Дифференцируемая кривая

Эта статья о кривых в евклидовом пространстве. Для кривых в произвольном топологическом пространстве см. Кривую .

Дифференциальная геометрия кривых — раздел геометрии , изучающий гладкие кривые на плоскости и в евклидовом пространстве методами дифференциального и интегрального исчисления .

Многие конкретные кривые были тщательно исследованы с использованием синтетического подхода . Дифференциальная геометрия идет другим путем: кривые представляются в параметризованной форме , а их геометрические свойства и различные связанные с ними величины, такие как кривизна и длина дуги , выражаются через производные и интегралы с помощью векторного исчисления . Одним из наиболее важных инструментов, используемых для анализа кривой, является система Френе , движущаяся система координат, которая обеспечивает систему координат в каждой точке кривой, которая «наилучшим образом адаптирована» к кривой вблизи этой точки.

Теория кривых намного проще и уже по объему, чем теория поверхностей и ее многомерные обобщения, поскольку регулярная кривая в евклидовом пространстве не имеет внутренней геометрии. Любая регулярная кривая может быть параметризована длиной дуги ( естественная параметризация ). С точки зрения теоретической точечной частицы на кривой, которая ничего не знает об окружающем пространстве, все кривые будут выглядеть одинаковыми. Различные пространственные кривые отличаются только тем, как они изгибаются и скручиваются. Количественно это измеряется дифференциально-геометрическими инвариантами, называемыми кривизной и кручением кривой. Фундаментальная теорема о кривых утверждает, что знание этих инвариантов полностью определяет кривую.

Определения

Основная статья: Кривая

Параметрический ​ C ^р - кривая или C ^р - параметризация является векторной функцией $$\gamma :I\to \mathbb {R} ^{n}$$то есть r -раз непрерывно дифференцируемы (т. е. функции-компоненты γ непрерывно дифференцируемы), где $n\in \mathbb {N}$, $r\in \mathbb {N} \cup \{\infty \}$, а I — непустой интервал действительных чисел. Изображение кривой параметрической $\gamma [I]\subseteq \mathbb {R} ^{n}$. Параметрическую кривую γ и ее образ γ [ I ] необходимо различать, поскольку данное подмножество $\mathbb {R} ^{n}$ может быть изображением множества различных параметрических кривых. Параметр t в γ ( t ) можно рассматривать как представляющий время, а γ движущейся — траекторию точки в пространстве. Когда I — замкнутый интервал [ a , b ] , γ ( a ) называется начальной точкой, а γ ( b ) — конечной точкой γ . Если начальная и конечная точки совпадают (т. е. γ ( a ) = γ ( b ) ), то γ — замкнутая кривая или петля . Быть С ^р -лупа, функция γ должна быть r -раз непрерывно дифференцируемой и удовлетворять условиям γ ^{( к )} ( а ) = с ^{( к )} ( б ) для 0 ≤ k ≤ р .

Параметрическая кривая является простой , если $$\gamma |_{(a,b)}:(a,b)\to \mathbb {R} ^{n}$$является инъективным . Оно аналитично , если каждая составляющая функция γ является аналитической функцией , то есть принадлежит классу C. ^ой .

Кривая γ является регулярной порядка m (где m ⩽ r если для каждого t ∈ I ) , $$\left\{\gamma '(t),\gamma ''(t),\ldots ,{\gamma ^{(m)}}(t)\right\}$$является линейно независимым подмножеством $\mathbb {R} ^{n}$. В частности, параметрический C ¹ -кривая γ является регулярной тогда и только тогда, когда γ ′ ( t ) ≠ 0 для любого t ∈ I .

Репараметризация и отношение эквивалентности

См. также: Вектор положения и векторная функция.

Учитывая изображение параметрической кривой, существует несколько различных параметризаций параметрической кривой. Дифференциальная геометрия стремится описать свойства параметрических кривых, которые инвариантны при определенных перепараметризациях. Должно быть определено подходящее отношение эквивалентности на множестве всех параметрических кривых. Дифференциально-геометрические свойства параметрической кривой (такие как ее длина, рамка Френе и ее обобщенная кривизна) инвариантны при перепараметризации и, следовательно, свойства самого класса эквивалентности . Классы эквивалентности называются C ^р -кривые и являются центральными объектами, изучаемыми в дифференциальной геометрии кривых.

