Wzory Freneta

Krzywa przestrzenna, wektory **T $\equiv$ t**, **N $\equiv$ n**, **B $\equiv$ b** i płaszczyzna ściśle styczna rozpięta na wektorach T, N i o wektorze normalnym B.

Wzory Fréneta, wzory Fréneta-Serreta – wzory wyrażające zależności pomiędzy wektorami tworzącymi krawędzie tzw. trójścianu Freneta, zaczepionymi w pewnym punkcie badanej krzywej i określającymi jej geometryczne własności przestrzenne w tym punkcie.

Zapis wektorowy

W zapisie wektorowym wzory Freneta mają następującą postać

{\frac {d\mathbf {r} }{ds}}=\mathbf {t} ,\quad |\mathbf {t} |=1,

{\frac {d\mathbf {t} }{ds}}={\frac {1}{\rho }}\,\mathbf {n} =\mathbf {N}

{\frac {d\mathbf {n} }{ds}}=-{\frac {1}{\rho }}\mathbf {t} -{\frac {1}{\tau }}\mathbf {b}

{\frac {d\mathbf {b} }{ds}}={\frac {1}{\tau }}\,\mathbf {n}

gdzie^[1]:

s

– parametr naturalny krzywej (długość łuku),

\mathbf {r}

– wektor wodzący punktu na krzywej,

\mathbf {t}

– wektor styczny,

\mathbf {n} \;(=\rho \mathbf {N} )

– wektor normalnej głównej,

\mathbf {b} \;(=\rho \mathbf {H} )

– wektor binormalny,

\mathbf {N}

– wektor krzywizny,

\rho

– promień krzywizny,

\kappa \;(={\tfrac {1}{\rho }})

– krzywizna krzywej,

\tau

– promień torsji krzywej (promień drugiej krzywizny),

T\;(={\tfrac {1}{\tau }})

– torsja krzywej (druga krzywizna),

\mathbf {H} (A,B,C),\,\mathbf {G} (L,M,N)

– wektory normalne płaszczyzn: ściśle stycznej i prostującej.

Z punktem $P$ na krzywej przestrzennej $K$ można związać dwa lokalne układy ortogonalnych osi liczbowych. Pierwszy z nich jest nieruchomy, prawoskrętny i określony przez wersory $\mathbf {i} ,\,\mathbf {j} ,\,\mathbf {k} .$ Drugi prawoskrętny układ wersorów $\mathbf {t} ,\,\mathbf {n} ,\,\mathbf {b}$ jest związany z krzywą i określa trzy istotne kierunki: styczny, normalny i binormalny. Dwa pierwsze wyznaczone są przez wersory

\mathbf {t} =\mathbf {r} ^{'}=x^{'}\mathbf {i} +y^{'}\mathbf {j} +z^{'}\mathbf {k} ,

\mathbf {n} =\rho \,\mathbf {t} ^{'}=\rho \,(x^{''}\mathbf {i} +y^{''}\mathbf {j} +z^{''}\mathbf {k} ),\quad \mathbf {t} ^{'}=\mathbf {N} ,

(1.1)

gdzie:

\rho ={\frac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}+(z^{''})^{2}}}},

(1.2)

a trzeci jest definiowany^[1] wzorem

{\begin{aligned}\mathbf {b} &=\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\x^{'}&y^{'}&z^{'}\\\rho x^{''}&\rho y^{''}&\rho z^{''}\end{vmatrix}}\\[1ex]&=\rho {\Big [}(y^{'}z^{''}-z^{'}y^{''})\,\mathbf {i} +(z^{'}x^{''}-x^{'}z^{''})\,\mathbf {j} \\[1ex]&\quad +(x^{'}y^{''}-y^{'}x^{''})\,\mathbf {k} {\Big ]}\\[1ex]&=\rho \,{\big (}A\,\mathbf {i} +B\,\mathbf {j} +C\,\mathbf {k} {\big )}=\rho \mathbf {H} .\end{aligned}}

(1.3)

Jeżeli krzywa $S$ leży na płaszczyźnie $\pi$ o normalnej $\mathbf {w} ,$ to wektor binormalnej $\mathbf {b}$ do tej krzywej w każdym jej punkcie jest stały i $\mathbf {b} =\mathbf {w} .$ Płaszczyzna $\pi$ jest w tym przypadku płaszczyzną ściśle styczną dla dowolnego punktu krzywej $S.$

W analizie przestrzennych właściwości krzywych istotną rolę odgrywają pochodne wersorów krawędzi trójścianu Freneta.

Na podstawie wzoru (1.1) mamy

\mathbf {t} ^{'}=\mathbf {N} ={\tfrac {1}{\rho }}\mathbf {n}

(1.4)

i różniczkując wzór (1.3), otrzymujemy

\mathbf {b} ^{'}=\mathbf {t} ^{'}\!\times \mathbf {n} +\mathbf {t} \times \mathbf {n} ^{'}=\mathbf {N} \times \mathbf {n} +\mathbf {t} \times \mathbf {n} ^{'}=\mathbf {t} \times \mathbf {n} ^{'},

(1.5)

ponieważ $\mathbf {N}$ i $\mathbf {n}$ są kolinearne. Ponadto z (1.5) wynika, że $\mathbf {b} ^{'}\cdot \mathbf {t} =0,$ a ponieważ również $\mathbf {b} ^{'}\cdot \mathbf {b} =0,$

więc

\mathbf {b} ^{'}={\frac {1}{\tau }}\mathbf {n} ,

(1.6)

gdzie ${\frac {1}{\tau }}=T$ jest torsją krzywej w punkcie $P,$ określoną wzorem (1.8).

Teraz można już obliczyć pochodną normalnej głównej, korzystając ze wzoru $\mathbf {n} =\mathbf {b} \times \mathbf {t}$

{\begin{aligned}\mathbf {n} ^{'}&=-(\mathbf {t} \times \mathbf {b} )^{'}=-\mathbf {t} ^{'}\!\times \mathbf {b} -\mathbf {t} \times \mathbf {b} ^{'}\\[1ex]&=-{\frac {1}{\rho }}\,\mathbf {n} \times \mathbf {b} -{\frac {1}{\tau }}\mathbf {t} \times \mathbf {n} \\[1ex]&=-{\frac {1}{\rho }}\,\mathbf {t} -{\frac {1}{\tau }}\mathbf {b} =-\kappa \mathbf {t} -T\mathbf {b} .\end{aligned}}

(1.7)

Poniższa tabelka zawiera kosinusy kierunkowe wersorów Freneta osi stycznej, normalnej i binormalnej z kierunkami osi $0x,\,0y,\,0z.$

	x	y	z
$\mathbf {t}$	$\alpha$	$\beta$	$\gamma$
$\mathbf {n}$	$\alpha _{1}$	$\beta _{1}$	$\gamma _{1}$
$\mathbf {b}$	$\alpha _{2}$	$\beta _{3}$	$\gamma _{2}$

Wzory dla pochodnych wersorów Freneta zestawiono poniżej^[1].

