢ, i = 1, 2, ...., n},則根據黎曼積分,曲線 r(t) 的弧長有:
可對 曲線 r(t) 的引數進行轉換,這裡設:
即,
s"(t) = |r"(t)|
於是有:
t = t(s) = s⁻¹(t)
重設,
r(s) = r(t(s))
稱 s 為曲線 r(s) 的 自然引數,令,α(s) = r"(s),則滿足:
|α(s)| = 1
稱,α(s) 是 曲線 r(s) 的單位切向量。
考慮 α"(s),
利用,|α(s)| = |α(s + Δs)| = 1,以及 《高等數學》 中透過 夾逼定理的得出的重要極限:
有:
於是,令 κ(s) =|α"(s)| ,則 κ(s) 表示 α(s) 的轉動速率,稱為 曲線 r(s) 的 曲率。
根據,定理1:
如果 |a(t)| = C(常數) 則 a(t)⋅a"(t) = 0
由 |α(s)| = 1 ,有:
α(s)⋅α"(s) = 0
再,根據內積的定義:
a ⋅ b = |a||b| cos ∠ab
|α(s)||α"(s)| cos∠α(s)α"(s) = κ(s) cos∠α(s)α"(s) = 0
當 κ(s) ≠ 0 時,有:
cos∠α(s)α"(s) = 0
這說明,α"(s) ⊥ α(s),於是,令:
α"(s) = κ(s)β(s) (即, β(s) = α"(s) / κ(s) )
則有 |β(s)| = 1, 並且 β(s) ⊥ α(s) ,稱 β(s) 為 曲線 r(s) 的單位主法向量。
然後,再利用外積,令:
γ(s) = α(s) × β(s)
根據上面的結果,以及外積的定義:
c =|a × b| = |a||b| sin ∠ab
c ⊥ a, b 並且 滿足右手螺旋法則
知道,|γ(s)| = 1, γ(s) ⊥ α(s) , β(s) ,稱 γ(s) 為 曲線 r(s) 的單位次法向量。
到此,對於曲線 r(s) 上任意 曲率 κ(s) ≠ 0 的點,以 r(s) 為原點,以 切向量 α(s),主法向量 β(s) ,次法向量 γ(s) 為 座標單位,構成一個笛卡爾直角座標系,稱為 Frenet 標架,記為 {r(s) , α(s),β(s) ,γ(s)},
並且,稱 座標平面 βrγ 為法平面, αrβ 為密切平面,αrγ 為從切平面,它們分別以α(s), γ(s), β(s) 為法線。
因為 |γ(s)| = 1,類似於 前面 關於α(s) 的證明,我們可以得到:
於是,令 |τ(s)| =|γ"(s)|, |τ(s)| 表示 γ(s) 的轉速率,稱為 τ(s) 曲線 r(s) 的 撓率。由於 γ(s) 是 密切平面 的法線,所以 |τ(s)| 表示 是密切平面 的 轉動速率。
這裡的撓,對應英語 torsion,表示扭曲的意思,如:百折不撓。
撓率 和 曲率 κ(s) ≥ 0 不同,我們需要用 τ(s) 的符號來表示曲線的扭曲方向:由 |γ(s)| = 1 , 根據定理1和前面類似,可以得出,
γ"(s) ⊥γ(s)
再,根據定理2,
(a(t) × b(t))" = a"(t) × b(t) + a(t) × b"(t)
有,
γ"(s) = ( α(s) × β(s))" = α"(s) × β(s) + α(s) × β"(s) = (α"(s) × α"(s))/ κ(s) + α(s) × β"(s) = 0 / κ(s) + α(s) × β"(s) = α(s) × β"(s)
於是又得到,
γ"(s) ⊥ α(s)
綜上,說明 γ"(s) 和 β(s) 平行。為了避免和 β(s)方向重複,我們規定 β(s) 的反方向 為 撓率 正向,即:
γ"(s) = -τ(s)β(s)
上式兩邊左數乘 -1,然後右邊內積 β(s) ,再根據 β(s)⋅β(s)= |β(s)|² = 1²,最終得到:
τ(s) = -γ"(s)⋅β(s)
以上,概念的引入過程中,除了 曲率 κ(s) ≠ 0 的條件為,我們還需要使用了 r(s) 的三階導數,我們稱滿足上面兩個條件的 連續 曲線,為正則曲線,本文所研究的曲線僅限於此類。
