차별성 곡선

Differentiable curve

곡선의 미분 기하학미분적분법적분법에 의해 평면유클리드 공간의 매끄러운 곡선을 다루는 기하학의 분기점이다.

많은 특정 곡선합성 접근법을 사용하여 철저히 조사되었다. 미분 기하학은 또 다른 경로를 취한다: 곡선은 파라메타화된 형태로 표현되며 곡선과 관련된 기하학적 특성과 곡률과 호 길이와 같은 다양한 양은 벡터 미적분을 사용하여 파생물적분학을 통해 표현된다. 곡선을 분석하는 데 사용되는 가장 중요한 도구 중 하나는 Frenet 프레임으로, 곡선의 각 지점에 좌표계를 제공하여 그 지점 근처의 곡선에 "최적"하게 된다.

곡선의 이론은 유클리드 공간의 정규 곡선은 본질적인 기하학이 없기 때문에 표면의 이론과 그것의 고차원 일반화에 비해 훨씬 단순하고 범위가 좁다. 모든 정규 곡선은 호 길이(자연 파라메트리제이션)로 파라메트리할 수 있다. 주위 공간에 대해 아무것도 모르는 곡선의 이론적 입자의 관점에서 보면, 모든 곡선은 똑같이 보일 것이다. 서로 다른 공간 곡선은 구부러지고 꼬이는 방법에 의해서만 구별된다. 정량적으로, 이것은 곡선곡률과 비틀림이라고 불리는 미분기하 불변제로 측정된다. 곡선의 근본적인 정리는 이러한 불변성의 지식이 곡선을 완전히 결정한다고 주장한다.

정의들

파라메트릭 C-곡선r 또는 C-모수화r(Parametrization)는 벡터 값 함수다.

즉, r-time은 지속적으로 다를 수 있다(즉, γ의 구성요소 기능은 지속적으로 다를 수 있다). 여기서 n ∈ , r ℕ ∪ ∪ ∪ { {∞}, 그리고 는 실수의 비어 있지 않은 간격이다. 파라메트릭 곡선의 이미지γ[I] ⊆ ⊆이다n. 주어진 n 부분집합이 몇 개의 구별되는 모수곡선의 영상이 될 수 있기 때문에 모수곡선 γ과 그 영상 i[I]은 구별되어야 한다. γ(t)의 매개변수 t는 시간을 나타내는 것으로 생각할 수 있으며, γ 우주에서의 이동 지점의 궤적도라고 생각할 수 있다. 가 닫힌 간격 [a,b]일 때 γ(a)는 시작점, γ(b)γ의 끝점이다. 시작점과 끝점이 일치하면(즉, γ(a) = γ(b)), γ닫힌 곡선 또는 루프다. C-루프인r 경우, 함수 γ은 r-time 연속적으로 다를 수 있고 0 kr에 대해 γ(k)(a) = γ(k)(b)를 만족시켜야 한다.

다음과 같은 경우 모수 곡선이 단순하다.

주입하는 거야 γ의 각 성분 함수가 분석함수, 즉 등급 Cω 경우 분석한다.

모든 tI에 대해 curve 곡선 m은 순서 m(여기서 mr)의 정규 값이다.

n 선형 독립 부분 집합이다. 특히 파라메트릭 C-곡선1 γ은 어떤 tI에 대해 γ′(t) 0인 경우에만 정규적이다.

재모수화 및 동등성 관계

모수곡선의 이미지를 고려할 때 모수곡선의 모수곡선은 몇 가지 다른 모수곡선이 있다. 미분 지오메트리는 특정 재시뮬레이션에서 불변하는 파라메트릭 곡선의 특성을 설명하는 것을 목적으로 한다. 모든 모수 곡선 집합에서 적절한 동등성 관계를 정의해야 한다. 파라메트릭 곡선의 미분-기압 특성(길이, Frenet 프레임 및 일반화된 곡률 등)은 재파라메트리제이션 하에서 불변성이며 따라서 동등성 등급 자체의 특성이다. 등가 등급은 C-곡선이라고r 하며 곡선의 차등 기하학에서 연구된 중심 객체다.

1 개의 파라메트릭 C-곡선r, : : I1n, : : I22n 는, 만일 생물학적 C-mapr φ이 존재한다면, 그리고 존재하는 경우에만 동등하다고1 한다2 : I → I.

그리고

이때2 then은 γ1 재변수라고 한다.

Re-parametrization은 등급 Cr 모든 모수 C-곡선r 집합에 대한 동등성 관계를 정의한다. 이 관계의 동등성 등급은 단순히 C-곡선에r 불과하다.