	$\mathbf {i}$	$\mathbf {j}$	$\mathbf {k}$
$\mathbf {t} ^{'}$	${\frac {\alpha _{1}}{\rho }}$	${\frac {\beta _{1}}{\rho }}$	${\frac {\gamma _{1}}{\rho }}$
$\mathbf {n} ^{'}$	$-{\frac {\alpha }{\rho }}-{\frac {\alpha _{2}}{\tau }}$	$-{\frac {\beta }{\rho }}-{\frac {\beta _{2}}{\tau }}$	$-{\frac {\gamma }{\rho }}-{\frac {\gamma _{2}}{\tau }}$
$\mathbf {b} ^{'}$	${\frac {\alpha _{1}}{\tau }}$	${\frac {\beta _{1}}{\tau }}$	${\frac {\gamma _{1}}{\tau }}$

Torsję krzywej można obliczyć, korzystając ze wzoru (1.6) po uwzględnieniu (1.1) i (1.5)

{\begin{aligned}T&={\frac {1}{\tau }}=\mathbf {b} ^{'}\cdot \mathbf {n} =\\[1ex]&=(\mathbf {t} \times \mathbf {n} ^{'})\cdot \mathbf {n} ={\big [}\mathbf {t} \times (\rho \mathbf {N} )^{'}{\big ]}\cdot \rho \mathbf {N} =\\[1ex]&={\big [}\mathbf {t} \times (\rho ^{'}\mathbf {N} +\rho \mathbf {N} ^{'}){\big ]}\cdot \rho \mathbf {N} =\\[1ex]&=\rho ^{2}(\mathbf {t} \times \mathbf {N} ^{'})\cdot \mathbf {N} =-\rho ^{2}(\mathbf {r} ^{'}\times \mathbf {r} ^{''})\cdot \mathbf {r} ^{'''}=\\[1ex]&=-\rho ^{2}\;{\begin{vmatrix}x^{'}&y^{'}&z^{'}\\x^{''}&y^{''}&z^{''}\\x^{'''}&y^{'''}&z^{'''}\end{vmatrix}},\end{aligned}}

(1.8)

dzięki temu, że $(\mathbf {t} \times \mathbf {N} )\cdot \mathbf {N} =0.$

Torsja $T$ określona w dowolnym punkcie $P$ krzywej $K$ wzorem $\mathbf {b} ^{'}\!\cdot \mathbf {n}$ stanowi pewną miarę zwichrowania tej krzywej w bliskim otoczeniu punktu $P.$ Polega ono na wychylaniu się krzywej z jej płaszczyzny ściśle do niej stycznej w tym punkcie. Gdy torsja ma wartość zerową krzywa w otoczeniu punktu $P$ jest płaska, bez zwichrowania.

Zapis parametryczny

Dana jest krzywa przestrzenna $K$ opisana parametrycznie równaniami^[2]

x=x(t),\quad y=y(t),\quad z=z(t).

(1)

Na tej krzywej wyróżnimy dwa punkty $P_{o}(x_{o},\,y_{o},\,z_{o}),$ $P_{1}(x_{1},\,y_{1},z_{1})$ odpowiadające dwom wartościom $t_{o},\,t_{1}$ parametru $t.$ Przez te punkty przechodzi sieczna opisana równaniem

{\frac {x-x_{o}}{x_{1}-x_{o}}}={\frac {y-y_{o}}{y_{1}-y_{o}}}={\frac {z-z_{o}}{z_{1}-z_{o}}}.

(2)

Dzieląc mianowniki przez $t_{1}-t_{o}$ i przechodząc do granicy $t_{1}\to t_{o},$ otrzymujemy równanie linii stycznej do krzywej $K$ w punkcie $P_{o}$

{\frac {x-x_{o}}{{\dot {x}}_{o}}}={\frac {y-y_{o}}{{\dot {y}}_{o}}}={\frac {z-z_{o}}{{\dot {z}}_{o}}},

(3)

gdzie przez ${\dot {x}}_{o},\,{\dot {y}}_{o},\,{\dot {z}}_{o}$ oznaczono pochodne względem parametru liczone w punkcie $P_{o}.$

Równanie o postaci (3) jest konsekwencją kolinearności wektorów $\mathbf {r} -\mathbf {r} _{o}$ i ${\dot {\mathbf {r} }}_{o}.$

Równanie płaszczyzny normalnej $\sigma _{o}$ (prostopadłej) do krzywej w punkcie $P_{o}$ można zapisać w postaci^[2] iloczynu skalarnego wektora stycznego do niej z dowolnym wektorem leżącym w płaszczyźnie $\sigma _{o}$

\mathbf {\dot {r}} _{o}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{o})={\dot {x}}_{o}(x-x_{o})+{\dot {y}}_{o}(y-y_{o})+{\dot {z}}_{o}(z-z_{o})=0.

(4)

Równanie płaszczyzny ściśle stycznej $\pi _{o}$ do krzywej w punkcie $P_{o}$ zapiszemy w postaci

\mathbf {H} _{o}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{0})=A(x-x_{o})+B(y-y_{o})+C(z-z_{0})=0.

(5)

Problem polega teraz na tym, aby określić współrzędne $A,\,B,\,C$ takiego wektora $\mathbf {H} _{o},$ który byłby prostopadły do płaszczyzny ściśle stycznej $\pi _{o}.$

Rozważmy równanie takiej płaszczyzny $\pi _{1},$ na której leży styczna i która

przechodzi przez punkt $P_{o}$ – a zatem każdy jej wektor $\mathbf {r} -\mathbf {r} _{o}$ jest prostopadły do $\mathbf {H} _{1}{:}$

\mathbf {H} _{1}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{o})=A_{1}(x-x_{o})+B_{1}(y-y_{o})+C_{1}(z-z_{0})=0

(6)

oraz

każdy wektor $\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{o}$ leżący na płaszczyźnie $\pi _{1}$ jest prostopadły do $\mathbf {H} _{1}{:}$

\mathbf {H} _{1}\cdot (\mathbf {r} _{1}-\mathbf {r} _{o})=A_{1}(x_{1}-x_{o})+B_{1}(y_{1}-y_{o})+C_{1}(z_{1}-z_{0})=0.

