(1)求出曲率半径。已知点及其左右两侧的点以及点,将它们在函数曲线上的对应点标记为点、点和点,它们的坐标可以用分别表示为:
上面所描述的可以图示如下:
容易知道,点、点和点唯一确定一个圆,标记其半径为。也唯一确定一个三角形,顶点、、的对边分别标记为、、,如下图所示。
该圆实际上是的外接圆,假设的面积为,根据外接圆半径公式可得,所以只要算出了、、以及就可以求出,下面分别来计算。
上述三边可以用如下来表示,这些就是要求的的边长:
其中边长、可以围成如下图所示的平行四边形,要求的的面积是平行四边形面积的一半。
平行四边形的可通过算出,即:
注意到是包含正负号的,所以平行四边形的面积需要加上绝对值:
因为的面积为平行四边形面积的一半,因此:
至此可以得到:
上下同除以可得:
之前分析过,将两侧的点不断靠近点,最终得到圆就是曲率圆,如下面的动图所示。也就是当时,上述圆的半径就会趋于曲率圆的半径,即有。
所以下面来计算,先分别求出各项的极限,首先:
然后:
同理:
最后还有:
所以可得:
(2)求出曲率圆的圆心。假设曲率圆的圆心坐标为,半径为,则其满足如下方程:
通过可求出上述方程的导函数:
又知道曲率圆和曲线在点,有相同的切线(这个结论应该也不反直觉,这里不做证明):
根据曲率圆过点,和曲线在点有公共切线,可以联立两个方程:
消去后可得:
因为曲率圆是曲线的近似,所以容易理解圆心总在曲线凹的一侧,那么当的时候曲线为,必有:
同样当的时候曲线为,必有:
总之,与异号,因此:
回代:
所以最终得到密切圆的圆心为: