Лекция Пространственные кривые. Задание линии в пространстве. Касательная кривой. длина кривой. Натуральный параметр кривой
(лекции №3, 4, 5,практические занятия №2, 3, контр. работа 20 мин.)
1)Понятие кривой в пространстве. Параметрическое задание кривой.
2)Уравнения касательной в случае параметрического задания кривой и в случае задания кривой, как пересечения двух поверхностей.
3)Длина дуги кривой. Натуральный параметр кривой.
4)Определение 2.1 (Круг, радиус и центр кривизны, кривизна)
5)Определение 2.2 (главная нормаль и формула для её нахождения).
6)Определение 2.3 (бинормаль и формула для её нахождения).
7)Определение 2.4 (плоскостей сопровождающего трёхгранника).
8)Формулы Френе. Кручение.
9)Определение 2.5 (эволюты). Уравнение эволюты.
10)Определение 2.6 (эвольвенты).
2.1 ЗАДАНИЕ ЛИНИИ В ПРОСТРАНСТВЕ.
Под кривой в пространстве будем понимать множествоГточек в пространстве, заданное, как непрерывный образ некоторого промежутка числовой оси.
Кривую можно задать параметрически:
(2.1)
или как годограф вектор-функции , .
2.2 КАСАТЕЛЬНАЯ КРИВОЙ.
Кривая называется дифференцируемой, непрерывно дифференцируемой, дважды дифференцируемой и т.д., если соответственно координатные функции в формуле (2.1) дифференцируемы, непрерывно дифференцируемы, дважды дифференцируемы и т.д.
ПустьГ– дифференцируемая кривая, заданная как годограф вектор-функции ; и Тогда прямая, являющаяся касательной к годографу вектор – функции в конце радиус – вектора , называется касательной к кривойГ.Поскольку по геометрическому смыслу является направляющим вектором касательной, уравнения касательной в точкеМ0(х0,y0,z0)можно записать в виде:
(2.2)
В случае задания кривой уравнениями
x=x,y=f(x),
(здесь роль параметра играет переменнаях), уравнения касательной имеют вид:
(2.3)
Составим уравнение касательной к кривой, заданной, как пересечение двух поверхностей, заданных уравнениями в неявной форме
Дифференцируя эти тождества, получим
Отсюда видно, что вектор касательной перпендикулярен каждому из векторов , т.е. коллинеарен их векторному произведению
(2.5)
Если на кривой указать положительное направление, соответствующее возрастанию параметраt,то вектор называют касательным вектором ориентированной кривой.
Углом между ориентированными кривыми, пересекающимися в некоторой точке, называется угол между их касательными в этой точке.
Пример 2.1Составить уравнения касательной к винтовой линии: в произвольной точкеtи для .
Решение. Так как то уравнение касательной в произвольной точке согласно (2.2) будет иметь вид
.
В частности при :
Пример 2.2Составить уравнения касательной к кривой Вивиани:x 2 +y 2 +z 2 =R 2 ,x 2 +y 2 =Rxв точкеМ0(R/2,R/2, ).
Решение: Кривая Вивиани является линией пересечения поверхностей сферы с центром в начале координат и кругового цилиндра с центром (образующей), смещенным вдоль оси (в данном случае)Охна величину, равную радиусу цилиндра. Диаметр цилиндра равен радиусу сферы.
Запишем уравнения поверхностей в неявном виде
x 2 +y 2 +z 2 –R 2 =0,
x 2 +y 2 –Rх=0.
Тогда и согласно (2.2) уравнения касательной в произвольной точке линии будут иметь вид
или
В точкеМ0(R/2,R/2, )уравнение касательной:
2.3ДЛИНА КРИВОЙ. НАТУРАЛЬНЫЙ ПАРАМЕТР КИВОЙ.
Рассмотрим дугу непрерывно дифференцируемой кривой
Г: x=x(t), y=y(t), z=z(t), .
В разделе «Определённый интеграл» мы получили формулу для нахождения длины дуги кривой:
(2.6)
Если в качестве параметра выбрана координатах,и криваязадана уравнениями:x=x,y=y(x),z=z(x), ,то:
.