지향 파라메트릭 C-곡선의r 균등성 관계는 φ φt(t) > 0을 만족하도록 요구하여 정의할 수 있다.

등가 모수 C-곡선은r 동일한 영상을 가지며 등가 모수 C-곡선은r 심지어 같은 방향으로 영상을 통과한다.

길이 및 자연 파라메트리제이션

파라메트릭 C-곡선1 γ의 길이 l : [a,b] n 다음과 같이 정의된다.

파라메트릭 곡선의 길이는 리파라메트리제이션에서 불변성이므로 파라메트릭 곡선의 미분계 특성이다.

각 정규 파라메트릭 C-곡선r γ에 대해 : [a,b] → n 대해, 여기서 r ≥ 1은 함수를 정의한다.

γ(s) = γ(t)이며, 여기서 t(s)는 s(t)의 역함수다. 이것은 호 길이 파라메트리지화, 자연 파라메트리지화, 단위 속도 파라메트리지화라고 하는 γ의 재 파라메트리지화 is이다. 매개변수 s(t)γ자연 매개변수라고 한다.

자연 파라미터 s(t)가 단위 속도로 (의 영상을 가로지르기 때문에 이 파라메트리제이션이 선호된다.

실제로 파라메트릭 곡선의 자연 파라메트리제이션은 종종 계산하기가 매우 어렵지만 이론적 논거에 유용하다.

주어진 모수 곡선 γ의 경우, 자연 모수화는 모수의 이동까지 고유하다.

수량

때때로 곡선의 에너지 또는 작용이라고 불리기도 한다. 지오데틱 방정식은 이 작용에 대한 운동의 오일러-라그랑주 방정식이기 때문에 이 이름은 정당화된다.

프레네트 틀

공간 곡선의 한 점에 대한 Frenet 프레임의 그림. T는 단위 접선이고, P는 단위 정상이며, B는 단위 바이노멀이다.

Frenet frame은 n 정형 벡터 ei(t)이동 기준 프레임으로, 각 지점 point(t)에서 곡선을 국소적으로 설명하는 데 사용된다. 유클리드 좌표와 같은 범지구적 특성을 사용하는 것보다 국소 기준 시스템(예: 곡률, 비틀림) 측면에서 기술하는 것이 훨씬 쉽고 자연적이기 때문에 곡선의 차등 기하학적 처리의 주 도구다.

순서n 규칙적인 cur의n + 1 C-곡선 γ이 주어진 경우, 곡선의 Frenet 프레임은 직교 벡터의 집합이다.

Frenet 벡터라고 불렸다. 그것들은 그램-슈미트 직교 알고리즘을 사용하여 γ(t)의 파생모델로 구성된다.

실제값 함수 χi(t)는 일반화된 곡선이라고 하며 다음과 같이 정의된다.

Frenet 프레임과 일반화된 곡선들은 리파라메트리제이션 하에서는 불변하므로 곡선의 차등 기하학적 특성이다.

베르트랑 곡선

베르트랑 곡선은 R ^{의 Frenet 곡선이며, 이 두 곡선에 대한 주요 정규 벡터가 각 해당 지점에서 동일하도록 3 에 두 번째 곡선이 있다는 추가 특성이 있다. 즉, R→(1t)와 r→(2t) 의 두 곡선이라면, 어떤 t에 대해서도 N1 = N→,2 r1rr2가 베르트랑 곡선이다. 이러한 이유로 앞의 예에서 베르트랑 곡선 쌍(r→,1 r2 등)을 말하는 것이 일반적이다. 쿠넬의 "차이 지오메트리 곡선 – 표면 – 다지관"의 문제 25에 따르면, 동일한 2차원 평면에 놓여 있지 않은 두 개의 베르트랑 곡선이 ab가 실제 상수인 선형 관계 a where + = 1의 존재로 특징지어지는 것도 사실이다.[1] 더욱이, 베르트랑 곡선 쌍의 비틀림 산물은 일정하다.[2]

특수 Frenet 벡터와 일반화된 곡선

처음 3개의 Frenet 벡터와 일반화된 곡선은 3차원 공간에서 시각화할 수 있다. 그들은 추가적인 이름과 더 많은 의미 정보를 그들에게 첨부했다.

접선 벡터

만약 곡선 γ이 입자의 경로를 나타낸다면, 주어진 지점 P에서 입자의 순간 속도벡터에 의해 표현된다. 벡터는 P에서 곡선에 대한 접선 벡터라고 불린다. 수학적으로 파라메타화된 C1 곡선 given = γ(t)이 주어진 경우, 파라미터의 모든 값 t = t0 대해 벡터

P = γ(t0) 지점의 접선 벡터. 일반적으로 접선 벡터는 0일 수 있다. 접선 벡터의 크기

시간 t0 속도 입니다.

