曲率

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微积分学
微积分基础函数初等函数极限数列级数夹挤定理连续一致连续间断点一元微积分导数与微分高阶导数介值定理中值定理罗尔定理拉格朗日中值定理柯西中值定理泰勒公式洛必达法则求导法则乘法定则除法定则倒数定则复合函数求导法则导数的函数应用单调性极值驻点拐点凹凸性曲率积分积分的定义黎曼积分达布积分勒贝格积分不定积分积分表三角函数积分表反函数积分表反双曲函数积分表对数函数积分表指数函数积分表无理函数积分表有理函数积分表换元积分法分部积分法三角换元法降次积分法部分分式积分法定积分牛顿-莱布尼茨公式广义积分判别法柯西判别法阿贝尔判别法狄里克雷判别法主值柯西主值 β函数 Γ函数数值积分牛顿-寇次公式辛普森积分法多元微积分多元函数微分多元函数偏导数隐函数全微分方向导数梯度泰勒公式拉格朗日乘数多元函数积分重积分二重-三重-多重广义重积分曲线积分曲面积分格林公式高斯公式斯托克斯公式散度和旋度微分方程常微分方程分离变数法积分因子欧拉方法柯西-欧拉方程伯努利微分方程克莱罗方程全微分方程线性微分方程差分方程拉普拉斯变换法偏微分方程拉普拉斯方程微积分的应用微积分的几何应用平面图形的面积平面曲线的切线和弧长平面曲线的曲率旋转体的体积旋转曲面的面积曲面的切平面和法线空间曲线的切线和法平面微积分的物理应用运动的位移、加速度力所做的功物质的质量静力矩、惯性矩和重心微积分的经济应用边际弹性、交叉弹性收益流的现值和将来值成本分析、净资产分析

曲率是几何体不平坦程度的一种衡量。平坦对不同的几何体有不同的意义(对曲线就是直线，对曲面就是平面)。

本文考虑基本的情况，欧氏空间中的曲线和曲面的曲率。一般意义下的曲率，请参照曲率张量。

[编辑] 平面曲线的曲率

对于平面曲线 C, 在一点P的曲率大小等于密切圆的半径的倒数, 它是一个指向该圆圆心的向量。其大小可用屈光度(dioptre)衡量，1屈光度等于1(弧度)每米。

密切圆的半径越小，曲率越大；所以曲线接近平直的时候，曲率接近0，而当曲线急速转弯时，曲率很大。

直线曲率处处为0；半径为r的圆曲率处处为1/r。

[编辑] 局部表达式

若曲線 $y = f (x)$ 其曲率為

$\kappa= \frac{f''(x)}{({1+f'(x)^2)}^{3/2}}$

对于一个以参数化形式给出的平面曲线 $c (t) = (x (t), y (t))$ 其曲率为

$\kappa= \frac{\dot x(t) \ddot y(t) - \ddot x(t) \dot y(t)}{(\dot x(t)^2 + \dot y(t)^2)^{3/2}}$

其中点表示对 t 的微分.

对于隐式给出的平面曲线 $f (x, y) = 0$ 其曲率为

$\kappa= \nabla\cdot\left(\frac{\nabla f}{\|\nabla f\|}\right)$

也就是,f的梯度的方向的散度。最后的公式也给出了在欧式空间中的超曲面的平均曲率(可以差一个常数)。

[编辑] 空间曲线的曲率

如果空间曲线的参数方程为 $c(t) = (x(t),y(t),z(t))\,$ ，

则曲率为：

$F[x,y,z]=\frac{\sqrt{(z''y'-y''z')^2+(x''z'-z''x')^2+(y''x'-x''y')^2}}{(x'^2+y'^2+z'^2)^{3/2}}$

[编辑] 三维空间中的曲面曲率

对于嵌入在欧氏空间R³中的二维曲面,有两种曲率存在: 高斯曲率和平均曲率。为计算在曲面给定点的曲率，考虑曲面和由在该点的法向量和某一切向量所确定的平面的交集。这个交集是一个平面曲线，所以有一个曲率；如果选择其它切向量，这个曲率会改变，并且会有两个极值-最大和最小曲率，称为主曲率 k₁ 和k₂,极值方向称为主方向。这里我们采用在曲线向和曲面选定法向的相同方向绕转的时候把曲率置为正数，否则为负的常规。

高斯曲率, 以高斯命名,等于主曲率的乘积, k₁k₂. 它的单位为1/长度²，对于球、椭球、单叶双曲面、椭圆抛物面为正，对于伪球面、双叶双曲面的一叶、双曲抛物面为负，对平面、圆柱面为0。它决定了曲面局部是凸(正的时候)还是局部鞍点(负的时候)。

高斯曲率的以上定义是外在的,因为它用了曲面在 R³中的嵌入, 法向量, 外部平面等等。但是高斯曲率实际上是曲面的内在属性，也就是它不依赖于曲面的特定嵌入；直观的讲，这意味着活在曲面上的蚂蚁可以确定高斯曲率。形式化的，高斯曲率只依赖于曲面的黎曼度量。这就是高斯著名的絕妙定理，在他在研究地理测绘和地图制作时发现。

高斯曲率在一点P的内在定义的一种:想象一直用一条长为r的短线绑在P。她在线拉直的时候绕P点跑并测量绕P点的一圈的周长C(r)。如果曲面是平的，她会发现C(r) = 2πr。在弯曲的曲面上, C(r)的公式不同，P点的高斯曲率 K可以这样计算:

$K = \lim_{r \rarr 0} (2 \pi r - \mbox{C}(r)) \cdot \frac{3}{\pi r^3}.$

高斯曲率在整个曲面上的积分和曲面的欧拉特征数有密切关联；参见Gauss-Bonnet 定理.

平均曲率等于主曲率的和，k₁+k₂, 除以 2。其单位为1/长度. 平均曲率和曲面面积的第一变分密切相关，特别的，象肥皂膜这样的最小曲面平均曲率为0，而肥皂泡平均曲率为常数。不象高斯曲率，平均曲率依赖于嵌入，例如，一个圆柱和一个平面是局部等距的，但是平面的平均曲率为0，而圆柱的非零。

[编辑] 空间的曲率

在宇宙学上,需要考虑"空间的曲率",就是相应的伪黎曼流形的曲率，见黎曼流形的曲率。

没有曲率的空间成为平坦空间或欧氏空间。另见宇宙的形状。

[编辑] 参考

曲率形式包含对于有联络的向量丛和主丛的曲率的正确描述。
黎曼流形曲率有高斯曲率在高维黎曼流形上的推广。
曲率向量和测地曲率黎曼曲面上的曲线的曲率的描述。
高斯映射有高斯曲率的更多几何属性。
Gauss-Bonnet 定理有曲率的基本应用

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