曲率:就是半徑的倒數(shù)
曲率是幾何體不平坦程度的一種衡量。平坦對(duì)不同的幾何體有不同的意義。
平面曲線的曲率
曲線 C 在 P 點(diǎn)的密切圓和曲率半徑
對(duì)于平面曲線 C,在一點(diǎn)P的曲率大小等于密切圓(英語(yǔ):Osculating circle)半徑的倒數(shù),它是一個(gè)指向該圓圓心的向量。其大小可用屈光度(dioptre)衡量,1屈光度等于1(弧度)每米。此密切圓的半徑即為曲率半徑。
密切圓的半徑越小,曲率越大;所以曲線接近平直的時(shí)候,曲率接近0,而當(dāng)曲線急速轉(zhuǎn)彎時(shí),曲率很大。
直線曲率處處為0;半徑為r的圓曲率處處為1/r。
[編輯]局部表達(dá)式
若曲線 其曲率為
對(duì)于一個(gè)以參數(shù)化形式給出的平面曲線 其曲率為
對(duì)于隱式給出的平面曲線 其曲率為
也就是, 的梯度的方向的散度。 最后的公式也給出了在歐幾里得空間中的超曲面的平均曲率(可以差一個(gè)常數(shù))。
[編輯]空間曲線的曲率
對(duì)于一個(gè)以參數(shù)化形式給出的空間曲線 其曲率為
[編輯]三維空間中的曲面曲率
對(duì)于嵌入在歐幾里得空間R3中的二維曲面,有兩種曲率存在:高斯曲率和平均曲率。為計(jì)算在曲面給定點(diǎn)的曲率,考慮曲面和由在該點(diǎn)的法向量和某一切向量所確定的平面的交集。這個(gè)交集是一個(gè)平面曲線,所以有一個(gè)曲率;如果選擇其它切向量,這個(gè)曲率會(huì)改變,并且有兩個(gè)極值-最大和最小曲率,稱為主曲率 k1 和k2,極值方向稱為主方向。這里我們采用在曲線向和曲面選定法向的相同方向繞轉(zhuǎn)的時(shí)候把曲率置為正數(shù),否則為負(fù)的約定。
高斯曲率,以高斯命名,等于主曲率的乘積,k1k2. 它的單位為1/長(zhǎng)度2,對(duì)于球、橢球、雙葉雙曲面的一葉、橢圓拋物面為正,對(duì)于偽球面、 單葉雙曲面、雙曲拋物面為負(fù),對(duì)平面、圓柱面為0。它決定了曲面局部是凸(正的時(shí)候)還是局部鞍點(diǎn)(負(fù)的時(shí)候)。
高斯曲率的以上定義是外在的,因?yàn)樗昧饲嬖?nbsp;R3中的嵌入,法向量,外部平面等等。但是高斯曲率實(shí)際上是曲面的內(nèi)在屬性,也就是它不依賴于曲面的特定嵌入;直觀的講,這意味著活在曲面上的螞蟻可以確定高斯曲率。形式化的,高斯曲率只依賴于曲面的黎曼度量。這就是高斯著名的絕妙定理,在他在研究地理測(cè)繪和地圖制作時(shí)發(fā)現(xiàn)。
高斯曲率在一點(diǎn)P的內(nèi)在定義的一種:想象一直用一條長(zhǎng)為r的短線綁在P。她在線拉直的時(shí)候繞P點(diǎn)跑并測(cè)量繞P點(diǎn)的一圈的周長(zhǎng)C(r)。如果曲面是平的,她會(huì)發(fā)現(xiàn) C(r) = 2πr。在彎曲的曲面上,C(r)的公式不同,P點(diǎn)的高斯曲率 K可以這樣計(jì)算:
高斯曲率在整個(gè)曲面上的積分和曲面的歐拉示性數(shù)有密切關(guān)聯(lián);參見(jiàn)高斯-博內(nèi)定理。
平均曲率等于主曲率的和,k1+k2,除以 2。其單位為1/長(zhǎng)度。平均曲率和曲面面積的第一變分密切相關(guān),特別的,像肥皂膜這樣的最小曲面平均曲率為0,而肥皂泡平均曲率為常數(shù)。不像高斯曲率,平均曲率依賴于嵌入,例如,一個(gè)圓柱和一個(gè)平面是局部等距的,但是平面的平均曲率為0,而圓柱的非零。
回答時(shí)間:2012-9-3