(7)

Wektor $\mathbf {H} _{1}$ jest również prostopadły do wektora stycznego ${\dot {\mathbf {r} }}_{o},$ który leży na $\pi _{1}{:}$

\mathbf {H} _{1}\cdot {\dot {\mathbf {r} }}_{o}=A_{1}{\dot {x}}_{o}+B_{1}{\dot {y}}_{o}+C_{1}{\dot {z}}_{o}=0.

(8)

Wykorzystując wzór Taylora zamiast (7), możemy napisać

A_{1}(h{\dot {x}}_{o}+{\tfrac {1}{2}}h^{2}{\ddot {x}}_{\lambda })+B_{1}(h{\dot {y}}_{o}+{\tfrac {1}{2}}h^{2}{\ddot {y}}_{\lambda })+C_{1}(h{\dot {z}}_{o}+{\tfrac {1}{2}}h^{2}{\ddot {z}}_{\lambda })=0,

(9)

gdzie $h=t_{1}-t_{o},\quad \lambda =x_{o}+\theta h,\quad 0<\theta <1.$

Po uwzględnieniu (8) i (9) otrzymujemy

A_{1}{\ddot {x}}_{\lambda }+B_{1}{\ddot {y}}_{\lambda }+C_{1}{\ddot {z}}_{\lambda }=0.

(10)

Można teraz z (8) i (10) wyznaczyć niewiadome $A_{1}\;B_{1},\,C_{1}$ i na podstawie (6) otrzymuje się, po przejściu do granicy $t_{1}\to t_{o}$

({\dot {y}}_{o}{\ddot {z}}_{o}-{\dot {z}}_{o}{\ddot {y}}_{o})(x-x_{o})+({\dot {z}}_{o}{\ddot {x}}_{o}-{\dot {x}}_{o}{\ddot {z}}_{o})(y-y_{o})+({\dot {x}}_{o}{\ddot {y}}_{o}-{\dot {y}}_{o}{\ddot {x}}_{o})(z-z_{o}).

(11)

Tak więc wektor $\mathbf {H} _{o}$ prostopadły do płaszczyzny ściśle stycznej ma współrzędne

A={\dot {y}}_{o}{\ddot {z}}_{o}-{\dot {z}}_{o}{\ddot {y}}_{o},\quad B={\dot {z}}_{o}{\ddot {x}}_{o}-{\dot {x}}_{o}{\ddot {z}}_{o},\quad C={\dot {x}}_{o}{\ddot {y}}_{o}-{\dot {y}}_{o}{\ddot {x}}_{o}.

(12)

Przez punkt $P_{o}$ krzywej $K$ przechodzą trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny tworzące trójścian Freneta^[3]:

ściśle styczna (o wektorze normalnym $\mathbf {H} _{0}(A,B,C)$ ) – równanie (5) i (12),
normalna (o wektorze normalnym $\mathbf {\dot {r}} _{0}({\dot {x}}_{0},{\dot {y}}_{0},{\dot {z}}_{0})$ ) – równanie (4),
prostująca (o wektorze normalnym $\mathbf {G} _{0}(L,M,N)$ ) – prostopadła do dwu poprzednich. Jej równanie ma postać

\mathbf {G} _{o}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{o})=L(x-x_{o})+M(y-y_{o})+N(z-z_{o})=0.

(13)

Wektor $\mathbf {G} _{o}=(L,\,M,\,N)$ jest prostopadły do obydwu wektorów $\mathbf {H} _{o}=(A,\,B,\,C)$ i ${\dot {\mathbf {r} }}_{o}=({\dot {x}}_{o},\,{\dot {y}}_{o},\,{\dot {z}}_{o})$ i dlatego muszą być spełnione dwa równania

\mathbf {H} _{o}\cdot \mathbf {G} _{o}=AL+BM+CN=0,

(14)

{\dot {\mathbf {r} }}_{o}\cdot \mathbf {G} _{o}={\dot {x}}_{o}L+{\dot {y}}_{o}M+{\dot {z}}_{o}N=0.

(15)

Rozwiązanie równań (13) i (15) ma postać wzorów

L=B{\dot {z}}_{o}-C{\dot {y}}_{o},\quad M=C{\dot {x}}_{o}-A{\dot {z}}_{o},\quad N=A{\dot {y}}_{o}-B{\dot {x}}_{o}.

(16)

Krawędziami trójścianu Freneta są proste:

styczna – o wersorze $\mathbf {t}$ i równaniu (3),
normalna główna – o wersorze $\mathbf {n}$ i prostopadła do płaszczyzny prostującej, określona równaniem

{\frac {x-x_{o}}{L}}={\frac {y-y_{o}}{M}}={\frac {z-z_{o}}{N}},

(17)

binormalna – o wersorze $\mathbf {b}$ i prostopadła do płaszczyzny ściśle stycznej, określona równaniem

{\frac {x-x_{o}}{A}}={\frac {y-y_{o}}{B}}={\frac {z-z_{o}}{C}}.

(18)

Zachodzą przy tym następujące tożsamości

L{\ddot {x}}_{o}+M{\ddot {y}}_{o}+N{\ddot {z}}_{o}\equiv A^{2}+B^{2}+C^{2}\quad {}

(lub

{}\ \mathbf {G} _{o}\cdot {\ddot {\mathbf {r} }}_{o}\equiv \mathbf {H} _{o}^{2}

),

(19)

L^{2}+M^{2}+N^{2}\equiv ({\dot {x}}_{o}^{2}+{\dot {y}}_{o}^{2}+{\dot {z}}_{o}^{2})(A^{2}+B^{2}+C^{2})\quad {}

(lub

{}\ \mathbf {G} _{o}^{2}\equiv {\dot {\mathbf {r} }}_{o}^{2}\mathbf {H} _{o}^{2}

).

