曲率

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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(diopter)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

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

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

嵌入在任意维欧氏空间中的曲线(空间曲线)的的完整处理参看参数曲线条目。

[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，考虑曲面和交曲面与该点的包含法向量的平面的交集。这个交集是一个平面曲线，所以有一个曲率；如果变化这个包含固定法向量的平面，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，对于球为正,对于双曲面的一叶为负，对平面为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Theorem Egregium，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式局部等距的，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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