При переменном верхнем пределе длина дуги будет переменной величиной:
,отсюда:
.(2.7)
Если параметромtкривой является переменная длина дугиs, то координаты точки М кривой будут зависеть от длины дугиs=АМ:x=x(s),y=y(s),z=z(s)(естественная параметризация).Тогда в формуле (2.7) и, следовательно, , т.е. вектор будет единичным вектором касательной к кривой.
Точка(x(t0),y(t0),z(t0))кривой называется особой, если , и неособой, если .
Для всякой непрерывно дифференцируемой кривой без особых точек существует ее представление , в котором за параметрsвзята переменная длина дуги этой кривой, т.е. натуральнаяпараметризация.
Пример 2.3Найти длину дугиs(t)винтовой линии
x=acost,y=asint,z=bt, .(2.7)
Решение: Касательный вектор винтовой линии равен . Тогда
Пример 2.4Записать натуральную параметризацию винтовой линии.
Решение: Длина дуги линии .Отсюда Подставляяtв выраженияx(t),y(t),z(t),получим уравнение винтовой линии в естественной (натуральной) параметризации:
где
VMath
Инструменты сайта
Основное
Навигация
Информация
Действия
Содержание
Касательная, нормальная плоскость, соприкасающаяся плоскость, бинормаль, главная нормаль, репер Френе
Краткие теоретические сведения
Кривая в пространстве
Рассмотрим в пространстве гладкую кривую $\gamma$.
Пусть точка $M$ принадлежит данной кривой и отвечает значению параметра $t=t_0$. Тогда радиус-вектор и координаты данной точки равны:
\begin
Пусть в точке $M$ $ \vec
Касательная к кривой
Касательная к кривой, проведенная в точке $M$, имеет направляющий вектор коллинеарный вектору $\vec
Пусть $\vec
Здесь $\lambda\in(-\infty,+\infty)$ — параметр, определяющий положение точки на касательной (то есть разным значениям $\lambda$ будут соответствовать разные значения $\vec
Если $\vec
Нормальная плоскость
Плоскость, проходящую через данную точку $M$ кривой $\gamma$ перпендикулярно касательной в этой точке, называют нормальной плоскостью.
Пусть $\vec
Если расписать покоординатно, то получим следующее уравнение:
\begin
Соприкасающаяся плоскость
Плоскость, проходящую через заданную точку $M$ кривой $\gamma$ параллельно векторам $\vec
Если $\vec
Зная координаты точки и векторов, определяющих плоскость, запишем смешанное произведение через определитель. Получим следующее уравнение соприкасающейся плоскости:
\begin
Бинормаль и главная нормаль
Прямая, проходящая через точку $M$ кривой $\gamma$ перпендикулярно касательной к кривой в этой точке, называется нормалью.
Таких кривых можно провести бесконечно много, все они образуют нормальную плоскость. Мы выделим среди нормалей две — бинормаль и главную нормаль.
Нормаль, перпендикулярную соприкасающейся плоскости, называют бинормалью.
Нормаль, лежащую в соприкасающейся плоскости, называют главной нормалью.
Из определения бинормали (перпендикулярна касательной и перпендикулярна соприкасающейся плоскости) следует, что в качестве ее направляющего вектора мы можем взять векторное произведение $ \vec
Как и раньше, $\vec
Из определения главной нормали (перпендикулярна касательной и перпендикулярна бинормали) следует, что в качестве ее направляющего вектора можно взять векторное произведение $\vec
Уравнение в каноническом виде распишите самостоятельно.
Спрямляющая плоскость
Плоскость, проходящую через заданную точку $M$ кривой $\gamma$ перпендикулярно главной нормали, называют спрямляющей плоскостью.
Другое определение: Плоскость, определяемую касательной к кривой и бинормалью в той же точке, называют спрямляющей плоскостью.
Второе определение позволяет записать уравнение спрямляющей плоскости через смешанное произведение трех компланарных векторов, определяющих эту плоскость $\vec
Репер Френе
Орт (то есть единичный вектор) касательной обозначим: $$ \vec<\tau>=\frac<\vec
Правая тройка векторов $\vec<\tau>$, $\vec<\nu>$, $\vec<\beta>$ называется репером Френе.