(20)

Krzywizna i torsja krzywej

Płaszczyzna normalna do krzywej $K$ w jej punkcie $P_{1}(x_{1},\,y_{1},\,z_{1})$ opisana jest równaniem

\mathbf {t} _{1}\cdot (\mathbf {r} -\mathbf {r} _{1})={\dot {x}}_{1}(x-x_{1})+{\dot {y}}_{1}(y-y_{1})+{\dot {z}}(z-z_{1})=0,

(21)

gdzie $\mathbf {t} _{1}$ jest wektorem stycznym do krzywej w punkcie $P_{1}.$

Przecina ona normalną główną (17) w punkcie $S_{1}$ o współrzędnych

x=x_{o}+L\lambda ,\quad y=y_{o}+M\lambda ,\quad z=z_{o}+N\lambda .

(22)

Po podstawieniu (22) do (21) i uwzględnieniu (15) otrzymujemy wartość parametru

\lambda _{s}={\frac {{\dot {x}}_{1}(x_{1}-x_{o})+{\dot {y}}_{1}(y_{1}-y_{o})+{\dot {z}}_{1}(z_{1}-z_{o})}{L({\dot {x}}_{1}-{\dot {x}}_{o})+M({\dot {y}}_{1}-{\dot {y}}_{o})+N({\dot {z}}_{1}-{\dot {z}}_{o})}}

(23)

określającą położenie punktu $S_{1}$ na kierunku normalnej głównej.

Po podzieleniu licznika i mianownika przez $t_{1}-t_{o}$ i po przejściu do granicy $t_{1}\to t_{o}$ otrzymujemy

\lambda _{o}={\frac {{\dot {x}}_{o}^{2}+{\dot {y}}_{o}^{2}+{\dot {z}}_{o}^{2}}{L{\ddot {x}}_{o}+M{\ddot {y}}_{o}+N{\ddot {z}}_{o}}}.

(24)

Gdy punkt $P_{1}$ dąży do punktu $P_{o}$ punkt $S_{1}$ dąży do punktu $S_{o}$ o współrzędnych

x_{*}=x_{o}+L\lambda _{o},\quad y_{*}=y_{o}+M\lambda _{o},\quad z_{*}=z_{o}+N\lambda _{o}.

(25)

Po wykorzystaniu tożsamości (19) otrzymujemy

\lambda _{o}={\frac {{\dot {x}}_{o}^{2}+{\dot {y}}_{o}^{2}+{\dot {z}}_{o}^{2}}{A^{2}+B^{2}+C^{2}}}={\frac {{\dot {\mathbf {r} }}_{o}^{2}}{\mathbf {H} _{o}^{2}}}.

(26)

Punkt o współrzędnych (25) nazywany jest środkiem krzywizny krzywej $K$ w jej punkcie $P_{o}.$ Miejscem geometrycznym środków krzywizny krzywej $K,$ o współrzędnych $x_{*},y_{*},z_{*},$ jest krzywa $K_{*}$ zwana ewolutą krzywej $K.$

Odległość punktu $S_{o}$ od punktu $P_{o}$ jest tak zwanym promieniem krzywizny $\rho$ krzywej w jej punkcie $P_{o}.$ Odległość tę oblicza się na podstawie wzorów (25) po uwzględnieniu tożsamości (20)

{\begin{aligned}\rho ^{2}&=(x_{*}-x_{o})^{2}+(y_{*}-y_{o})^{2}+(z_{*}-z_{o})^{2}\\[1ex]&=L^{2}\lambda _{o}^{2}+M^{2}\lambda _{o}^{2}+N^{2}\lambda _{o}^{2}=\lambda _{o}^{2}(L^{2}+M^{2}+N^{2}),\end{aligned}}

\rho =\lambda _{o}{\sqrt {L^{2}+M^{2}+N^{2}}}={\sqrt {\tfrac {({\dot {x}}_{o}^{2}+{\dot {y}}_{o}^{2}+{\dot {z}}_{o}^{2})^{3}}{A^{2}+B^{2}+C^{2}}}}=\lambda _{o}|\mathbf {G} _{o}|.

(27)

Krzywiznę krzywej określa wzór

\kappa ={\frac {1}{\rho }}={\sqrt {\frac {A^{2}+B^{2}+C^{2}}{({\dot {x}}_{o}^{2}+{\dot {y}}_{o}^{2}+{\dot {z}}_{o}^{2})^{3}}}}={\frac {1}{\lambda _{o}|\mathbf {G} _{o}|}}={\frac {\mathbf {H} _{o}^{2}}{|\mathbf {G} _{o}|\mathbf {\dot {r}} _{o}^{2}}}.

(28)

Krzywizna $\kappa$ nazywana jest pierwszą krzywizną krzywej dla odróżnienia jej od drugiej krzywizny $T$ nazywanej torsją krzywej. Torsja $T$ jest miarą skrętu krzywej związanego z obrotem trójścianu Freneta dokoła osi stycznej. Obrót ten można obliczyć, wprowadzając do rozważań jednostkowy wektor

\mathbf {h} ={\frac {\mathbf {H} }{|\mathbf {H} |}},

\mathbf {H} =A\,\mathbf {i} +B\,\mathbf {j} +C\,\mathbf {k} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\x^{'}&y^{'}&z^{'}\\x^{''}&y^{''}&z^{''}\end{vmatrix}},

\mathbf {H} ^{'}={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\x^{'}&y^{'}&z^{'}\\x^{'''}&y^{'''}&z^{'''}\end{vmatrix}},

(29)

dzięki któremu torsję $T$ można zdefiniować wzorem

\mathbf {h} ^{'}=T\mathbf {n} ,\quad \mathbf {n} =\rho \mathbf {N} ,\quad \mathbf {N} =x^{''}\mathbf {i} +y^{''}\mathbf {j} +z^{''}\mathbf {k} ,

(30)

przy czym

\mathbf {h} ^{'}=\left({\tfrac {\mathbf {H} }{|\mathbf {H} |}}\right)^{'}={\tfrac {\mathbf {H} ^{'}|\mathbf {H} |-\mathbf {H} |\mathbf {H} |^{'}}{|\mathbf {H} |^{2}}}=\rho ^{2}(|\mathbf {H} |\mathbf {H} ^{'}-|\mathbf {H} |^{'}\mathbf {H} )