Два параметрических C ^р -кривые, $\gamma _{1}:I_{1}\to \mathbb {R} ^{n}$ и $\gamma _{2}:I_{2}\to \mathbb {R} ^{n}$, называются эквивалентными тогда и только тогда, когда существует биективное C ^р -map φ : I ₁ → I ₂ такое, что $$\forall t\in I_{1}:\quad \varphi '(t)\neq 0$$и $$\forall t\in I_{1}:\quad \gamma _{2}{\bigl (}\varphi (t){\bigr )}=\gamma _{1}(t).$$ что γ ₂ является перепараметризацией γ Тогда говорят , ₁ .

Повторная параметризация определяет отношение эквивалентности на множестве всех параметрических C ^р -кривые класса С ^р . Класс эквивалентности этого отношения просто C ^р -изгиб.

Еще более тонкое отношение эквивалентности ориентированного параметрического C ^р -кривые можно определить, потребовав, чтобы φ удовлетворяла φ ′ ( t ) > 0 .

Эквивалентный параметрический C ^р -кривые имеют одинаковое изображение и эквивалентный ориентированный параметр C ^р -кривые даже пересекают изображение в одном направлении.

Длина и естественная параметризация

Основная статья: Длина дуги

См. Также: Кривая § Длина кривой.

Длина l параметрического C ¹ -изгиб $\gamma :[a,b]\to \mathbb {R} ^{n}$ определяется как $$l~{\stackrel {\text{def}}{=}}~\int _{a}^{b}\left\|\gamma '(t)\right\|\,\mathrm {d} {t}.$$Длина параметрической кривой инвариантна при перепараметризации и, следовательно, является дифференциально-геометрическим свойством параметрической кривой.

Для каждого регулярного параметрического параметра C ^р -изгиб $\gamma :[a,b]\to \mathbb {R} ^{n}$, где r ≥ 1 , функция определяется $$\forall t\in [a,b]:\quad s(t)~{\stackrel {\text{def}}{=}}~\int _{a}^{t}\left\|\gamma '(x)\right\|\,\mathrm {d} {x}.$$Записывая γ (s) = γ ( t ( s )) , где t ( s ) — обратная функция s ( t ) . Это перепараметризация γ для γ , которая называется параметризация длины дуги , естественная параметризация , параметризация единичной скорости . Параметр s ( t ) называется параметром γ . естественным

Эта параметризация предпочтительна, потому что естественный параметр s ( t ) пересекает изображение γ с единичной скоростью, так что $$\forall t\in I:\quad \left\|{\overline {\gamma }}'{\bigl (}s(t){\bigr )}\right\|=1.$$На практике часто очень сложно вычислить естественную параметризацию параметрической кривой, но это полезно для теоретических рассуждений.

Для данной параметрической кривой γ естественная параметризация единственна с точностью до сдвига параметра.

Количество $$E(\gamma )~{\stackrel {\text{def}}{=}}~{\frac {1}{2}}\int _{a}^{b}\left\|\gamma '(t)\right\|^{2}~\mathrm {d} {t}$$иногда называют энергией или действием кривой; это название оправдано, поскольку уравнения геодезических представляют собой Эйлера – Лагранжа уравнения движения для этого действия.

рамка Френе

Основная статья: формулы Френе – Серре

Иллюстрация системы Френе для точки на пространственной кривой. T — единичный тангенс, P — единичная нормаль, а B — единичная бинормаль.

Кадр Френе — это движущаяся система отсчета из n ортонормированных векторов e _i ( t ), которые используются для описания кривой локально в каждой точке γ ( t ) . Это основной инструмент дифференциально-геометрической обработки кривых, поскольку гораздо проще и естественнее описывать локальные свойства (например, кривизну, кручение) в терминах локальной системы отсчета, чем использовать глобальную, такую ​​как евклидовы координаты.