Решение задач
Задача 1
Кривая $\gamma$ задана параметрически:
Точка $M$, принадлежащая кривой, соответствует значению параметра $t=0$. Записать уравнения касательной, бинормали, главной нормали, нормальной плоскости, соприкасающейся плоскости и спрямляющей плоскости, проведенных к данной кривой в точке $M$. Записать векторы репера Френе.
Решение задачи 1
Задачу можно решать разными способами, точнее в разном порядке находить уравнения прямых и плоскостей.
Начнем с производных.
\begin
\begin
\begin
Поскольку направляющий вектор главной нормали у нас был найден как векторное произведение направляющих векторов касательной и бинормали, тройка $\vec<\tau>$, $\vec<\nu>$, $\vec<\beta>$ не будет правой (по определению векторного произведения вектор $\vec<\tau>\times\vec<\beta>$ направлен так, что тройка векторов $\vec<\tau>$, $\vec<\beta>$, $\vec<\nu>=\vec<\tau>\times\vec<\beta>$
— правая). Изменим направление одного из векторов. Например, пусть
Теперь тройка $\vec<\tau>$, $\vec<\nu>$, $\vec<\tilde<\beta>>$ образует репер Френе для кривой $\gamma$ в точке $M$.
Задача 2
Написать уравнение соприкасающейся плоскости к кривой $$ x=t,\,\, y=\frac
Решение задачи 2
Нетрудно заметить, что точка $N$ не принадлежит заданной кривой $\gamma$. Следовательно соприкасающаяся плоскость проведена в какой-то точке $M(t=t_0)\in\gamma$, но при этом плоскость проходит через заданную точку $N(0,0,9)$.
Найдем значение параметра $t_0$.
Для этого запишем уравнение соприкасающейся плоскости, проведенной в произвольной точке $M(t=t_0)$. И учтем, что координаты $N$ должны удовлетворять полученному уравнению.
Соприкасающаяся плоскость определяется векторами $\vec
\begin
Задача 3
Через точку $P\left(-\frac45,1,2\right)$ провести плоскость, являющуюся спрямляющей для кривой: $$ x=t^2,\,\, y=1+t,\,\, z=2t. $$
Решение задачи 3
Как и в предыдущей задаче нам неизвестны координаты точки, в которой проведена спрямляющая плоскость к заданной кривой. Найдем их.
Спрямляющая плоскость определяется касательной и бинормалью, то есть векторами $\vec
Записываем уравнение спрямляющей плоскости: \begin
Раскрываем определитель. Подставляем в уравнение координаты точки $P$: $X=-4/5$, $Y=1$, $Z=2$. Упрощаем и получаем уравнение для нахождения $t_0$: \begin
Уравнения соприкасающихся плоскостей к заданной кривой, проходящих через $P$, принимают вид: \begin
Уравнение касательной к пространственной кривой
Пространственные кривые. Задание пространственной кривой. Регулярное задание кривой. Регулярная кривая. Неявное задание пространственной кривой. Касательная к пространственной кривой. Единичный вектор касательной. Бинормаль и главная нормаль и их единичные векторы. Нормальная, соприкасающаяся и спрямляющая плоскости. Ускорение при криволинейном движении и векторы сопровождающего трехгранника. Кривизна пространственной кривой. Теорема о прямой. Кручение пространственной кривой. Теорема о плоской кривой. Формулы Френе. Естественный параметр и натуральные уравнения кривой.
Основные определения, результаты, комментарии
Элементарной кривой в пространстве называется образ открытого интервала при его гомеоморфизме в евклидово трехмерное пространство.
Общей кривой на плоскости называется подмножество евклидова пространства, локально гомеоморфное прямой.
Как и в случае плоских кривых, всякая общая кривая допускает покрытие элементарными кривыми.
Кривая задана неявным способом
если координаты каждой точки кривой удовлетворяют обоим уравнениям .
Наиболее удобны и наиболее часто используются векторно-параметрическое представление
и координатно-параметрическое представление
отличающиеся лишь формой записи.
Определение регулярности параметрического представления пространственной кривой полностью аналогично плоскому случаю.
