渐屈线是曲线微分几何中的概念,它是曲线上密切圆圆心的轨迹。等价的描述是一条曲线的渐屈线即是其
法线的
包络。
曲线的微分几何
公式简介
曲线的微分几何是
几何学的一个分支,使用
微分与
积分专门研究
平面与
欧几里得空间中的
光滑曲线。
从古代开始,许多具体曲线已经用综合方法深入研究。
微分几何采取另外一种方式:把曲线表示为参数形式,将它们的几何性质和各种量,比如
曲率和
弧长,用
向量分析表示为
导数和
积分。分析曲线最重要的工具之一为Frenet 标架,是一个
活动标架,在曲线每一点附近给出“最合适”的坐标系。
曲线的理论比曲面理论及其高维推广的范围要狭窄得多,也简单得多。因为欧几里得空间中的正则曲线没有内蕴几何。任何正则曲线可以用弧长(“自然参数”)参数化,从曲线上来看不能知道周围空间的任何信息,所有曲线都是一样的。不同空间曲线只是由它们的弯曲和扭曲程度区分。数量上,这由微分几何不变量曲线的“
曲率”和“
挠率”来衡量。曲线基本定理断言这些不变量的信息完全确定了曲线。
定义
设 是一个正整数, 是正整数或 , 是实数
非空区间, 属于 。一个 类(即 为 次
连续可微)
向量值函数 称为一条 类参数曲线或曲线 的一个 参数化, 称为曲线 的参数, 称为曲线的像。将曲线 和曲线的像 区别开来非常重要,曲线是一个映射,而像是一个集合。一个给定的像可以描述为许多不同的 曲线。
可以想象参数 代表时间,而曲线 作为空间中一个运动粒子
轨迹。
如果I是闭区间 [a,b],我们称 γ(a) 为曲线 γ 的起点而 γ(b) 为终点。
如果 ,我们说 γ 是闭的或是一个环路。进一步,我们称 γ 是一条闭 C-曲线,如果 γ(a) = γ(b) 对所有k≤r。
如果参数曲线 局部可写成
幂级数,我们称曲线解析或是 类。记号 - 表示朝相反的方向运动的曲线。
一条 -曲线
特别地,一条 -曲线 是正则的如果 对任何
法线
三维
平面的法线是
垂直于该平面的三维
向量。曲面在某点P处的法线为垂直于该点
切平面(tangent plane)的向量。
法线是与多边形(polygon)的曲面垂直的理论线,一个平面(plane)存在无限个法向量(normal vector)。在电脑图学(computer graphics)的领域里,法线决定着曲面与光源(light source)的
浓淡处理(Flat Shading),对于每个点光源位置,其亮度取决于曲面法线的方向。
法线的计算
对于像
三角形这样的
多边形来说,多边形两条相互不
平行的边的
叉积就是多边形的法线。
如果S是
曲线坐标x(s,t)表示的曲面,其中s及t是
实数变量,那么用
偏导数叉积表示的法线为
如果曲面S用
隐函数表示,点集合 满足 ,那么在点 处的曲面法线用
梯度表示为
如果曲面在某点没有切平面,那么在该点就没有法线。例如,
圆锥的顶点以及底面的边线处都没有法线,但是圆锥的法线是
几乎处处存在的。通常一个满足Lipschitz连续的曲面可以认为法线几乎处处存在。
法线的唯一性
曲面法线的法向不具有唯一性(uniqueness),在相反方向的法线也是曲面法线。曲面在三维的
边界(topological boundary)内可以分区出inward-pointing normal 与 outer-pointing normal, 有助于定义出法线唯一方法(unique way)。定向曲面的法线通常按照
右手定则来确定。
包络线
在
几何学,某个曲线族的包络线(Envelope),是跟该曲线族的每条线都有至少一点相切的一条曲线。(曲线族即一些曲线的无穷
集,它们有一些特定的关系。)
设一个曲线族的每条曲线 可表示为 ,其中 是曲线族的
参数, 是特定曲线的参数。若包络线存在,它是由 得出,其中 以以下的方程求得:
若曲线族以
隐函数形式 表示,其包络线的隐方程,便是以下面两个方程消去 得出。
绣曲线是包络线的例子。直线族 (其中 是常数, 是直线族的变数)的包络线为
抛物线。
渐伸线
概述
渐伸线(involute)(或称渐开线(evolent))和渐屈线(evolute)是曲线的
微分几何上互为表里的概念。若曲线A是曲线B的渐伸线,曲线B是曲线A的渐屈线。
在曲线上选一定点S。有一动点P由S出发沿曲线移动,选在P的切线上的Q,使得曲线长SP和直线段长PQ相同。渐伸线就是Q的轨迹。
若该曲线有参数方程 ( ),则其渐屈线为
每条曲线可有无穷多条渐伸线,但只有一条渐屈线。
参数化曲线
渐开线方程曲线的参数化定义的函数( x(t) , y(t) )是: