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曲率

定义​

曲线的曲率(curvaturecurvature)就是针对曲线上某个点的切线方向角对弧长的转动率,通过微分来定义,表明曲线偏离直线的程度。数学上表明曲线在某一点的弯曲程度的数值。

曲率的一种等价定义是,弧的切线所转过的角度和弧长之比的绝对值。

计算公式​

曲线 y=f(x)y=f(x) 具有二阶导数,在点 M(x,f(x))M(x, f(x)),曲线切线的斜率为 tan⁡α=y′\tan\alpha = y',两边同时对 x 求导,可得:

sec2α×dαdt=y′′sec^2\alpha\times\frac{d\alpha}{dt}=y''

则:

dαdx=y′′1+tan⁡2α=y′′1+y′2\frac{d\alpha}{dx}=\frac{y''}{1+\tan^2\alpha}=\frac{y''}{1+y'^2} dα=y′′1+y′2dxd\alpha=\frac{y''}{1+y'^2} {dx}

而弧长 dsds 的微分可以近似为一个直角三角形的斜边,其斜边斜率为 y′y',结果为:

ds=1+y′2dxds = \sqrt{1 + y'^2}dx

则 M 点曲率为:

K=dαds=∣y′′∣(1+y′2)32K = \frac{d\alpha}{ds}=\frac{|y''|}{(1 + y'^2)^{\frac32}}