將上面定義的 Frenet 標架,想象成一艘宇宙飛船,不妨稱為 F 號:
F號(質心)最初停在 r(s = t(a)) 處,F號的正前方控制桿是 α(s) 座標軸, F號的垂直下方控制桿是 β(s) 座標軸 ,F號的左手方控制桿是 γ(s) 座標軸;然後,隨著 s 引數的增加,飛船開始啟程,這時我們開始不斷 透過 曲率 和 撓率 來調整飛船的方向舵;最終,飛船行駛到 r(s = t(b)) 處 停止。這樣,F號(質心)的飛行航線,就構成了一個曲線。
構成方向舵的三個座標相互垂直,我們其實只用控制兩個座標,就可以了。上面已經得出,α"(s) = κ(s)β(s) 和 γ"(s) = -τ(s)β(s) 分別是 α(s) 和 γ(s) 座標軸 的運動方程:
從 α(s) 的運動方程,可看出 F號的正前方控制桿 可操作的 飛行動作為: 當 κ(s) > 0 時,向正下方 俯衝(即,以 γ(s) 為軸 順時針旋轉),因為 κ(s) ≥ 0,所以沒有 向正上方 拉起(即,以 γ(s) 為軸 逆時針旋轉)的飛行指令;
從 γ(s) 的運動方程,可看出 F號的左手方控制桿 可操作的 飛行動作為: 當 τ(s) > 0 時,向右滾動(即,以 α(s) 為軸 順時針旋轉),當 τ(s) < 0 時,向左滾動(即,以 α(s) 為軸 逆時針旋轉);
雖然,透過曲率和撓率,只提供了 三個飛行動作,但是另外三個的飛行動作可以透過這三個動作實現:
向正上方 拉起:F號右(左)滾 180º ,這時 向正下方 俯衝 就是 向正上方 拉起;
水平 右轉向:設,右轉向 某個角度,使得 α(s) 和 γ(s) 分別到達 α₂(s) 和 γ₂(s) ,可以 向下俯衝 90º 使得 α(s) 垂直向下 處於位於原來 β(s) 座標軸 方向,然後 向右滾動,使得 γ(s) 到達 γ₂(s) 處,然後 向上拉昇 90º 使得 α(s) 到達 α₂(s) 處;
水平 左轉向:和上面類似。
至此,我們就可以自由的開著 F號 在三維空間中繪製任意曲線了。
實際上,我們還可以求出 最後 的 β(s) 座標軸 的運動方程,設 β"(s) 在 Frenet 標架中的座標是 (a, b, c),則有:
aα(s) + bβ(s) + cγ(s) = β"(s)
等式兩邊 分別 右內積 α(s), β(s) , γ(s),並根據 定理 2":
(a(t)⋅b(t))" = a"(t)⋅b(t) + a(t)⋅b"(t)
的變形 a"(t)⋅b(t) = (a(t)⋅b(t))" - a(t)⋅b"(t) 有:
a = a|α(s)|² = aα(s)⋅α(s) = aα(s)⋅α(s) + bβ(s)⋅α(s) + cγ(s)⋅α(s) = β"(s)⋅α(s) = (β(s)⋅α(s))" - β(s)⋅α"(s) = -β(s)⋅(κ(s)β(s)) = -κ(s)β(s)⋅β(s) = -κ(s)|β(s)|² = -κ(s)
b = b|β(s)|² = bβ(s)⋅β(s) = aα(s)⋅β(s) + bβ(s)⋅β(s) + cγ(s)⋅β(s) = β"(s)⋅β(s) = 0
c = c|γ(s)|² = cγ(s)⋅γ(s) = aα(s)⋅γ(s) + bβ(s)⋅γ(s) + cγ(s)⋅γ(s) = β"(s)⋅γ(s) = (β(s)⋅γ(s))" - β(s)⋅γ"(s) = τ(s)
於是,得到:
β"(s) = -κ(s)α(s) + τ(s)γ(s)
這說明,β(s) 這個操作杆是可以左右旋轉,這剛好對應 F 號 水平 左右轉向 操作。
特殊地,如果永遠不操作F號的方向舵,則得到的一條直線,這時 曲率 κ(s) = 0,撓率沒有意義,如果只 俯衝和拉昇,則得到一條 平面 曲線,這時 撓率 τ(s) = 0,如果 只滾動,則依然得到一條直線,因為 曲率 κ(s) = 0,所以 撓率 沒有意義。
(小石頭數學水平有限,出錯在所難免,歡迎各位老師和同學批評指正!)
