当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第五节 定积分的几何应用 > 平面曲线的曲率
上一讲我们讲了曲线的弧长
那么这讲我们正式开始介绍曲线的曲率
所谓曲率是这么一个数
来刻画一条曲线的它的弯曲的程度
我们来看看曲率是如何引进的
在直角坐标系下如果有一条曲线L
在曲线上有一个点
这个点就是P0点
在P0点这个曲线就有一条切线
这是一条切线
假如说我这个P0点
沿着这条曲线移动一点点很小的位置
在图上我画的稍微大一点
这是P点
在P点这条曲线也有一个切线
那么由于这两条切线之间应该有一个夹角
切线之间的夹角
切线之间有夹角我们把它叫做△α
那么P和P0这两个点在这条L这条曲线上
就有一个小的很小的弧段弧长△l
我们把△α除以△l
当在极限意义下当P趋于P0
但是这个P当然是在这条曲线上趋于P0
我们把这个极限如果说存在
把这个极限的绝对值记成k
称为这条曲线L在P0这一点的曲率
那么我们来看看曲率第一个是一个数正数
那么曲率它的大小刻画了什么东西
在很小的一个弧段上
如果曲率比较大
那表示△α相对来说比较大
也就是说这条曲线在这点附近
它的弯曲程度就比较大
那么曲率比较小
表示这条曲线在这一点附近比较平缓
那么大家想过没有
如果L就是一条直线
L就是一条直线
这个时候我们画一下
L是一条直线的话我们知道L作为这么一条直线
它就是一个不弯曲的一条线
那么我们再来找一点
这一点如果叫做P0点
这一点叫做P点
无论P0也好P点也好
这条直线在P0点和P点的切线
它的斜率都是这个直线的它的夹角
所以如果说在极端的情况下一条直线的话
我们可以知道这两点它的切线的
它的夹角的差就是应该是0
也就是说k就是等于0
所以我们可以知道所谓k这么一个非负的一个实数
它是反映了曲线在这一点它的弯曲的程度
如果不弯曲的话那么k就等于0
同样我们也可以知道k这个数值越是大的话
那么弯曲越是剧烈
好这是我们讲的曲率
如果说我们L这条线有这么一个参数方程
x等于x(t)
y等于y(t)
这是L这条线的参数方程
并且我们说我们要讨论切线
既然讨论切线的话
对这个参数要有一定光滑性的要求
都是可导的
x(t)y(t)都是可导的
那么在这种情况下我们知道切线它的斜率
如果说我们记成是tanα
α就是这条切线它的夹角
这个我们把它称作α
我们可以知道它就等于dy除以dx
那么在参数形式表示下的切线的斜率
也可以在参数形式下的
dydt除以dxdt
那么我们当然就可以知道
α就等于arctan
y的导数是t的函数
x导数是t的函数
这是这条曲线在P0这一点
它的切线和x轴正方向的夹角α
那么我们也可以知道
k这个曲率就等于lim△α除以△l
当P趋于P0沿着L这条线上的绝对值
也就等于lim△t趋于0
△α除以△t除以△l除以△t
也就等于dαdt除以dldt
在△t趋向于0的情况下
△α除以△t就dαdt
△l除以△t就dldt
那么我们就可以发现
α等于arctany的导数除以x的导数
那么dαdt就可以写成
arctan这是一个复合函数
1加上y的导数除以
x导数括弧的平方分之上面应该是
y的两阶导数x的一阶导数
减去y的一阶导数x的两阶导数
除以x一阶导数括弧的平方
那么我们上堂课讲过l弧长
dldt就等于
dldt就等于根号x导数的平方加上y导数的平方
所以我们把dαdt和dldt统统代到曲率这个公式里面
我们可以知道它就等于绝对值
y的两阶导数是t的函数
乘上x的一阶导数是t的函数
减去y的一阶导数是t的函数
乘上x的两阶导数是t的函数
除以x一阶导数是t的函数的平方
