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Topos Uranos

摘要

本课度量函数图像在一点处弯曲的程度。切线是在该点处与函数具有相同的值和相同的导数的直线;密切圆则是除此之外还具有相同的二阶导数的圆。把圆的方程求导两次可得,在圆上的每一点处,一阶导数与二阶导数的某个组合恰好等于其半径;据此,本课证明:若函数的二阶导数不为零,则密切圆存在且唯一,并给出它的圆心与半径,即曲率半径。曲率半径的倒数就是曲率,它在二阶导数为零之处为零。接着证明曲率中心是邻近法线交点的极限,正如惠更斯所见,并证明交换坐标轴时曲率不变,这使得在切线竖直之处也能度量曲率。这些问题判断密切圆是否穿过图像,求出指数函数曲率最大的点、椭圆曲率最大与最小的点以及悬链线的曲率半径,并研究直线与圆弧之间曲率的跳跃。

学习目标

  1. 定义函数图像在一点处的密切圆,证明当二阶导数不为零时它存在且唯一,并计算其圆心与半径。
  2. 计算图像在一点处的曲率与曲率半径,解释曲率为零的含义,并求出图像曲率最大或最小的点。
  3. 把曲率中心作为法线交点的极限求出,并通过交换坐标轴的角色,在切线竖直之处度量曲率。
  4. 用高阶导数判别法判断密切圆是穿过图像,还是只位于图像的一侧。

密切圆

ff 的图像在 (a,f(a))(a, f(a)) 处的切线,是在 aa 处与 ff 具有相同的值和相同的导数的直线。关于凹凸性与拐点的那一课表明:若 f′′(a)≠0f''(a) \neq 0,则图像在 aa 附近只位于其切线的一侧:当 f′′(a)>0f''(a) > 0 时在切线上方,当 f′′(a)<0f''(a) < 0 时在切线下方。但它没有说明图像偏离切线多少,即弯曲了多少。为了度量这一点,宜将它与始终同样弯曲的曲线即圆相比较:小圆弯曲得厉害,大圆弯曲得轻微。圆不是函数的图像,因为每条穿过其内部的竖直直线都与它相交两次;但它的两半中的每一半,去掉端点后,都是函数的图像。

引理半圆的导数

设 (h,k)(h, k) 是平面上的一点,r>0r > 0,σ\sigma 等于 11 或 −1-1,并设 u(x)=k+σr2−(x−h)2u(x) = k + \sigma \sqrt{r^2 - (x - h)^2}(其中 xx 属于 (h−r,h+r)\ioo{h - r}{h + r}),当 σ=1\sigma = 1 时其图像是上半圆,当 σ=−1\sigma = -1 时是下半圆,圆心为 (h,k)(h, k),半径为 rr,不含端点。则 uu、u′u' 与 u′′u'' 在 (h−r,h+r)\ioo{h - r}{h + r} 上可导,u(x)≠ku(x) \neq k,并且在区间的每一点 xx 处:

(x−h)+(u(x)−k)u′(x)=0,1+(u′(x))2+(u(x)−k)u′′(x)=0(x - h) + \left(u(x) - k\right) u'(x) = 0, \qquad 1 + \left(u'(x)\right)^2 + \left(u(x) - k\right) u''(x) = 0

因此,u′′(x)u''(x) 不为零且与 −σ-\sigma 同号,从而下半圆严格下凸,上半圆严格上凸,并且在其所有点处:

(1+(u′(x))2)32∣u′′(x)∣=r\frac{\left(1 + \left(u'(x)\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\abs{u''(x)}} = r

证明

  1. (x−h)2+(u(x)−k)2=r2,x∈(h−r,h+r)(x - h)^2 + \left(u(x) - k\right)^2 = \dato{circ}{r^2}, \qquad x \in \ioo{h - r}{h + r}

    若 xx 属于该区间,则 r2−(x−h)2>0r^2 - (x - h)^2 > 0,从而 u(x)−k=σr2−(x−h)2u(x) - k = \sigma \sqrt{r^2 - (x - h)^2} 不为零,并且 uu 可导,依据的是常见复合函数的导数这一推论(出自关于链式法则的那一课)。平方之后,uu 的图像落在圆上:

  2. 2(x−h)+2(u(x)−k)u′(x)=0,1+(u′(x))2+(u(x)−k)u′′(x)=02(x - h) + 2\left(u(x) - k\right) u'(x) = 0, \qquad 1 + \left(u'(x)\right)^2 + \left(u(x) - k\right) u''(x) = \dato{dos}{0}

    两边在该区间上是 xx 的同一个函数,它们的导数相等:这就是关于反函数的导数与隐函数求导的那一课中的隐函数求导,用于一个已知可导的函数。解出一阶导数,u′(x)=−x−hu(x)−ku'(x) = -\frac{x - h}{u(x) - k} 是两个可导函数之商,分母不为零,由商法则(出自关于求导法则的那一课)可导;再求导一次就得到第二个等式,由它可知 u′′(x)=−1+(u′(x))2u(x)−ku''(x) = -\frac{1 + \left(u'(x)\right)^2}{u(x) - k} 也是两个可导函数之商。

  3. 1+(u′(x))2=r2(u(x)−k)2,∣u′′(x)∣=r2∣u(x)−k∣3→(1+(u′(x))2)32∣u′′(x)∣=r1 + \left(u'(x)\right)^2 = \frac{r^2}{\left(u(x) - k\right)^2}, \qquad \abs{u''(x)} = \frac{r^2}{\abs{u(x) - k}^3} \rightarrow \resaltar{\frac{\left(1 + \left(u'(x)\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\abs{u''(x)}} = r}

    由于 1+(u′(x))2>01 + \left(u'(x)\right)^2 > 0,二阶导数不为零,且与 u(x)−ku(x) - k 异号,而后者的符号就是 σ\sigma 的符号;由下凸性与二阶导数这一推论,即得严格下凸或严格上凸。由第一个等式,1+(u′(x))21 + \left(u'(x)\right)^2 等于 (x−h)2(x - h)^2 与 (u(x)−k)2\left(u(x) - k\right)^2 之和(它等于 r2r^2)除以 (u(x)−k)2\left(u(x) - k\right)^2。

在圆上,切线的斜率与二阶导数随点而变,但引理中的组合不变:它总等于半径。这启发我们用它来度量任意图像弯曲的程度。在此之前,宜先求出在一点处与图像吻合得最好的圆,即与图像直到二阶导数都相同的圆。

定义密切圆

设 ff 是在开区间 II 上可导、并在点 aa(属于 II)处二阶可导的函数。圆心为 (h,k)(h, k)、半径为 r>0r > 0 的圆称为 ff 的图像在 (a,f(a))(a, f(a)) 处的密切圆,如果它经过该点,且该点既不是它最左边的点也不是最右边的点,即 (a−h)2+(f(a)−k)2=r2(a - h)^2 + \left(f(a) - k\right)^2 = r^2 且 f(a)≠kf(a) \neq k,并且含有该点的半圆,即引理中的函数 uu(取 σ\sigma 等于 f(a)−kf(a) - k 的符号)的图像,在 aa 处与 ff 具有相同的值、相同的导数和相同的二阶导数:

u(a)=f(a),u′(a)=f′(a),u′′(a)=f′′(a)u(a) = f(a), \qquad u'(a) = f'(a), \qquad u''(a) = f''(a)

其圆心称为图像在该点处的曲率中心。

切线满足前两个等式;密切圆还满足第三个。这个圆的拉丁文名称源自 osculari,意为「亲吻」,中文的「密切」则指紧密贴合:这个圆不仅像其他相切的圆那样与图像相切,而且像图像一样弯曲。图中以 f(x)=x32−x+1f(x) = \frac{x^3}{2} - x + 1 和 a=1.2a = 1.2 为例,画出了与图像相切的三个圆,其中之一就是密切圆。