(補充 2020/1/1)
定理 2 證明:
設,a(t) = (x₁(t), y₁(t), z₁(t)) , b(t) = (x₂(t), y₂(t), z₂(t)),根據 外積的定義,有:
證畢
定理 2" 的證明類似(略)
定理 1 證明:
結合 內積的交換律,從定理 2" 得到:
(a(t)⋅a(t))" = a"(t)⋅a(t) + a(t)⋅a"(t) = a"(t)⋅a(t) + a"(t)⋅a(t) = 2a"(t)⋅a(t)
而 根據內積定義,有:
(a(t)⋅a(t))" = (|a(t)|²)" = 2|a(t)|"
等式兩邊聯立,再結合 定理的條件,有:
a"(t)⋅a(t) = |a(t)|" = C" = 0
(小石頭來回答這個過期的問題,雖然註定沒有推薦到首頁的機會,但是撓率和曲率在一起,依然構成《曲線論》中的最重要概念,因此值得我們認真對待。)
首先,從頭開始引入曲率和撓率的定義三維空間的曲線,除了可以用兩個曲面方程組成的方程組(兩個曲面的交線就是曲線)來表示外,還可以表示為引數形式,即, t ∈ I = [a, b] ⊂ R ,
x = x(t)
y = y(t)
z = z(t)
仿照,空間中一個點對應一個向量 a = (x, y, z),將一個空間曲線(引數方程)寫成以 函式為 元素的 向量
r(t) = (x(t), y(t), z(t))
稱之為 向量函式,它是 區間 I 到 R³ 的對映,即,r : I → R³。
向量函式 除了具有普通 向量 的性質和運算外,我們還在其上定義導數:
對於任意曲線 r(t),
我們在 引數 區間 [a, b] 中插入:
a = t₁ < ... < t_{n+1} = b
它們將 曲線 r(t) 分成任意多小段,對於其中每一小段 Δtᵢ = tᵢ₊₁ - tᵢ ( > 0),其對應的弧長約等於 弦長:
Δsᵢ =|r(tᵢ + Δtᵢ) - r( tᵢ)|
令,λ = max{Δtᵢ, i = 1, 2, ...., n},則根據黎曼積分,曲線 r(t) 的弧長有:
可對 曲線 r(t) 的引數進行轉換,這裡設:
即,
s"(t) = |r"(t)|
於是有:
t = t(s) = s⁻¹(t)
重設,
r(s) = r(t(s))
稱 s 為曲線 r(s) 的 自然引數,令,α(s) = r"(s),則滿足:
|α(s)| = 1
稱,α(s) 是 曲線 r(s) 的單位切向量。
考慮 α"(s),
利用,|α(s)| = |α(s + Δs)| = 1,以及 《高等數學》 中透過 夾逼定理的得出的重要極限:
有:
於是,令 κ(s) =|α"(s)| ,則 κ(s) 表示 α(s) 的轉動速率,稱為 曲線 r(s) 的 曲率。
根據,定理1:
如果 |a(t)| = C(常數) 則 a(t)⋅a"(t) = 0
由 |α(s)| = 1 ,有:
α(s)⋅α"(s) = 0
再,根據內積的定義:
a ⋅ b = |a||b| cos ∠ab
有:
|α(s)||α"(s)| cos∠α(s)α"(s) = κ(s) cos∠α(s)α"(s) = 0
當 κ(s) ≠ 0 時,有:
cos∠α(s)α"(s) = 0
這說明,α"(s) ⊥ α(s),於是,令:
α"(s) = κ(s)β(s) (即, β(s) = α"(s) / κ(s) )
則有 |β(s)| = 1, 並且 β(s) ⊥ α(s) ,稱 β(s) 為 曲線 r(s) 的單位主法向量。
然後,再利用外積,令:
γ(s) = α(s) × β(s)
根據上面的結果,以及外積的定義:
c =|a × b| = |a||b| sin ∠ab