Учитывая C ^{п + 1} -кривая γ в $\mathbb {R} ^{n}$ регулярного порядка n, рамка Френе для кривой представляет собой набор ортонормированных векторов $$\mathbf {e} _{1}(t),\ldots ,\mathbf {e} _{n}(t)$$называемые векторами Френе . Они строятся из производных γ ( t ) с использованием алгоритма ортогонализации Грама – Шмидта с $${\begin{aligned}\mathbf {e} _{1}(t)&={\frac {{\boldsymbol {\gamma }}'(t)}{\left\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t)\right\|}}\\[1ex]\mathbf {e} _{j}(t)&={\frac {{\overline {\mathbf {e} _{j}}}(t)}{\left\|{\overline {\mathbf {e} _{j}}}(t)\right\|}},&{\overline {\mathbf {e} _{j}}}(t)&={\boldsymbol {\gamma }}^{(j)}(t)-\sum _{i=1}^{j-1}\left\langle {\boldsymbol {\gamma }}^{(j)}(t),\,\mathbf {e} _{i}(t)\right\rangle \,\mathbf {e} _{i}(t){\vphantom {\Bigg \langle }}\end{aligned}}$$

Действительные функции χ _i ( t ) называются обобщенными кривизнами и определяются как $$\chi _{i}(t)={\frac {{\bigl \langle }\mathbf {e} _{i}'(t),\mathbf {e} _{i+1}(t){\bigr \rangle }}{\left\|{\boldsymbol {\gamma }}^{'}(t)\right\|}}$$

Система Френе и обобщенные кривизны инвариантны относительно перепараметризации и, следовательно, являются дифференциально-геометрическими свойствами кривой. Для кривых в $\mathbb {R} ^{3}$ $\chi _{1}(t)$ это кривизна и $\chi _{2}(t)$ это кручение.

Кривая Бертрана

Кривая Бертрана – это регулярная кривая в $\mathbb {R} ^{3}$ с тем дополнительным свойством, что в $\mathbb {R} ^{3}$ такие, что главные векторы нормали к этим двум кривым одинаковы в каждой соответствующей точке. Другими словами, если γ ₁ ( t ) и γ ₂ ( t ) — две кривые в $\mathbb {R} ^{3}$ такие, что для любого t две главные нормали N ₁ ( t ), N ₂ (t) равны, тогда γ ₁ и γ ₂ являются кривыми Бертрана, а γ ₂ называется сопряжением Бертрана для γ ₁ . Мы можем написать γ ₂ ( t ) = γ ₁ ( t ) + r N ₁ ( t ) для некоторой константы r .

Согласно задаче 25 в книге Кюнеля «Кривые дифференциальной геометрии – поверхности – многообразия» также верно, что две кривые Бертрана, не лежащие в одной и той же двумерной плоскости, характеризуются существованием линейного отношения a κ ( t ) + b τ ( t ) = 1 , где κ ( t ) и τ ( t ) — кривизна и кручение γ ₁ ( t ) , а a и b — вещественные константы с a ≠ 0 . Более того, произведение кручений пары кривых Бертрана постоянно. Если γ ₁ имеет более одного партнера по Бертрану, то их их бесконечно много. Это происходит только тогда, когда γ ₁ представляет собой круглую спираль.

Специальные векторы Френе и обобщенные кривизны

Основная статья: формулы Френе – Серре

Первые три вектора Френе и обобщенные кривизны можно визуализировать в трехмерном пространстве. К ним прикреплены дополнительные имена и дополнительная смысловая информация.

Касательный вектор

Если кривая γ представляет собой путь частицы, то мгновенная частицы в данной точке P выражается вектором , называемым вектором касательной к кривой в точке P. скорость Математически, учитывая параметризованный C ¹ кривая γ = γ ( t ) , для каждого значения t = t ₀ параметра вектор $$\gamma '(t_{0})=\left.{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}{\boldsymbol {\gamma }}(t)\right|_{t=t_{0}}$$— касательный вектор в точке P знак равно γ ( т ₀ ) . Вообще говоря, касательный вектор может быть равен нулю . Величина касательного вектора $$\left\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t_{0})\right\|$$— скорость в момент времени t ₀ .

