曲线的标准展开.ppt

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1、1.6 曲线在一点的标准展开曲线在一点的标准展开一曲线的局部规范形式按照Taylor展开式的基本思想，曲线的位置向量函数在所指定的任意点邻近都可以用适当次数的多项式向量函数来逼近对于 C3 弧长 s 参数化曲线 C:r r(s)，任取其上一点 P0:r(s0)，不妨设 s0 0，则有Peano余项形式的Taylor展开式 其中余项 o(s3)是 s3 的高阶无穷小向量若 C 无逗留点，则上式可用Frenet标架表出事实上，记 r(0);T(0),N(0),B(0)r0;T0,N0,B0,(0)0,(0)0，则易知有一曲线的局部规范形式对于 C3 弧长 s 参数化曲线 C:r r(s)，任取其上

2、一点 P0:r(s0)，不妨设 s0 0，则有Taylor展开式若 C 无逗留点，则上式可用Frenet标架表出事实上，记 r(0);T(0),N(0),B(0)r0;T0,N0,B0,(0)0,(0)0，则易知有(5.2)r(0)T0,r(0)0N0，r(0)(0)N0 00T0 0B0 此式说明：通过对线性无关向量组 r(s),r(s),r(s)进行规范的Schmidt正交化，所得到的标准单位正交基实际上就是Frenet标架基向量组 T(s),N(s),B(s)一曲线的局部规范形式对于 C3 弧长 s 参数化曲线 C:r r(s)，任取其上一点 P0:r(s0)，不妨设 s0 0，则有Ta

3、ylor展开式若 C 无逗留点，则(5.2)r(0)T0,r(0)0N0，r(0)(0)N0 00T0 0B0 取 r0;T0,N0,B0 为 E3 的一个新的单位正交右手标架，所建立的新直角坐标系坐标记为(x*,y*,z*)，则此时曲线 C 的参数方程转化为r*r*(s)(x*(s),y*(s),z*(s)x*(s)T0+y*(s)N0+z*(s)B0 其中 r*(s)r(s)r0 一曲线的局部规范形式由此，将(5.2)式代入(5.1)式，C 的分量形式即为(5.2)r(0)T0,r(0)0N0,r(0)(0)N0 00T0 0B0 r*r*(s)r(s)r0 (x*(s),y*(s),z*

4、(s)x*(s)T0+y*(s)N0+z*(s)B0 一曲线的局部规范形式 其中余项 ox*(s3),oy*(s3),oz*(s3)分别是 s3 的高阶无穷小.此式称为曲线 C 在点 P0 处的标准展开标准展开或局部规范形式局部规范形式，或称为Bouquet公式公式对于挠曲线，其局部规范形式的主要部分确定了一条三次多项式曲线曲线 C 在 P0 点的局部近似曲线近似曲线：C*:r*(s)(s,(0/2)s2,(00/6)s3)二曲线的局部近似曲线挠曲线 C 在 P0 点的局部近似曲线近似曲线 C*:r*(s)(s,(0/2)s2,(00/6)s3)直接计算表明，其位置向量的导数在 P0 点与曲线

5、 C 具有相同的取值进一步，曲线 C*与曲线 C 在 P0 点具有相同的Frenet标架以及相同的曲率值和挠率值（习题）；这说明它们的几何行为在 P0 点附近也是很接近的 在 P0 点的局部近似近似注意：曲线 C*与曲线 C 的弧长参数并不一定一致（习题），只是上述各取值相同之处一定包含着所考虑的点 P0 而已二曲线的局部近似曲线但无论如何，从逼近的角度去看，近似曲线的局部形状已经足以反映出原有挠曲线的局部形状为观察近似曲线 C*在 P0 点附近的图形，可以通过观察其向Frenet标架坐标面上的投影曲线的图形而进行，从而得到其基本特征挠曲线 C 在 P0 点的局部近似曲线近似曲线 C*:r*(

6、s)(s,(0/2)s2,(00/6)s3)曲线 C*与曲线 C 的弧长参数并不一定一致曲线的局部近似图形向密切平面上的投影曲线为抛物线C*:r*(s)(s,(0/2)s2,(00/6)s3)为观察近似曲线 C*在 P0 点附近的图形，可以通过观察其向Frenet标架坐标面上的投影曲线的图形而进行，从而得到其基本特征曲线的局部近似图形向从切平面的投影曲线为立方抛物线向法平面的投影曲线为半立方抛物线C*:r*(s)(s,(0/2)s2,(00/6)s3)曲线的局部近似图形后面二者的平面图形走向显然与挠率的符号有关；其立体投影图形也可以仿照图2-8做出（自己练习）类似于图2-7所示的局部情形，当

7、0 0 时，近似曲线和原曲线都是从密切平面“下方”“右旋上升”穿过法平面和密切平面而去C*:r*(s)(s,(0/2)s2,(00/6)s3)图2-9示意了当 0 0 时，近似曲线和原曲线都是从密切平面“下方”“右旋上升”穿过法平面和密切平面而去三曲线的切触为了比较两条曲线在某个局部的接近程度，通常为了方便而将所考虑的一对对应点视为两条曲线的公共点如果还想知道这两条曲线的位置差异程度，那么，引进所谓切触及其阶数的概念将是方便的设相交于点 P0 的曲线 C:r(s)和曲线 C*:r*(s)同时以 s 为弧长参数，并且不妨设 OP0 r(s0)r*(s0)，则两条曲线上的点的对应关系规定为取相同的

8、参数值，几何意义即为对应点到公共交点 P0 的弧段具有相同的有向长度此时，对应点之间在 E3 中的距离若为它们到交点 P0 的弧段长度的高阶无穷小，则称两条曲线 C 和 C*在点 P0 切触切触.三曲线的切触比较两条曲线在某个局部的接近程度设 C:r(s)和 C*:r*(s)同时以 s 为弧长参数，并且 OP0 r(s0)r*(s0)，点的对应关系规定为取相同的参数值；对应点之间在 E3 中的距离若为它们到交点 P0 的弧段长度的高阶无穷小，即 则称两条曲线 C 和 C*在点 P0 切触切触.若正整数 n 使 则称两条曲线 C 和 C*在点 P0 有 n 阶阶切切触触（或n 阶阶密切密切）三曲

9、线的切触(5.3)式和(5.4)式说明 挠曲线及其近似曲线有至少二阶切触从(5.1)式和(5.2)式还可以看到，相切的两条曲线若在切点具有相同的非零曲率值和相同的有向密切平面，则它们在切点有至少二阶切触三曲线的切触(5.3)式和(5.4)式说明挠曲线及其近似曲线有至少二阶切触从(5.1)式和(5.2)式还可以看到，相切的两条曲线若在切点具有相同的非零曲率值和相同的有向密切平面，则它们在切点有至少二阶切触由此，密切平面上存在以曲率半径为半径的圆周与原曲线有至少二阶切触；称该圆周为原曲线在切触点的曲率圆周曲率圆周，称曲率圆周的圆心为原曲线的曲率中心曲率中心曲线与曲面的接近程度 也可以用同样的方法进行考察