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曲线的挠率

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本文讨论于三维空间中曲线的挠率,关于挠率的其他用法,参见主条目挠率

在初等三维曲线的微分几何中,一条曲线挠率(torsion,或译扭率)度量了其扭曲的程度,即偏离平面曲线的程度。空间曲线的曲率和挠率在一起,与平面曲线的曲率类似。例如,他们都是弗勒内标架微分方程组中的系数,由弗勒内-塞雷公式给出。

定义

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C 是一条用弧长参数s{\displaystyle s}给出的空间曲线,单位切向量为t{\displaystyle {\boldsymbol {t}}}。如果在某一点C曲率κ{\displaystyle \kappa }不等于 0,那么主法向量次法向量分别是

n=tκ,b=t×n.{\displaystyle \mathbf {n} ={\frac {\mathbf {t} '}{\kappa }},\quad \mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} .}

其中撇号代表对参数s{\displaystyle s}的导数。空间曲线在一点处的切向量t{\displaystyle {\boldsymbol {t}}}和主法向量n{\displaystyle {\boldsymbol {n}}}所张成的平面就是密切平面,密切平面的法向量b=t×n{\displaystyle {\boldsymbol {b}}={\boldsymbol {t}}\times {\boldsymbol {n}}}是曲线的次法向量。如果曲线本身位于一个平面内,那么这个平面就是曲线的密切平面,相应的次法向量就是常向量。如果曲线不是平面曲线,则b{\displaystyle {\boldsymbol {b}}}不是常向量。因为b{\displaystyle {\boldsymbol {b}}}是单位向量,所以b{\displaystyle {\boldsymbol {b}}'}垂直于b{\displaystyle {\boldsymbol {b}}}。又因为b=t×n{\displaystyle {\boldsymbol {b}}={\boldsymbol {t}}\times {\boldsymbol {n}}},所以b=t×n+t×n=t×n{\displaystyle {\boldsymbol {b}}'={\boldsymbol {t}}'\times {\boldsymbol {n}}+{\boldsymbol {t}}\times {\boldsymbol {n}}'={\boldsymbol {t}}\times {\boldsymbol {n}}'},故b{\displaystyle {\boldsymbol {b}}'}也垂直于t{\displaystyle {\boldsymbol {t}}}。所以b{\displaystyle {\boldsymbol {b}}'}n{\displaystyle {\boldsymbol {n}}}共线。

挠率τ{\displaystyle \tau }度量了次法向量在那一点旋转的速度。由方程

b=τn.{\displaystyle \mathbf {b} '=-\tau \mathbf {n} .}

得出

τ=nb.{\displaystyle \tau =-\mathbf {n} \cdot \mathbf {b} '.}

注:次法向量的导数垂直于次法向量和切向量,从而和主法向量成比例。式中的负号仅仅是出于习惯,是这个学科历史发展的副产品。

挠率半径,通常记为 σ,定义为:

σ=1τ.{\displaystyle \sigma ={\frac {1}{\tau }}\;.}

几何解释:挠率τ(s){\displaystyle \tau (s)}度量了次法向量的方向的改变。挠率越大,次法向量关于切向量所在的轴的转动越快。

性质

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  • 平面曲线的挠率处处为 0;反过来,如果一条正则曲线的挠率处处为 0,那么这条曲线在一个平面上。
  • 螺旋线的曲率和挠率都是常数;反之,任何空间曲线如果其曲率和挠率都是非零常数,必然是螺旋线。挠率为正是右手螺旋,为负是左手螺旋。
  • 定倾曲线或称一般螺线(即切向量与一个固定方向交为定角的曲线)的挠率与曲率之比为常数;反之,如果正则曲线的挠率与曲率之比为常数,那么曲线必是定倾曲线。

另一种描述

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r =r(t) 是空间曲线的参数方程。假设参数是正则的且曲线的曲率处处非 0。精确地说就是,r(t)关于t三次可微,且向量r(t),r(t){\displaystyle \mathbf {r'} (t),\mathbf {r''} (t)}线性无关

那么挠率可以由下面的公式表达出来:

τ=det(r,r,r)r×r2=(r×r)rr×r2.{\displaystyle \tau ={{\det \left({r',r'',r'''}\right)} \over {\left\|{r'\times r''}\right\|^{2}}}={{\left({r'\times r''}\right)\cdot r'''} \over {\left\|{r'\times r''}\right\|^{2}}}.}

这里撇号表示对t 求导数,× 号为向量的叉积。对r = (x,y,z),上述公式的分量形式为

τ=x(yzyz)+y(xzxz)+z(xyxy)(yzyz)2+(xzxz)2+(xyxy)2.{\displaystyle \tau ={\frac {x'''(y'z''-y''z')+y'''(x''z'-x'z'')+z'''(x'y''-x''y')}{(y'z''-y''z')^{2}+(x''z'-x'z'')^{2}+(x'y''-x''y')^{2}}}\;.}

例子:圆螺旋线r(t)=(acost,asint,bt) (a>0){\displaystyle {\boldsymbol {r}}(t)=(a\cos {t},a\sin {t},bt)\ (a>0)}的曲率、挠率都是常数,分别为

κ=aa2+b2,τ=ba2+b2{\displaystyle \kappa ={\frac {a}{a^{2}+b^{2}}},\quad \tau ={\frac {b}{a^{2}+b^{2}}}}

参考文献

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Andrew Pressley,Elementary Differential Geometry, Springer Undergraduate Mathematics Series,Springer-Verlag,2001ISBN 1-85233-152-6

微分几何中定义的曲率的不同概念
曲线的微分几何
曲面的微分几何英语Differential geometry of surfaces
黎曼几何
联络的曲率
检索自“https://zh.wikipedia.org/w/index.php?title=曲线的挠率&oldid=53582705
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