Первый вектор Френе e ₁ ( t ) представляет собой единичный касательный вектор в том же направлении, определенный в каждой регулярной точке γ : $$\mathbf {e} _{1}(t)={\frac {{\boldsymbol {\gamma }}'(t)}{\left\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t)\right\|}}.$$Если t = s — натуральный параметр, то касательный вектор имеет единичную длину. Формула упрощается: $$\mathbf {e} _{1}(s)={\boldsymbol {\gamma }}'(s).$$Единичный касательный вектор определяет ориентацию кривой или прямое направление, соответствующее возрастающим значениям параметра. Единичный касательный вектор, взятый в виде кривой, повторяет сферическое изображение исходной кривой.

Нормальный вектор или вектор кривизны

кривой Вектор нормали , иногда называемый вектором кривизны , указывает на отклонение кривой от прямой линии.Это определяется как $${\overline {\mathbf {e} _{2}}}(t)={\boldsymbol {\gamma }}''(t)-{\bigl \langle }{\boldsymbol {\gamma }}''(t),\mathbf {e} _{1}(t){\bigr \rangle }\,\mathbf {e} _{1}(t).$$

Его нормализованная форма, единичный вектор нормали, представляет собой второй вектор Френе e ₂ ( t ) и определяется как $$\mathbf {e} _{2}(t)={\frac {{\overline {\mathbf {e} _{2}}}(t)}{\left\|{\overline {\mathbf {e} _{2}}}(t)\right\|}}.$$

Касательная и вектор нормали в точке t определяют соприкасающуюся плоскость в точке t .

Можно показать, что ē ₂ ( т ) ∝ е ′ ₁ ( т ) . Поэтому, $$\mathbf {e} _{2}(t)={\frac {\mathbf {e} _{1}'(t)}{\left\|\mathbf {e} _{1}'(t)\right\|}}.$$

Кривизна

Основная статья: Кривизна пространственных кривых

Первая обобщенная кривизна χ ₁ ( t ) называется кривизной и измеряет отклонение γ от прямой линии относительно соприкасающейся плоскости. Это определяется как $$\kappa (t)=\chi _{1}(t)={\frac {{\bigl \langle }\mathbf {e} _{1}'(t),\mathbf {e} _{2}(t){\bigr \rangle }}{\left\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t)\right\|}}$$ называется кривизной γ и в точке t . Можно показать, что $$\kappa (t)={\frac {\left\|\mathbf {e} _{1}'(t)\right\|}{\left\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t)\right\|}}.$$

обратная ​ кривизне $${\frac {1}{\kappa (t)}}$$называется радиусом кривизны .

Круг радиуса r имеет постоянную кривизну $$\kappa (t)={\frac {1}{r}}$$тогда как линия имеет кривизну 0.

Бинормальный вектор

Единичный вектор бинормали — это третий вектор Френе e ₃ ( t ) . Он всегда ортогонален единичному касательному и нормальному векторам в точке t . Он определяется как

$$\mathbf {e} _{3}(t)={\frac {{\overline {\mathbf {e} _{3}}}(t)}{\left\|{\overline {\mathbf {e} _{3}}}(t)\right\|}},\quad {\overline {\mathbf {e} _{3}}}(t)={\boldsymbol {\gamma }}'''(t)-{\bigr \langle }{\boldsymbol {\gamma }}'''(t),\mathbf {e} _{1}(t){\bigr \rangle }\,\mathbf {e} _{1}(t)-{\bigl \langle }{\boldsymbol {\gamma }}'''(t),\mathbf {e} _{2}(t){\bigr \rangle }\,\mathbf {e} _{2}(t)$$

В трехмерном пространстве уравнение упрощается до $$\mathbf {e} _{3}(t)=\mathbf {e} _{1}(t)\times \mathbf {e} _{2}(t)$$или чтобы $$\mathbf {e} _{3}(t)=-\mathbf {e} _{1}(t)\times \mathbf {e} _{2}(t),$$То, что может иметь место любой из этих знаков, иллюстрируется примерами правосторонней и левой спиралей.

Торсион

Основная статья: Кручение кривой

Вторая обобщенная кривизна t ₎ χ2( называется кручением и измеряет отклонение γ от плоской кривой . существует только одна соприкасающаяся плоскость Другими словами, если кручение равно нулю, кривая полностью лежит в одной и той же соприкасающейся плоскости (для каждой точки t ). Это определяется как $$\tau (t)=\chi _{2}(t)={\frac {{\bigl \langle }\mathbf {e} _{2}'(t),\mathbf {e} _{3}(t){\bigr \rangle }}{\left\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t)\right\|}}$$ называется кручением γ и в точке t .