(31)

dzięki temu, że po uwzględnieniu tożsamości Lagrange’a

{\begin{aligned}\mathbf {H} ^{2}&=A^{2}+B^{2}+C^{2}=\\[1ex]&=(y^{'}z^{''}-z^{'}y^{''})^{2}+(x^{'}z^{''}-z^{'}x^{''})^{2}+(x^{'}y^{''}-y^{'}x^{''})^{2}=\\[1ex]&=(x^{'2}+y^{'2}+z^{'2})(x^{''2}+y^{''2}+z^{''2})-\\[1ex]&\qquad -(x^{'}x^{''}+y^{'}y^{''}+z^{'}z^{''})^{2}=\\&=\mathbf {t} ^{2}\mathbf {N} ^{2}-(\mathbf {t} \cdot \mathbf {N} )^{2}=(\mathbf {t} \cdot \mathbf {t} )(\mathbf {N} \cdot \mathbf {N} )-0={\tfrac {1}{\rho ^{2}}}.\end{aligned}}

(32)

Na podstawie (31) i dzięki temu, że $\mathbf {H} ={\tfrac {1}{\rho }}\mathbf {b} ,$ otrzymujemy

{\begin{aligned}T&=(\mathbf {h} ^{'}\cdot \,\mathbf {n} )=\\[1ex]&=\rho ^{2}{\Big (}|\mathbf {H} |(\mathbf {H} ^{'}\mathbf {\cdot } \,\mathbf {n} )-|\mathbf {H} |^{'}(\mathbf {H} \cdot \mathbf {n} ){\Big )}=\\[1ex]&=\rho ^{2}|\mathbf {H} |(\mathbf {H} ^{'}\cdot \mathbf {n} )=\rho (\mathbf {H} ^{'}\cdot \mathbf {n} )=\\[1ex]&=\rho ^{2}(\mathbf {H} ^{'}\cdot \mathbf {N} )=-\rho ^{2}{\begin{vmatrix}x^{'}&y^{'}&z^{'}\\x^{''}&y^{''}&z^{''}\\x^{'''}&y^{'''}&z^{'''}\end{vmatrix}}.\end{aligned}}

(33)

Przykłady

Elipsa

x(t)=a\cos t,\;y(t)=b\sin t,\;z(t)=0,

{\dot {x}}(t)=-a\sin t,\;{\dot {y}}(t)=b\cos t,\;{\dot {z}}(t)=0,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,\;{\tfrac {dt}{ds}}={\tfrac {1}{\sigma }},

\sigma (t)={\sqrt {a^{2}\sin ^{2}t+b^{2}\cos ^{2}t}},\;{\dot {\sigma }}={\tfrac {a^{2}-b^{2}}{\sigma }}\sin t\cos t,

x^{'}(s)=-{\tfrac {a}{\sigma }}\sin t,\;\;y^{'}(s)={\tfrac {b}{\sigma }}\cos t,

x^{''}(s)=-{\tfrac {ab^{2}}{\sigma ^{4}}}\cos t,\;\;y^{''}=-{\tfrac {a^{2}b}{\sigma ^{4}}}\sin t,

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{3}}{ab}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\-{\tfrac {a}{\sigma }}\sin t&{\tfrac {b}{\sigma }}\cos t&0\\-{\tfrac {b}{\sigma }}\cos t&-{\tfrac {a}{\sigma }}\sin t&0\end{vmatrix}}=(0,\;0,\;1),

T=0

- ponieważ

\mathbf {b} =const.

Okrąg

Na płaszczyźnie o normalnej: ${}\qquad \mathbf {b} =(0,\;-\sin \alpha ,\;\cos \alpha ).$

x(t)=r\cos t,\;y(t)=r\cos \alpha \sin t,\;z(t)=r\sin \alpha \sin t,

{\dot {x}}(t)=-r\sin t,\;{\dot {y}}(t)=r\cos \alpha \cos t,\;{\dot {z}}(t)=r\sin \alpha \cos t,

ds={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+{\dot {z}}^{2}}}dt=rdt,

x^{'}(s)=-\sin t,\;y^{'}(s)=\cos \alpha \cos t,\;z^{'}(s)=\sin \alpha \cos t,

x^{''}(s)=-{\tfrac {1}{r}}\cos t,\;y^{''}(s)=-{\tfrac {1}{r}}\cos \alpha \sin t,\;z^{''}(s)=-{\tfrac {1}{r}}\sin \alpha \sin t,

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}+(z^{''})^{2}}}}=r,

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\-\sin t&\cos \alpha \cos t&\sin \alpha \cos t\\-\cos t&-\cos \alpha \sin t&-\sin \alpha \sin t\end{vmatrix}}=(0,\;-\sin \alpha ,\;\cos \alpha ),

T=0

- ponieważ

\mathbf {b} =const.

Spirala na walcu kołowym

Linia śrubowa – krzywa „nawinięta” na walec o promieniu $r.$ Spirala jest prawoskrętna wokoło osi $0z.$

x(t)=r\cos t,\;y(t)=r\sin t,\;z(t)={\tfrac {hr}{2\pi }}t,

{\dot {x}}(t)=-r\sin t,\;{\dot {y}}(t)=r\cos t,\;{\dot {z}}(t)={\tfrac {hr}{2\pi }},

ds={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+{\dot {z}}^{2}}}dt=r\sigma dt,\quad {\tfrac {dt}{ds}}={\tfrac {1}{r\sigma }},\quad t={\tfrac {s}{r}}\cos \varphi ,

\sigma ={\sqrt {1+\left({\tfrac {h^{2}}{4\pi ^{2}}}\right)}},\quad {\tfrac {1}{\sigma }}=\cos \varphi ,\quad {\tfrac {h}{2\pi \sigma }}=\sin \varphi ,

gdzie $\varphi$ jest kątem nachylenia stycznej do osi pręta względem płaszczyzny $0xy$ kołowego przekroju walca,

x^{'}(s)=-\cos \varphi \sin t,\;y^{'}(s)=\cos \varphi \cos t,\;z^{'}(s)=\sin \varphi ,

x^{''}(s)=-{\tfrac {1}{r}}\cos ^{2}\varphi \cos t,\quad y^{''}(s)=-{\tfrac {1}{r}}\cos ^{2}\varphi \sin t,\quad z^{''}(s)=0,

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}}}}={\tfrac {r}{\cos ^{2}\varphi }},

stąd

x^{''}(s)=-{\tfrac {1}{\rho }}\cos t,\quad y^{''}(s)=-{\tfrac {1}{\rho }}\sin t,\quad z^{''}(s)=0,

x^{'''}(s)={\tfrac {1}{\rho r\sigma }}\sin t,\quad y^{'''}(s)=-{\tfrac {r}{\rho r\sigma }}\cos t,\quad z^{'''}(s)=0,

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\-\cos \varphi \sin t&\cos \varphi \cos t&\sin \varphi \\-\cos t&-\sin t&0\end{vmatrix}}=

{}\qquad =(\sin \varphi \sin t,\;-\sin \varphi \cos t,\;\cos \varphi ),

T=-{\begin{vmatrix}-\cos \varphi \sin t&\cos \varphi \cos t&\sin \varphi \\-\cos t&-\sin t&0\\{\tfrac {1}{r\sigma }}\sin t&-{\tfrac {1}{r\sigma }}\cos t&0\end{vmatrix}}=-{\tfrac {1}{r\sigma }}\sin \varphi =-{\tfrac {1}{r}}\cos \varphi \sin \varphi .