c ⊥ a, b 並且 滿足右手螺旋法則
知道,|γ(s)| = 1, γ(s) ⊥ α(s) , β(s) ,稱 γ(s) 為 曲線 r(s) 的單位次法向量。
到此,對於曲線 r(s) 上任意 曲率 κ(s) ≠ 0 的點,以 r(s) 為原點,以 切向量 α(s),主法向量 β(s) ,次法向量 γ(s) 為 座標單位,構成一個笛卡爾直角座標系,稱為 Frenet 標架,記為 {r(s) , α(s),β(s) ,γ(s)},
並且,稱 座標平面 βrγ 為法平面, αrβ 為密切平面,αrγ 為從切平面,它們分別以α(s), γ(s), β(s) 為法線。
因為 |γ(s)| = 1,類似於 前面 關於α(s) 的證明,我們可以得到:
於是,令 |τ(s)| =|γ"(s)|, |τ(s)| 表示 γ(s) 的轉速率,稱為 τ(s) 曲線 r(s) 的 撓率。由於 γ(s) 是 密切平面 的法線,所以 |τ(s)| 表示 是密切平面 的 轉動速率。
這裡的撓,對應英語 torsion,表示扭曲的意思,如:百折不撓。
撓率 和 曲率 κ(s) ≥ 0 不同,我們需要用 τ(s) 的符號來表示曲線的扭曲方向:由 |γ(s)| = 1 , 根據定理1和前面類似,可以得出,
γ"(s) ⊥γ(s)
再,根據定理2,
(a(t) × b(t))" = a"(t) × b(t) + a(t) × b"(t)
有,
γ"(s) = ( α(s) × β(s))" = α"(s) × β(s) + α(s) × β"(s) = (α"(s) × α"(s))/ κ(s) + α(s) × β"(s) = 0 / κ(s) + α(s) × β"(s) = α(s) × β"(s)
於是又得到,
γ"(s) ⊥ α(s)
綜上,說明 γ"(s) 和 β(s) 平行。為了避免和 β(s)方向重複,我們規定 β(s) 的反方向 為 撓率 正向,即:
γ"(s) = -τ(s)β(s)
上式兩邊左數乘 -1,然後右邊內積 β(s) ,再根據 β(s)⋅β(s)= |β(s)|² = 1²,最終得到:
τ(s) = -γ"(s)⋅β(s)
其次,說明曲率和撓率的幾何意義以上,概念的引入過程中,除了 曲率 κ(s) ≠ 0 的條件為,我們還需要使用了 r(s) 的三階導數,我們稱滿足上面兩個條件的 連續 曲線,為正則曲線,本文所研究的曲線僅限於此類。
將上面定義的 Frenet 標架,想象成一艘宇宙飛船,不妨稱為 F 號:
F號(質心)最初停在 r(s = t(a)) 處,F號的正前方控制桿是 α(s) 座標軸, F號的垂直下方控制桿是 β(s) 座標軸 ,F號的左手方控制桿是 γ(s) 座標軸;然後,隨著 s 引數的增加,飛船開始啟程,這時我們開始不斷 透過 曲率 和 撓率 來調整飛船的方向舵;最終,飛船行駛到 r(s = t(b)) 處 停止。這樣,F號(質心)的飛行航線,就構成了一個曲線。
構成方向舵的三個座標相互垂直,我們其實只用控制兩個座標,就可以了。上面已經得出,α"(s) = κ(s)β(s) 和 γ"(s) = -τ(s)β(s) 分別是 α(s) 和 γ(s) 座標軸 的運動方程:
從 α(s) 的運動方程,可看出 F號的正前方控制桿 可操作的 飛行動作為: 當 κ(s) > 0 時,向正下方 俯衝(即,以 γ(s) 為軸 順時針旋轉),因為 κ(s) ≥ 0,所以沒有 向正上方 拉起(即,以 γ(s) 為軸 逆時針旋轉)的飛行指令;
從 γ(s) 的運動方程,可看出 F號的左手方控制桿 可操作的 飛行動作為: 當 τ(s) > 0 時,向右滾動(即,以 α(s) 為軸 順時針旋轉),當 τ(s) < 0 時,向左滾動(即,以 α(s) 為軸 逆時針旋轉);