Неявное задание (5) кривой регулярно в точке , если матрица частных производных
имеет в этой точке ранг 2.
Понятия длины кривой, ее естественной параметризации, а также определение касательной полностью аналогичны тем же понятиям для плоских кривых. Направляющий вектор касательной — это, по-прежнему, производная , имеющая физический смысл скорости, если параметрическое представление кривой интерпретировать как кинематическое описание движения точки.
Нормальная плоскость кривой в точке — это плоскость, проходящая через точку ортогонально касательной.
Соприкасающейся плоскостью кривой в ее точке (рис. 17) называется содержащая эту точку плоскость , удовлетворяющая соотношению
где — точка, принадлежащая элементарной окрестности точки .
Спрямляющей плоскостью кривой в ее точке называется содержащая эту точку плоскость, ортогональная нормальной и соприкасающейся плоскостям в этой точке.
Прямые, ортогональные соприкасающейся и спрямляющей плоскостям в точке , называются соответственно бинормалью и главной нормалью кривой в точке .
Нормальная, соприкасающаяся и спрямляющая плоскости образуют сопровождающий трехгранник кривой , или трехгранник Френе , в точке , и называются его гранями . Касательная, бинормаль и главная нормаль называются ребрами сопровождающего трехгранника (рис. 18).
Уравнения элементов сопровождающего трехгранника вычисляются по следующим правилам:
Касательная | Нормальная плоскость |
Бинормаль | Соприкасающаяся плоскость |
Главная нормаль | Спрямляющая плоскость |
Единичные векторы
касательной |
главной нормали |
бинормали |
Если параметризация естественная , то вектор главной нормали может быть вычислен по формуле .
Вектор ускорения может быть разложен в сумму двух составляющих: нормальной (ортогональной вектору скорости) и тангенциальной (параллельной вектору скорости). При этом нормальная составляющая ускорения сонаправлена единичному вектору главной нормали.
Пусть и — две различные точки кривой , соответствующие значениям и естественного параметра. Тогда — длина дуги кривой, заключенной между точками и . Пусть — величина угла, образуемого касательной к кривой в точке по отношению к касательной в точке . Кривизна кривой в ее точке — это предел
В отличие от кривизны плоской кривой, кривизна пространственной кривой всегда положительна . Кривизна пространственной кривой в регулярной точке может быть вычислена по формулам:
если параметризация естественная. |
Пусть и — две различные точки кривой , соответствующие значениям естественного параметра и соответственно, и — единичные векторы бинормалей в этих точках (рис. 19).
Обозначим за величину угла между ними. Очевидно, этот угол равен углу, образованному соприкасающимися плоскостями в точках и .
Абсолютным кручением кривой в точке называют величину
Кручение кривой определяется в соответствии со следующим правилом: если при движении вдоль кривой по направлению возрастания параметра вектор бинормали поворачивается в сторону, указываемую вектором , в противном случае. Наглядно это означает, что кривая с положительным кручением «закручена» по правилу правого винта.
Кручение кривой в точке, соответствующей значению параметра , может быть вычислено по следующим формулам:
Для производных векторов , по естественному параметру справедливы формулы Френе :
Уравнения и называются натуральными уравнениями кривой. По натуральным уравнениям вид кривой может быть восстановлен с точностью до перемещения. В большинстве случаев решение такой задачи оказывается очень сложным.
1. Для данных представлений кривых укажите область допустимых значений параметра и область значений параметра, в которой задание кривой регулярно.
1)
2)
3)
4) .
2. Кривая задана неявными уравнениями. Изобразите на рисунке вид кривой. Постройте какое-нибудь параметрическое представления этой кривой. Укажите область допустимого изменения параметра и область регулярности параметризации.
1)
2) R,\;\; y>0;$ —> R,\;\; y>0;$»>
3)
3. Кривая Вивиани образована пересечением сферы радиуса и цилиндра радиуса , проходящего через центр сферы. Постройте параметрическое представление кривой Вивиани.
4. Винтовая линия. Окружность радиуса движется так, что ее центр перемещается вдоль оси , плоскость ортогональна оси . По окружности равномерно движется точка. В начальный момент времени точка имеет координаты . Составьте параметрические уравнения кривой, описываемой данной точкой.