Parabola płaska

x(t)=t,\,y(t)=t^{2},\,z(t)=0,

{\dot {x}}(t)=1,\;{\dot {y}}(t)=2t,\;{\dot {z}}(t)=0,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+{\dot {z}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,\;{\tfrac {dt}{ds}}={\tfrac {1}{\sigma }},

\sigma (t)={\sqrt {1+4t^{2}}},\quad {\dot {\sigma }}(t)={\tfrac {4t}{\sigma }},

x^{'}(s)={\tfrac {1}{\sigma }},\quad y^{'}(s)={\tfrac {2t}{\sigma }},\quad z'(s)=0,

x^{''}(s)=-{\tfrac {4t}{\sigma ^{4}}},\quad y^{''}(s)={\tfrac {2}{\sigma ^{4}}},\quad z^{''}(s)=0,

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{3}}{2}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\{\tfrac {1}{\sigma }}&{\tfrac {2t}{\sigma }}&0\\-{\tfrac {2t}{\sigma }}&{\tfrac {1}{\sigma }}&0\end{vmatrix}}=(0,\;0,\;1),

T=-\rho ^{2}{\begin{vmatrix}x^{'}&y^{'}&0\\x^{''}&y^{''}&0\\x^{'''}&y^{'''}&0\end{vmatrix}}=0.

Parabola przestrzenna

x(t)=t,\;y(t)=t^{2},\;z(t)=ht,

{\dot {x}}(t)=1,\;{\dot {y}}(t)=2t,\;{\dot {z}}(t)=h,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+{\dot {z}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,\;\;{\tfrac {dt}{ds}}={\tfrac {1}{\sigma }}

\sigma (t)={\sqrt {1+h^{2}+4t^{2}}},\quad {\dot {\sigma }}(t)={\tfrac {4t}{\sigma }},

x^{'}(s)={\tfrac {1}{\sigma }},\;y^{'}(s)={\tfrac {2t}{\sigma }},\;z^{'}(s)={\tfrac {h}{\sigma }},

x^{''}(s)=-{\tfrac {4t}{\sigma ^{4}}},\;y^{''}(s)={\tfrac {2\kappa ^{2}}{\sigma ^{4}}},\;z^{''}(s)=-{\tfrac {4ht}{\sigma ^{4}}},

x^{'''}(s)=-{\tfrac {4}{\sigma ^{7}}}\scriptstyle {(\sigma ^{2}-16t^{2})},\;y^{'''}(s)=-{\tfrac {32\kappa ^{2}t}{\sigma ^{7}}},\;z^{'''}(s)=-{\tfrac {4h}{\sigma ^{7}}}\scriptstyle {(\sigma ^{2}-16t^{2})},

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}+(z^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{3}}{2\kappa }},\;\kappa ={\sqrt {1+h^{2}}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\{\tfrac {1}{\sigma }}&{\tfrac {2t}{\sigma }}&{\tfrac {h}{\sigma }}\\-{\tfrac {2t}{\kappa \sigma }}&{\tfrac {\kappa ^{2}}{\kappa \sigma }}&-{\tfrac {2ht}{\kappa \sigma }}\end{vmatrix}}=(-{\tfrac {h}{\kappa }},\;0,\;{\tfrac {1}{\kappa }}),

T=-{\begin{vmatrix}{\tfrac {1}{\sigma }}&{\tfrac {2t}{\sigma }}&{\tfrac {h}{\sigma }}\\-{\tfrac {2t}{\kappa \sigma }}&{\tfrac {\kappa ^{2}}{\kappa \sigma }}&-{\tfrac {2ht}{\kappa \sigma }}\\-{\tfrac {2}{\kappa \sigma ^{4}}}\scriptstyle {(\sigma ^{2}-16t^{2})}&-{\tfrac {16\kappa ^{2}t}{\kappa \sigma ^{4}}}&-{\tfrac {2h}{\kappa \sigma ^{4}}}\scriptstyle {(\sigma ^{2}-16t^{2})},\end{vmatrix}}=0.

Zerowanie się torsji wynika również bezpośrednio z faktu, że $\mathbf {b} =const.$ Rozważana krzywa w całości leży na swojej płaszczyźnie ściśle stycznej o normalnej $\mathbf {b} .$

Spirala Archimedesa

x(t)=at\cos t,\;y(t)=at\sin t,\;z(t)=0,

{\dot {x}}(t)=a(\cos t-t\sin t),\;{\dot {y}}(t)=a(\sin t+t\cos t),\;{\dot {z}}(t)=0,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,

\sigma (t)=a{\sqrt {1+t^{2}}},\quad {\dot {\sigma }}(t)={\tfrac {a^{2}t}{\sigma }},

x^{'}(s)={\tfrac {a}{\sigma }}(\cos t-t\sin t),\;y^{'}(s)={\tfrac {a}{\sigma }}(\sin t+t\cos t),\;z^{'}(s)=0,

x^{''}(s)=-{\tfrac {a}{\sigma ^{4}}}(\mu t\cos t+\nu \sin t),\quad \mu =a^{2}+\sigma ^{2},

y^{''}(s)={\tfrac {a}{\sigma ^{4}}}(\nu \cos t-\mu t\sin t),\quad \nu =2\sigma ^{2}-a^{2}t^{2},

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{4}}{\alpha }},\quad \alpha =a{\sqrt {\mu ^{2}t^{2}+\nu ^{2}}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\{\frac {a}{\sigma }}\scriptstyle {(\cos t-t\sin t)}&{\tfrac {a}{\sigma }}\scriptstyle {(\sin t+t\cos t)}&0\\-{\tfrac {a}{\alpha }}\scriptstyle {(\mu t\cos t+\nu \sin t)}&{\tfrac {a}{\alpha }}\scriptstyle {(\nu \cos t-\mu t\sin t)}&0\end{vmatrix}}=

{}\qquad =\left[0,\;0,\;{\tfrac {a^{2}\sigma }{\alpha }}\scriptstyle {(t^{2}+2)}\right]=(0,\,0,\,1),

T=0.