雖然,透過曲率和撓率,只提供了 三個飛行動作,但是另外三個的飛行動作可以透過這三個動作實現:
向正上方 拉起:F號右(左)滾 180º ,這時 向正下方 俯衝 就是 向正上方 拉起;
水平 右轉向:設,右轉向 某個角度,使得 α(s) 和 γ(s) 分別到達 α₂(s) 和 γ₂(s) ,可以 向下俯衝 90º 使得 α(s) 垂直向下 處於位於原來 β(s) 座標軸 方向,然後 向右滾動,使得 γ(s) 到達 γ₂(s) 處,然後 向上拉昇 90º 使得 α(s) 到達 α₂(s) 處;
水平 左轉向:和上面類似。
至此,我們就可以自由的開著 F號 在三維空間中繪製任意曲線了。
實際上,我們還可以求出 最後 的 β(s) 座標軸 的運動方程,設 β"(s) 在 Frenet 標架中的座標是 (a, b, c),則有:
aα(s) + bβ(s) + cγ(s) = β"(s)
等式兩邊 分別 右內積 α(s), β(s) , γ(s),並根據 定理 2":
(a(t)⋅b(t))" = a"(t)⋅b(t) + a(t)⋅b"(t)
的變形 a"(t)⋅b(t) = (a(t)⋅b(t))" - a(t)⋅b"(t) 有:
a = a|α(s)|² = aα(s)⋅α(s) = aα(s)⋅α(s) + bβ(s)⋅α(s) + cγ(s)⋅α(s) = β"(s)⋅α(s) = (β(s)⋅α(s))" - β(s)⋅α"(s) = -β(s)⋅(κ(s)β(s)) = -κ(s)β(s)⋅β(s) = -κ(s)|β(s)|² = -κ(s)
b = b|β(s)|² = bβ(s)⋅β(s) = aα(s)⋅β(s) + bβ(s)⋅β(s) + cγ(s)⋅β(s) = β"(s)⋅β(s) = 0
c = c|γ(s)|² = cγ(s)⋅γ(s) = aα(s)⋅γ(s) + bβ(s)⋅γ(s) + cγ(s)⋅γ(s) = β"(s)⋅γ(s) = (β(s)⋅γ(s))" - β(s)⋅γ"(s) = τ(s)
於是,得到:
β"(s) = -κ(s)α(s) + τ(s)γ(s)
這說明,β(s) 這個操作杆是可以左右旋轉,這剛好對應 F 號 水平 左右轉向 操作。
特殊地,如果永遠不操作F號的方向舵,則得到的一條直線,這時 曲率 κ(s) = 0,撓率沒有意義,如果只 俯衝和拉昇,則得到一條 平面 曲線,這時 撓率 τ(s) = 0,如果 只滾動,則依然得到一條直線,因為 曲率 κ(s) = 0,所以 撓率 沒有意義。
最後,經過數學家證明,曲線的 曲率 和 撓率 是曲線內在的,不因為 曲線的引數替換而改變,並且一個曲線的形狀完全由曲線的 曲率 和 撓率決定,曲率 和 撓率 相同的 曲線 只是位置不同而已。(小石頭數學水平有限,出錯在所難免,歡迎各位老師和同學批評指正!)
(補充 2020/1/1)
定理 2 證明:
設,a(t) = (x₁(t), y₁(t), z₁(t)) , b(t) = (x₂(t), y₂(t), z₂(t)),根據 外積的定義,有:
證畢
定理 2" 的證明類似(略)
定理 1 證明:
結合 內積的交換律,從定理 2" 得到:
(a(t)⋅a(t))" = a"(t)⋅a(t) + a(t)⋅a"(t) = a"(t)⋅a(t) + a"(t)⋅a(t) = 2a"(t)⋅a(t)
而 根據內積定義,有:
(a(t)⋅a(t))" = (|a(t)|²)" = 2|a(t)|"
等式兩邊聯立,再結合 定理的條件,有:
a"(t)⋅a(t) = |a(t)|" = C" = 0
證畢