§3.9
曲率
一、弧微分
1、有向曲线与有向线段的概念
给定曲线
,取曲线上一固定点
作为度量弧长的基点。规定:曲线的正向为依
增大的方向。
对曲线上任一点
,弧段
是有向弧段,它的值
规定如下:
(1)、
的绝对值
等于该弧段的长度。
(2)、当有向弧段
的方向与曲线正向一致时,
,相反时
。

有向弧段
以后简称弧
。显然,弧
是
的函数,即
,而且是
的单调增加函数。
【例1】求曲线
的弧
。
解:选择
,对其上任一点
,弧
的长度是
。依弧
的规定有:

若
在
的右侧,即
,则
,应取
;
若
在
的左侧,即
,则
,应取
。
总之,
,显然弧
确为
的单增函数。
2、弧的导数与微分
设函数
的导函数
在
上连续,又设
,
为
内两点,在曲线上的对应点分别为
与
,取为曲线上的一固定点为
。再设对应于
的增量
,弧
的增量为
,有

![]()



令
,则
,
,
, ![]()
故 ![]()
因
是
的单调函数,根号前应取正号,于是
或 ![]()
进一步地改写可得弧微分公式

所代表的几何意义如下图所示:

二、曲率及其计算公式
1、曲率的概念
直觉与经验告诉我们:直线没有弯曲,圆周上每一处的弯曲程度是相同的,半径较小的圆弯曲得较半径较大的圆要厉害些,抛物线在顶点附近弯曲得比其他位置厉害些。
何为弯曲得厉害些? 即: 用怎样的数学量来刻划曲线弯曲的程度呢? 让我们先弄清曲线的弯曲与哪些因素有关。


下面,我们给出刻划曲线弯曲程度的数学量 - 曲率的定义。
设曲线
具有连续转动的切线,在
上选定一点
作为度量弧的基点。

设曲线
上的点
对应于弧
,切线的倾角为
,曲线上的另一点
对应于弧
,切线的倾角为
。那么,弧段
的长度为
,当切点从
移到点
时,切线转过的角度为
。
比值
表示单位弧段上的切线转角,刻划了弧
的平均弯曲程度。称它为弧段
的平均曲率。记作
。

当
时(即:
),上述平均曲率的极限就称着曲线在点
处的曲率,记作
。
(1)
当
存在时,有
。
由上述定义知,曲率是一个局部概念,谈曲线的弯曲应该具体地指出是曲线在哪一点处的弯曲,这样才准确。
2、曲率的计算
【例2】求半径为
的圆上任一点处的曲率。

圆周上的任一点处的曲率均为
,这表明:圆周的弯曲程度处处一样, 且半径较小的圆周弯曲得更厉害些。
由例一可发现,利用曲率定义来计算曲率十分不便。下面,我们来推导曲线的曲率计算公式。
设曲线的直角坐标方程为
,且
具有二阶导数。
(
是曲线的切线与
轴正向夹角)
两边对
求导得 ![]()
, 
又 ![]()
据曲率计算公式(1)有:
(2)
若曲线为直线
,因
,那么
。故直线的曲率为零。亦即:直线无弯曲。这与我们的常识是一致的。
假设曲线方程是参数方程
给出
则(2)式可相应地改成形式:
,
,
(3)
【例3】求抛物线
上任一点的曲率。

运行程序gs0304.m,可获得抛物线与其曲率函数的图象。
【例4】求立方抛物线
上任一点的曲率。

运行程序gs0305.m,可得立方抛物线与它的曲率函数的图象。

三、曲率圆与曲率半径

据上述定义有:
1、曲率与曲率半径的关系为:![]()
2、曲线与它的曲率圆在同一点处有相同的切线,曲率,凹向。因此,可用圆率圆在点处的一段圆弧来近似地替代曲线弧。
下面推导曲率圆中心
的坐标计算公式。
设
的坐标为
,曲线
在点
处的曲率圆方程为
![]()
其中:
是动点坐标, 而
(1)
因点
在曲率圆上,故
(2)
又曲线在点
处的切线与曲率圆的半径
垂直,故有
,
亦即:
(3)
(4)
由式(2)与式(4)消去
得:

注意到:当
,即曲线为凹弧时,
;
当
,即曲线为凸弧时,
,
总之
与
异号,因此,上式两边开方应取“ - ”号,有

将此式代入(3)式,有
,从而得