Аберрантность

Третья производная может использоваться для определения отклонения — показателя некруглости кривой.

Основная теорема теории кривых

Основная статья: Основная теорема о кривых

Даны n - 1 функции: $$\chi _{i}\in C^{n-i}([a,b],\mathbb {R} ^{n}),\quad \chi _{i}(t)>0,\quad 1\leq i\leq n-1$$то существует единственный (с точностью до преобразований с помощью евклидовой группы ) C ^{п + 1} -кривая γ, которая является регулярной порядка n и обладает следующими свойствами: $${\begin{aligned}\|\gamma '(t)\|&=1&t\in [a,b]\\\chi _{i}(t)&={\frac {\langle \mathbf {e} _{i}'(t),\mathbf {e} _{i+1}(t)\rangle }{\|{\boldsymbol {\gamma }}'(t)\|}}\end{aligned}}$$где набор $$\mathbf {e} _{1}(t),\ldots ,\mathbf {e} _{n}(t)$$— система Френе для кривой.

Дополнительно обеспечивая начало t ₀ в I , начальную точку p ₀ в $\mathbb {R} ^{n}$ и исходный положительный ортонормированный репер Френе { e ₁ , ..., e _{n − 1} } с $${\begin{aligned}{\boldsymbol {\gamma }}(t_{0})&=\mathbf {p} _{0}\\\mathbf {e} _{i}(t_{0})&=\mathbf {e} _{i},\quad 1\leq i\leq n-1\end{aligned}}$$евклидовы преобразования устраняются, чтобы получить единственную кривую γ .

Формулы Френе – Серре

Основная статья: формулы Френе – Серре

Формулы Френе–Серре представляют собой совокупность обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка. Решением является набор векторов Френе, описывающих кривую, заданную обобщенными функциями кривизны χ _i .

2 измерения

$${\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}'(t)\\\mathbf {e} _{2}'(t)\end{bmatrix}}=\left\Vert \gamma '(t)\right\Vert {\begin{bmatrix}0&\kappa (t)\\-\kappa (t)&0\\\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}(t)\\\mathbf {e} _{2}(t)\end{bmatrix}}$$

3 измерения

$${\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}'(t)\\[0.75ex]\mathbf {e} _{2}'(t)\\[0.75ex]\mathbf {e} _{3}'(t)\end{bmatrix}}=\left\Vert \gamma '(t)\right\Vert {\begin{bmatrix}0&\kappa (t)&0\\[1ex]-\kappa (t)&0&\tau (t)\\[1ex]0&-\tau (t)&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}(t)\\[1ex]\mathbf {e} _{2}(t)\\[1ex]\mathbf {e} _{3}(t)\end{bmatrix}}$$

n измерений (общая формула)

$${\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}'(t)\\[1ex]\mathbf {e} _{2}'(t)\\[1ex]\vdots \\[1ex]\mathbf {e} _{n-1}'(t)\\[1ex]\mathbf {e} _{n}'(t)\\[1ex]\end{bmatrix}}=\left\Vert \gamma '(t)\right\Vert {\begin{bmatrix}0&\chi _{1}(t)&\cdots &0&0\\[1ex]-\chi _{1}(t)&0&\cdots &0&0\\[1ex]\vdots &\vdots &\ddots &\vdots &\vdots \\[1ex]0&0&\cdots &0&\chi _{n-1}(t)\\[1ex]0&0&\cdots &-\chi _{n-1}(t)&0\\[1ex]\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}(t)\\[1ex]\mathbf {e} _{2}(t)\\[1ex]\vdots \\[1ex]\mathbf {e} _{n-1}(t)\\[1ex]\mathbf {e} _{n}(t)\\[1ex]\end{bmatrix}}$$

См. также

• Список тем кривых

Дальнейшее чтение

• Крейциг, Эрвин (1991). Дифференциальная геометрия . Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN  0-486-66721-9 . Глава II представляет собой классическое рассмотрение теории кривых в трех измерениях.