- •Е.Г. Романова Дифференциальная геометрия
- •Содержание
- •1. Векторная функция скалярного аргумента
- •1.1. Определение вектор-функции. Предел. Непрерывность
- •1.2. Дифференцирование вектор-функции
- •1.3. Интеграл от векторной функции по скалярному аргументу
- •2. Сведения из теории кривых
- •2.1. Элементарная кривая
- •2.2. Касательная прямая к кривой
- •2.3. Соприкасающаяся плоскость кривой
- •2.4. Длина дуги как параметр
- •2.5. Кривизна кривой
- •2.6. Кручение кривой
- •2.7. Формулы Френе
- •3. Теория поверхностей в дифференциальной геометрии
- •3.1. Элементарная поверхность
- •3.2. Регулярная поверхность
- •3.3. Кривые на поверхности
- •3.4. Касательная плоскость и нормаль к поверхности
- •3.5. Измерение на поверхности длин, углов, площадей. Первая квадратичная форма поверхности
- •3.6. Площадь поверхности
- •3.7. Вторая квадратичная форма поверхности
- •3.8. Кривизна кривой, лежащей на поверхности
- •3.9. Главные направления и кривизны поверхности
- •3.10. Внутренняя геометрия поверхности
- •Литература:
2.6. Кручение кривой
Пусть Р
— произвольная
фиксированная точка регулярной кривой
без особых
точек и М —
точка этой
кривой, отличная от Р.
Обозначим
через φ
угол между соприкасающимися
плоскостями в точках Р
и М,
а через s
– длину
дуги РМ.
Определение 2.8. Абсолютным кручением |χ| кривой γ в точке Р называется предел отношения φ/s при s → 0 (т. е. при М→Р).
Справедливо следующее утверждение.
Утверждение 2.4. Регулярная (трижды дифференцируемая) кривая γ без особых точек имеет в каждой точке, где кривизна отлична от нуля, определенное абсолютное кручение.
Докажем это утверждение.
П
(2.9)
и
.
По формуле Тейлора с учетом равенства
получим
где α → 0 при ∆t→ 0.
Для вычисления
предела φ/s
при s→0
нам понадобится значение синуса угла
φ
между нормалями к соприкасающимся
плоскостям в точках Р
и М.
Для этой
цели найдем модуль векторного произведения
и
,
а также произведение модулей этих
векторов. С помощью (2.9) получим
Отсюда, используя
распределительное свойство векторного
произведения и известную формулу
для двойного
векторного произведения, найдем
где
,
и поэтому
β→0
при ∆t→0.
Из последнего
выражения для
получаем следующую формулу:
(2.10)
где ε→0 при ∆t→0.
Путем аналогичных рассуждений получается также следующая формула:
(2.11)
где μ→0 при ∆t→0.
Из формул (2.10) и (2.11) получаем нужное нам выражение для sin φ:
.
Отметим, что в
этом выражении значения производных
векторной функции
вычислены в точке Р.
(2.12)
Обращаясь к
выражению (2.12) для s,
используя
только что полученную формулу для
sin
φ
и
известный
предел при
φ
→ 0, убедились, что предел при s
→ 0 существует
и равен
.
Итак, в условиях утверждения абсолютное кручение |χ| существует и может быть найдено по формуле
(12.22)
.
Определим кручение χ кривой с помощью равенства
(12.23)
(2.13)
2.7. Формулы Френе
Рассмотрим
регулярную (трижды непрерывно
дифференцируемую) кривую
.
Если в
выбрана прямоугольная система координат,
то
.
Вектор
является единичным
вектором касательной
к линии
в точке M
, где
.
Вектор
называется вектором
кривизны
линии
в точке M
и
.
Прямая, проходящая
через точку M
в направлении
называется главной
нормалью
линии
в точке M
(рис. 5).
Имеем
,
так как вектор
– вектор постоянной длины и, следовательно,
перпендикулярен вектору
.
Отсюда, главная нормаль перпендикулярна
касательной.
Вектор
называется единичным
вектором главной нормали,
т.е.
=1.
Так как
,
то
и, следовательно,
или
.
(2.14)
Определим ещё
вектор
Прямая, проходящая
через точку M
в направлении
вектора
называется бинормалью
линии
в точке M,
а вектор
– единичный вектор бинормали. Имеем,
.
Плоскость, содержащая
векторы
и
является соприкасающейся
плоскостью;
содержащая векторы
и
– нормальной
плоскостью;
содержащая векторы
и
– спрямляющей
плоскостью.
Трёхгранник с вершиной в точке M, образованный этими тремя плоскостями, называются сопровождающим трёхгранником пространственной кривой (рис. 5).
Так как вектор
–
единичный, т.е. постоянной длины, то
и значит вектор
,
параллелен спрямляющейся плоскости.
Поэтому его можно разложить по векторам
и
,
(2.15)
где
– координаты в базисе
.
Тождество
дифференцируем по параметру s:
.
Если в этом равенстве
и
заменить формулами (2.14) и (2.15), то получим
или
.
Учитывая,
что
,
т.к. это скалярное произведение единичных
векторов, а
,
как скалярное произведение перпендикулярных
векторов. Тогда будем иметь, что
и, отсюда,
.
Формула (2.15) принимает вид после
подстановки
.
(2.16)
Тождество
дифференцируем по параметру s:
.
Заменяя здесь
векторы
и
их выражения через (2.12) и (2.14), находим,
что
.
Отсюда
или
.
Здесь взят знак “минус“, так как тройка
векторов
– левая; а число
есть кручение линии
в точке M.
М
(2.17)
,
,
.
Вся теория гладких линии основана на применении этих формул.
Найдём формулу
для вычисления кручения, если линия
задана естественным уравнением
или
.
Первую формулу
Френе можно записать так:
.
Продифференцируем это соотношение по
s
и используем
вторую формулу Френе:
,
получим
.
Таким образом,
смешанное произведение векторов по
базису
найдётся, как
.
Отсюда получаем искомую формулу для кручения линии:
(2.18)
или в координатах
(2.19)
.
Линия называется плоской, если все её точки лежат в некоторой плоскости.
Примем без доказательства следующее утверждение.
Теорема 2.1. Кручение плоской линии во всех точках равно нулю.
Верно и обратное утверждение.
Пример 2.2.
Найти кривизну и кручение винтовой
линии
,
a>0.
Решение. Найдем производные вектор – функции
,
,
.
Теперь определим векторное произведение
Далее для смешанного произведения имеем
.
Найдём длины векторов.
,
,
.
Отсюда кривизна
будет равна
,
кручение
.
Следовательно, для винтовой линии кривизна и кручение постоянны. ■
