圆的曲率

之前介绍过为圆半径的倒数,即有。本节通过来重新推导一下。

1 曲线对直线的偏离速度

本次推导的思路用一句话来说就是:越弯曲的曲线偏离直线的速度越快。所以接下来我们就会尝试定义曲线对直线的偏离速度。

在下图中有两半径不同的圆,将各自的切线都转动。容易观察出,在这个过程中,左边的圆半径较小,经过的弧长较短;右边的圆半径较大,经过的弧长较长。

切线都转动了,但是有

或这么来理解上述过程,两个圆的切线都转动了,也就意味着都偏离了直线。但前者完成转动所需的弧长较短,也就是说偏离直线的速度更快;而后者完成转动所需的弧长较长,也就是说偏离直线的速度较慢。所以可以将圆偏离直线的速度定义为,这也可以认为是圆的曲率的定义式,值越大说明圆的弯曲程度越大。比如在这里就有:

上述分析也是符合日常经验的,就好像在地球上行走,就算只是想要转动 0.01 弧度,但因为需要走过的弧长实在太远,偏离直线的速度太慢,再加上周围高山、森林阻碍视线,人们很难发现自己是在球体上,所以我们一度认为地球是平的。

棒球、篮球和地球

这也符合说的,半径越小的圆的弯曲程度越大。

2 圆的曲率的推导

按照上述定义,下面来化简下圆的曲率。设某圆的半径为,其圆心在原点,则其参数方程为:

若切线从圆上的点出发,转过后到达点,走过的弧长为。根据简单的几何知识,可以证明对应的圆心角为,如下图所示。

半径为的某圆,其切线从圆上点出发,转过后到达

点坐标为,则点坐标为,所以就是圆的参数方程在区间上的弧长。根据,有:

所以,和之前定义的是一样的。

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