曲率的理解


曲率

曲率 是衡量彎曲的程度。

曲率的直觀感受

方便引入曲率的概念,先從兩個特殊的例子來直觀上感受曲率

直線

對直線來說,沒有彎曲的地方,顯然曲率到處都是0。

對圓來說,任何地方的曲率都是相同的,所以圓的曲率是個常數。直觀上來看,半徑大的圓比半徑小的圓更"平直"一些,那么大圓的曲率相比來說就要小一些。

怎么量化圓的曲率呢?

假設圓的半徑為R,弧長為$$2 \pi R$$,那么曲率=$$\frac{2 \pi}{2 \pi R} = \frac{1}{R}$$ 。

一般化推導

對圓的局部而言,圓的彎曲程度 可以用 切線斜角的變化 與 弧長變化 之商 來表示。

舉個例子,

如上圖所示,從P點到Q點,切線角的變化量為$$\angle POQ$$,弧長的變化為$$\widehat{PQ}$$,所以曲率=$$\frac{\angle POQ}{\widehat{PQ}}=\frac{\theta}{\theta*R}=\frac{1}{R}$$。

對一般曲線而言,

如上圖所示,曲線從P點到Q點,切線角的變化量為$$\theta​$$,將其除以弧長的變化量$$\widehat{PQ}​$$,然后讓Q逼近P點,

極限值 = $$\lim_{Q \to P} \frac{\theta}{\widehat{PQ}}$$,即可得到曲線在P點的曲率。

從這個推到也可以看出,直線的曲率為0,圓的曲率為其半徑的倒數。

最后,來兩張比較好的圖



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