Spirala stożkowa

Krzywa „nawinięta” na stożek kołowy.

x(t)=(a+bt)\cos t,\;y(t)=(a+bt)\sin t,\;z(t)=ht

{\dot {x}}(t)=b\cos t-(a+bt)\sin t,

{\dot {y}}(t)=b\sin t+(a+bt)\cos t,\quad {\dot {z}}(t)=h,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+({\dot {z}})^{2}+}}dt=\sigma (t)dt,

\sigma (t)={\sqrt {b^{2}+h^{2}+(a+bt)^{2}}},\quad {\dot {\sigma }}(t)={\tfrac {b}{\sigma }}(a+bt),

x^{'}(s)={\tfrac {1}{\sigma }}[b\cos t-(a+bt)\sin t],

y^{'}(s)={\tfrac {1}{\sigma }}[b\sin t+(a+bt)\cos t],\quad z^{'}(s)={\tfrac {h}{\sigma }},

x^{''}(s)=-{\tfrac {1}{\sigma ^{4}}}(\mu \cos t+\nu \sin t),

y^{''}(s)={\tfrac {1}{\sigma ^{4}}}(\nu \cos t-\mu \sin t),\quad z^{''}(s)=-{\tfrac {bh}{\sigma ^{4}}}\scriptstyle {(a+bt)},

\mu =(\sigma ^{2}+b^{2})(a+bt),\;\;\nu =b[2\sigma ^{2}-(a+bt)^{2}],

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}+(z^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{4}}{\kappa }},\quad \kappa ={\sqrt {\scriptstyle {\mu ^{2}+\nu ^{2}+b^{2}h^{2}(a+bt)^{2}}}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\{\frac {1}{\sigma }}\scriptstyle {[(b\cos t-(a+bt)\sin t]}&{\frac {1}{\sigma }}\scriptstyle {[b\sin t+(a+bt)\cos t]}&{\tfrac {h}{\sigma }}\\-{\tfrac {1}{\kappa }}\scriptstyle {(\mu \cos t+\nu \sin t)}&{\tfrac {1}{\kappa }}\scriptstyle {(\nu \cos t-\mu \sin t)}&-{\tfrac {bh}{\kappa }}\scriptstyle {(a+bt)}\end{vmatrix}}=

=\{{\tfrac {h\sigma }{\kappa }}\scriptstyle {[-2b\cos t+(a+bt)\sin t]},\;\;-{\tfrac {h\sigma }{\kappa }}\scriptstyle {[(a+bt)\cos t+2b\sin t]},\;\;{\tfrac {\sigma }{\kappa }}\scriptstyle {[2b^{2}+(a+bt)^{2}]}\;\},

|\mathbf {b} |=1,

x^{'''}(s)=-{\tfrac {1}{\sigma ^{7}}}(\gamma \cos t-\beta \sin t),

y^{'''}(s)=-{\tfrac {1}{\sigma ^{7}}}(\beta \cos t+\gamma \sin t),

z^{'''}(s)=-{\tfrac {b^{2}h}{\sigma ^{7}}}[\sigma ^{2}-4(a+bt)^{2}],

\beta =\mu \sigma ^{2}+4\nu b(a+bt),\quad \gamma =\nu \sigma ^{2}-4\mu b(a+bt),

T=-{\begin{vmatrix}{\tfrac {1}{\sigma }}\scriptstyle {[b\cos t-(a+bt)\sin t]}&{\tfrac {1}{\sigma }}\scriptstyle {[b\sin t+(a+bt)\cos t]}&{\tfrac {h}{\sigma }}\\-{\tfrac {1}{\kappa }}\scriptstyle {(\mu \cos t+\nu \sin t)}&{\tfrac {1}{\kappa }}\scriptstyle {(\nu \cos t)-\mu \sin t)}&-{\tfrac {bh}{\kappa }}\scriptstyle {(a+bt)}\\-{\tfrac {1}{\kappa \sigma ^{3}}}\scriptstyle {(\gamma \cos t-\beta \sin t)}&-{\tfrac {1}{\kappa \sigma ^{3}}}\scriptstyle {(\beta \cos t+\gamma \sin t)}&-{\tfrac {b^{2}h}{\kappa \sigma ^{3}}}\scriptstyle {[\sigma ^{2}-4(a+bt)^{2}]}\end{vmatrix}}.

Spirala na walcu eliptycznym

Krzywa „nawinięta” na taki walec o półosiach $a,b.$

x(t)=a\cos t,\;y(t)=b\sin t,\;z(t)=ht,

{\dot {x}}(t)=-a\sin t,\;{\dot {y}}(t)=b\cos t,\;{\dot {z}}(t)=h,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+{\dot {z}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,

\sigma (t)={\sqrt {a^{2}\sin ^{2}t+b^{2}\cos ^{2}t+h^{2}}},

x^{'}(s)=-{\tfrac {a}{\sigma }}\sin t,\;y^{'}(s)={\tfrac {b}{\sigma }}\cos t,\;z^{'}(s)={\tfrac {h}{\sigma }},

x^{''}(s)=-{\tfrac {\alpha }{\sigma ^{4}}}\cos t,\;\;\;y^{''}(s)=-{\tfrac {\beta }{\sigma ^{4}}}\sin t,

z^{''}(s)=-{\tfrac {\gamma }{\sigma ^{4}}}\sin t\cos t,

\alpha =a(b^{2}+h^{2}),\;\;\beta =b(a^{2}+h^{2}),\;\;\gamma =h(a^{2}-b^{2}),

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}+(z^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{4}}{\kappa }},

\kappa ={\sqrt {\scriptstyle {\alpha ^{2}\cos ^{2}t+\beta ^{2}\sin ^{2}t+\gamma ^{2}\sin ^{2}t\cos ^{2}t}}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\-{\frac {a}{\sigma }}\scriptstyle {\sin t}&{\tfrac {b}{\sigma }}\scriptstyle {\cos t}&{\tfrac {h}{\sigma }}\\-\scriptstyle {\,{\tfrac {\alpha }{\kappa }}\cos t}&-\scriptstyle {{\tfrac {\beta }{\kappa }}\sin t}&-\scriptstyle {\,{\tfrac {\gamma }{\kappa }}\sin t\cos t}\end{vmatrix}}=

{}\qquad =\left({\tfrac {bh}{\kappa }}\sigma \sin t,\;-{\tfrac {ah}{\kappa }}\sigma \cos t,\;{\tfrac {ab}{\kappa }}\sigma \right),

x^{'''}(s)={\tfrac {\alpha }{\sigma ^{7}}}\left({\tfrac {4\gamma }{h}}\cos ^{2}t+\sigma ^{2}\right)\sin t,

y^{'''}(s)={\tfrac {\beta }{\sigma ^{7}}}\left({\tfrac {4\gamma }{h}}\sin ^{2}t+\sigma ^{2}\right)\cos t,

z^{'''}(s)={\tfrac {\gamma }{\sigma ^{7}}}\left[{\tfrac {4\gamma }{h}}\sin ^{2}t\cos ^{2}t-\sigma ^{2}(\cos ^{2}t-\sin ^{2}t)\right].