加上y的一阶导数是t的函数的平方
这个函数的二分之三次方的绝对值
所以我们先完成了我们现在想做的一件事情
我们原来给出曲率的一种它的几何意义
也就是说由于这个点沿着L这条曲线变化了一点点
从P0变到P
那么它的切线和x轴的夹角它也有相应的变化
我们把那个夹角的变化叫做△α
把P0到P的这个点的变化
我们把它的弧长叫做△l
我们把△α除以△l如果这个极限存在的话
我们把它叫做曲率
那么在我们如果说曲线的方程是用参数方程来表示
x等于x(t)
y等于y(t)
那么在这参数方程
并且x(t)和y(t)都是可导函数的情况下
我们可以算出来这个函数在某一P这一点它的曲率
实际上就等于绝对值y的两阶导数
x一阶导数减去y一阶导数x两阶导数
除以x一阶导数的平方加y一阶导数的平方
整体的二分之三次方
所以这就是曲率在参数形式下
它的参数方程形式下曲率的这么一个公式
更特别的如果说L这条线
恰好是y等于f(x)这个形式表示的
f仍然是可导函数
那么我们把这种形式代进去之后
我们可以知道在显函数形式表示的曲线下
它的曲率k就应该是等于
绝对值f的两阶导数x
除以1加上f一阶导数x括弧的平方的
二分之三次方的绝对值
实际上来讲平面曲线的显函数表达形式
实际上它就是一个参数函数表达形式的一个特例
x等于x
x当然就等于x
y等于f(x)
那么我们把x等于x
y等于f(x)
把这x给写成t改写一下一样的
所以曲线的显函数表达形式
我们稍微变化一下
可以变成参数函数形式曲线表达形式
我们把它代到参数函数形式上面的公式里面
我们马上就可以看出来
在显函数形式表示下
它的曲率的表达公式
我们给一个很简单的一个例题
y等于x平方求抛物线的曲率
那么我们把y等于x平方代到这个公式里面
我们可以知道这个曲率k就等于绝对值
2除以1加上2x括弧平方的二分之三次方的绝对值
那么这就是抛物线在x这一点的它的曲率的数值
刚才我们介绍的是曲率
那么所谓曲率的环境来刻画一条曲线
某一点的曲率实际上刻画了
这条曲线在这一点的一个弯曲的程度
曲率越大说明这条曲线弯曲程度越弯曲
那么直线我们知道它是不弯曲的
所以在直线上每一点它的曲率都是等0的
那么从曲率我们可以引申出另外一个概念
叫做曲率半径
那么曲率半径在某一点的曲率半径就等于曲率分之一
这是我们的定义
所以曲率半径的计算跟曲率完全是一样的
只是倒数关系而已
那么曲率半径的几何意义是什么东西
曲率半径给一条曲线
在某一点我们知道了曲率
它的倒数就是曲率半径
这条曲线在这一点有一条切线
跟切线在这一点垂直的话我们把它叫做法线
所以这条曲线法线有两端
一端是凸上去的一端
上面那端是凹进去的一端
那么在这法线上沿着凸上去那一端
在这法线上取一点
这点叫做a
使得a到这一点的距离就是曲率半径
以a点为中心
以这个曲率半径为半径
画一个圆
可以证明第一这么一个圆
和原来L这条曲线在P0这一点是相切的
第二件事情这个圆在这一点
圆的曲率就是R分之一
那么L这条曲率也是等于k也就等于R分之一
所以圆的曲率和L这条曲率
在这点曲率是一样的
我们把满足这种性质的圆
我们把它叫做曲线L在P0这一点的密切圆
所以我们讲所谓曲率半径R
实际上就是在P0这一点
L这条线的密切圆的半径
那么我们再来看一下直线
如果L是条直线
我们知道这个时候它的曲率是等于0的
那么我们讲曲率半径应该是等于0分之一
但这不能这么写
所以曲率半径是等于无穷的
所以从这个意义上来讲
直线它也是圆的一种
只是圆但半径趋于无穷的时候一个极端的情况
就变成了一条直线
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习