5. Кривая задана пересечением цилиндрических поверхностей и Постройте параметрическое представление кривой , не содержащее радикалов, и дайте ее изображение.
6. Покажите, что линия
принадлежит сфере и является линией пересечения параболического и кругового цилиндров.
7. Найдите длину дуги линии
между плоскостями и .
8. Покажите, что кривая замкнута и имеет длину .
9. Запишите в естественной параметризации
a) винтовую линию ;
б) гиперболическую винтовую линию .
10. Кривая задана параметрически: 0. \end
Напишите уравнения
а) касательной и нормальной плоскости в точке (1/4; 1/3; 1/2);
б) касательной, параллельной плоскости .
11. Найдите линию, по которой касательные к линии
Сферической индикатрисой данной кривой называется геометрическое место концов единичных касательных векторов, отложенных от начала координат.
12. Дана винтовая линия
a) Напишите уравнение семейства касательных этой кривой;
б) убедитесь в том, что все касательные к винтовой линии образуют с плоскостью один и тот же угол;
в) составьте уравнение кривой, образуемой точками пересечения касательных с плоскостью ;
г) найдите сферическую индикатрису винтовой линии.
13. Докажите, что все нормальные плоскости кривой Вивиани (задача 3) проходят через начало координат.
14. Составьте уравнения бинормали и главной нормали кривой в указанной точке:
1)
2)
3) ;
4)
15. Найдите точки на кривой
в которых бинормаль параллельна плоскости .
16. Материальная точка движется в пространстве по закону
Укажите моменты времени, в которые
а) ее скорость равна нулю, и сравните их со значениями параметра , при которых параметризация траектории нерегулярна;
б) нормальное ускорение точки ортогонально .
17. Составьте уравнения ребер и граней сопровождающего трехгранника данной кривой в указанной точке
1)
2)
3)
4)
18. Для данной кривой вычислите кривизну в данной точке сначала по готовой формуле, а затем по следующему плану: 1) составьте уравнение поля единичных касательных векторов данной кривой; 2) вычислите абсолютную величину производной этого поля по естественному параметру. Результаты сравните.
1) 0,\;\; b\ne 0, \;\; t_0=\pi/2$ —> 0,\;\; b\ne 0, \;\; t_0=\pi/2$»>
2)
19. Для кривых задачи 18 вычислите абсолютное кручение в данной точке сначала по готовой формуле, а затем по следующему плану: 1) составьте уравнение поля единичных векторов бинормали данной кривой; 2) вычислите абсолютную величину производной этого поля по естественному параметру. Результаты сравните.
20. Вычислите кривизну и кручение данной кривой произвольной регулярной точке:
1) 0,\;\; b\ne 0$ —> 0,\;\; b\ne 0$»>;
2)
3)
4) .
21. Найдите точки распрямления следующих кривых:
1)
2)
3) .
22. Найдите точки уплощения и дуги, на которых кручение сохраняет свой знак, у следующих кривых:
1)
2)
23. Напишите натуральные уравнения, которым удовлетворяют следующие кривые:
1) 0,\;\; b\ne 0$ —> 0,\;\; b\ne 0$»>;
2)
24. Найдите точки на кривой
в которых кривизна принимает локально минимальное значение.
25. Найдите точки на кривой
в которых радиус кривизны достигает локального максимума.
26. Докажите, что следующие кривые плоские, и составьте уравнения плоскостей, в которых они расположены:
27. Найдите такую функцию , чтобы кривая
была плоской. Решите задачу двумя способами: 1) используя условие плоскости и 2) используя тот факт, что искомая кривая принадлежит круговому цилиндру (составьте его уравнение!). Результаты сравните.
28. Докажите, что если все соприкасающиеся плоскости линии проходят через неподвижную точку , то линия плоская.
29. Докажите, что если соприкасающиеся плоскости линии (отличной от прямой) параллельны некоторому вектору , то линия плоская.
30. Докажите, что если все нормальные плоскости линии параллельны некоторому вектору , то линия или прямая, или плоская.
http://vmath.ru/vf5/diffgeom/seminar1
http://cito-web.yspu.org/link1/metod/met21/node7.html