定理密切圆的存在性与唯一性

设 ff 是在开区间 II 上可导、并在点 aa(属于 II)处二阶可导的函数,并设 m=f′(a)m = f'(a),q=f′′(a)q = f''(a)。若 q≠0q \neq 0,则 ff 的图像在 (a,f(a))(a, f(a)) 处恰有一个密切圆,其圆心为 (h,k)(h, k),半径为 ρ\rho:

h=a−m(1+m2)q,k=f(a)+1+m2q,ρ=(1+m2)32∣q∣h = a - \frac{m\left(1 + m^2\right)}{q}, \qquad k = f(a) + \frac{1 + m^2}{q}, \qquad \rho = \frac{\left(1 + m^2\right)^{\frac{3}{2}}}{\abs{q}}

其圆心在图像于该点处的法线上,当 q>0q > 0 时位于该点上方,当 q<0q < 0 时位于该点下方。若 q=0q = 0,则图像在 (a,f(a))(a, f(a)) 处没有密切圆。

证明

  1. (a−h)+(f(a)−k)m=0(a - h) + \left(f(a) - k\right) m = \dato{normal}{0}

    假设圆心为 (h,k)(h, k)、半径为 rr 的圆是密切圆,其半圆为 uu。引理的第一个等式在 x=ax = a 处,结合 u(a)=f(a)u(a) = f(a) 与 u′(a)=mu'(a) = m,说明圆心满足图像在该点处的法线方程,这依据关于作为极限的导数的那一课中切线与法线的定义,无论 m≠0m \neq 0 还是法线竖直。

  2. 1+m2+(f(a)−k)q=0→f(a)−k=−1+m2q,a−h=m(1+m2)q,r2=(1+m2)3q21 + m^2 + \left(f(a) - k\right) q = 0 \rightarrow \resaltar{f(a) - k = -\frac{1 + m^2}{q}}, \qquad a - h = \frac{m\left(1 + m^2\right)}{q}, \qquad r^2 = \frac{\left(1 + m^2\right)^3}{q^2}

    引理的第二个等式在 x=ax = a 处,结合 u′′(a)=qu''(a) = q,当 q=0q = 0 时不可能成立,因为 1+m2>01 + m^2 > 0:没有密切圆。若 q≠0q \neq 0,它确定了 f(a)−kf(a) - k;于是第一个等式给出 a−ha - h,圆的方程给出半径。因此,密切圆至多有一个,其圆心与半径就是定理中所述的那样。

  3. u′(a)=−a−hf(a)−k=m,u′′(a)=−1+m2f(a)−k=qu'(a) = -\frac{a - h}{f(a) - k} = \resaltar{m}, \qquad u''(a) = -\frac{1 + m^2}{f(a) - k} = \resaltar{q}

    反过来,设 hh、kk 与 ρ\rho 如定理中所述。由上面的计算,圆心为 (h,k)(h, k)、半径为 ρ\rho 的圆经过 (a,f(a))(a, f(a)),并且 f(a)−kf(a) - k 不为零且与 −q-q 同号,因此 σ=−1\sigma = -1(当 q>0q > 0 时),此时圆心位于该点上方,而 σ=1\sigma = 1(当 q<0q < 0 时)。引理中的函数 uu 满足 u(a)=k+σ∣f(a)−k∣=f(a)u(a) = k + \sigma\abs{f(a) - k} = f(a),引理的两个等式在 x=ax = a 处给出它的导数:该圆是密切圆。

若 q>0q > 0,密切圆以其下半圆从上方贴靠图像,下半圆是下凸的;若 q<0q < 0,则以其上半圆贴靠,上半圆是上凸的。在两种情形下,关于凹凸性的那一课中图像与其切线这一命题,取 n=2n = 2,应用于 ff 和 uu(它们有相同的切线,且二阶导数同号),都把图像与圆在 aa 附近放在这条切线的同一侧。若 f′′(a)=0f''(a) = 0,则任何圆都不行,因为半圆的二阶导数从不为零;切线的二阶导数为零,它满足全部三个等式,起着半径为无穷大的圆的作用。