첫 번째 Frenet 벡터 e1(t)는 동일한 방향의 단위 접선 벡터로서, γ의 각 정규 지점에서 정의된다.

t = s가 자연 파라미터인 경우 접선 벡터에는 단위 길이가 있다. 이 공식은 다음을 단순화한다.

( s)= ( s)

단위 접선 벡터는 모수의 증가 값에 해당하는 곡선의 방향 또는 전방 방향을 결정한다. 곡선으로 찍은 단위 접선 벡터는 원곡선의 구형 영상을 추적한다.

정규 또는 곡면 벡터

곡률 벡터라고도 하는 정규 벡터는 직선일 때의 곡선의 이탈도를 나타낸다.

로 정의된다.

정상화된 형태인 단위 정상 벡터는 제2의 Frenet 벡터 e2(t)로 정의된다.

t에서의 접선과 정규 벡터는 점 t에서의 오스카 평면을 정의한다.

ē2(t) e′(1t)임을 알 수 있다. 그러므로

곡률

첫 번째 일반화된 곡률 χ1(t)을 곡률이라고 하며 오스카 평면에 상대적인 직선으로부터 γ의 이탈도를 측정한다. 로 정의된다.

그리고 지점 t에서 γ곡률이라고 불린다. 라는 것을 알 수 있다.

곡률의 역수

곡률 반지름이라고 불린다.

반지름 r을 가진 원은 일정한 곡률을 가지고 있다.

반면 선은 곡률 0이다.

비노말 벡터

단위 이항 벡터는 세 번째 Frenet 벡터 e(t3)이다. 항상 t에서 단위 접선과 일반 벡터에 직교한다. 로 정의된다.

3차원 공간에서는 방정식이 다음과 같이 단순화된다.

또는 ~로

두 가지 징후가 모두 발생할 수 있다는 것은 오른손잡이 나선과 왼손잡이 나선형의 예에 의해 설명된다.

토션

두 번째 일반화된 곡률 χ2(t)비틀림이라고 하며 평면 곡선으로부터 γ의 이탈도를 측정한다. 즉, 비틀림이 0이면 곡선은 완전히 같은 오스카 평면에 놓여 있다(점 t마다 오스카 평면이 하나만 있다). 로 정의된다.

그리고 지점 t에서 γ비틀림이라고 불린다.

애버런시

번째 파생상품은 곡선의 비원형의 측정지표인 이상성을 정의하는 데 사용될 수 있다.[3][4][5]

곡선 이론의 주정리

n - 1 함수가 지정됨:

그 다음 고유(유클리드 그룹을 사용한 변환까지) C-곡선n + 1 γ이 존재하며, 순서는 n이고, 성질은 다음과 같다.

세트장에서는

커브를 위한 Frenet 프레임이다.

I에서 출발 t0 추가적으로 제공하고, 에서n 출발점 p0 제공하며, 초기 양정직교1 Frenet 프레임 {e, …, en − 1}을(를) 제공한다.

유클리드 변환은 고유한 곡선 γ을 얻기 위해 제거된다.

프레네-세레트 공식

Frenet-Serret 공식은 1차 순서의 일반적인 미분 방정식들의 집합이다. 해법은 일반화된 곡률함수 χi 의해 지정된 곡선을 설명하는 Frenet 벡터들의 집합이다.

2차원

3차원

n 치수(일반 공식)

참고 항목

참조

  1. ^ Kühnel, Wolfgang (2005). Differential Geometry: Curves, Surfaces, Manifolds. Providence: AMS. p. 53. ISBN 0-8218-3988-8.
  2. ^ Weisstein, Eric W. "Bertrand Curves". mathworld.wolfram.com.
  3. ^ Schot, Stephen (November 1978). "Aberrancy: Geometry of the Third Derivative". Mathematics Magazine. 5. 51 (5): 259–275. doi:10.2307/2690245. JSTOR 2690245.
  4. ^ Cameron Byerley; Russell a. Gordon (2007). "Measures of Aberrancy". Real Analysis Exchange. Michigan State University Press. 32 (1): 233. doi:10.14321/realanalexch.32.1.0233. ISSN 0147-1937.
  5. ^ Gordon, Russell A. (2004). "The aberrancy of plane curves". The Mathematical Gazette. Cambridge University Press (CUP). 89 (516): 424–436. doi:10.1017/s0025557200178271. ISSN 0025-5572. S2CID 118533002.

추가 읽기

  • Kreyszig, Erwin (1991). Differential Geometry. New York: Dover Publications. ISBN 0-486-66721-9. 제2장은 3차원 곡선의 이론을 고전적으로 다룬다.