Sinusoida „nawinięta” na walec kołowy

x(t)=r\cos t,\;\;y(t)=r\sin t,\;\;z(t)=h\sin nt,

{\dot {x}}(t)=-r\sin t,\;\;{\dot {y}}(t)=r\cos t,\;\;{\dot {z}}(t)=nh\cos nt,

ds(t)={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}+{\dot {z}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,

\sigma (t)={\sqrt {r^{2}\sin ^{2}t+r^{2}\cos ^{2}t+n^{2}h^{2}\cos ^{2}nt}},

x^{'}(s)=-{\tfrac {r}{\sigma }}\sin t,\;\;y^{'}(s)={\frac {r}{\sigma }}\cos t,\;\;z^{'}(s)={\tfrac {nh}{\sigma }}\cos nt,

x^{''}(s)=-{\tfrac {r}{\sigma ^{4}}}(\varphi \sin t+\sigma ^{2}\!\cos t),

y^{''}(s)={\tfrac {r}{\sigma ^{4}}}(\varphi \cos t-\sigma ^{2}\!\sin t),\quad z^{''}(s)={\tfrac {nh}{\sigma ^{4}}}\psi ,

\varphi (nt)=n^{3}h^{2}\!\sin nt\cos nt,\;\;\;\psi (nt)=(n^{3}h^{2}\!\cos ^{2}\!nt-\sigma ^{2})\sin nt,

\rho ={\tfrac {1}{\sqrt {(x^{''})^{2}+(y^{''})^{2}+(z^{''})^{2}}}}={\tfrac {\sigma ^{4}}{\kappa }},

\kappa ={\sqrt {r^{2}(\varphi ^{2}+\sigma ^{4})+n^{2}h^{2}\psi ^{2}}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\-{\frac {r}{\sigma }}\scriptstyle {\sin t}&{\tfrac {r}{\sigma }}\scriptstyle {\cos t}&{\tfrac {nh}{\sigma }}\scriptstyle {\cos nt}\\\scriptstyle {\,-{\tfrac {r}{\kappa }}(\varphi \sin t+\sigma ^{2}\!\cos t)}&\scriptstyle {{\tfrac {r}{\kappa }}(\varphi \cos t-\sigma ^{2}\!\sin t)}&\scriptstyle {\,{\tfrac {nh}{\kappa }}\psi }\end{vmatrix}}.

Cykloida

x(t)=rt-c\sin t,\;\;y(t)=r-c\cos t,\;\;z(t)=0,

{\dot {x}}(t)=r-c\cos t,\;\;{\dot {y}}(t)=c\sin t,

ds={\sqrt {{\dot {x}}^{2}+{\dot {y}}^{2}}}dt=\sigma (t)dt,

\sigma (t)={\sqrt {r^{2}+c^{2}-2rc\cos t}},\;\;{\dot {\sigma }}(t)={\tfrac {rc}{\sigma }}\sin t,

x^{'}(s)={\tfrac {1}{\sigma }}(r-c\cos t),\;\;y^{'}(s)={\tfrac {c}{\sigma }}\sin t,

x^{''}(s)={\tfrac {1}{\sigma ^{4}}}(rc^{2}\cos t+\sigma ^{2}-r^{2}c)\sin t={\tfrac {1}{\sigma ^{4}}}\varphi (t),

y^{''}(s)={\tfrac {1}{\sigma ^{4}}}(\sigma ^{2}\cos t-rc\sin ^{2}t)={\tfrac {1}{\sigma ^{4}}}\psi (t),

\rho ={\tfrac {\sigma ^{4}}{\kappa }},\;\;\kappa ={\sqrt {\varphi ^{2}+\psi ^{2}}},

\mathbf {b} =\mathbf {t} \times \mathbf {n} ={\begin{vmatrix}\mathbf {i} &\mathbf {j} &\mathbf {k} \\{\tfrac {1}{\sigma }}(r-c\cos t)&{\tfrac {c}{\sigma }}\sin t&0\\{\tfrac {1}{\kappa }}\varphi (t)&{\tfrac {1}{\kappa }}\psi (t)&0\end{vmatrix}}=

{}\qquad =\left\{0,\;\;0,\;\;{\tfrac {1}{\kappa \sigma }}[(r-c\cos t)\psi -(c\sin t)\varphi ]\right\}.

Wzory Freneta w $R^{n}$

Wzory Freneta zostały uogólnione dla więcej wymiarowych przestrzeni euklidesowych przez C. Jordana w 1874 roku.

Przypuśćmy, że $\mathbf {r} (s)$ opisuje gładką krzywą w $R^{n},$ sparametryzowaną przez długość łuku $s$ oraz że pierwsze $n$ pochodnych $\mathbf {r} (s)$ jest liniowo niezależnych. Geometrycznie oznacza to, że krzywa $\mathbf {r} (s)$ nie zawiera się w żadnej hiperpłaszczyźnie o wymiarze $n-1$ (ani w żadnej płaszczyźnie o niższych wymiarach). Wektory układu Freneta są bazą ortogonalną skonstruowaną przy pomocy ortogonalizacji Grama-Schmidta wykonanej na wektorach $\mathbf {r} (s),\,\mathbf {r} ^{'}(s),\,\mathbf {r} ^{''}(s),\,...\,\mathbf {r} ^{(n)}(s).$

W szczególności, jednostkowy wektor styczny $\mathbf {r} (s)$ jest pierwszym wektorem układu Freneta $\mathbf {e} _{1}(s)$

\mathbf {e} _{1}(s)=\mathbf {r} '(s).

Wektor normalny ${\overline {\mathbf {e} _{2}}}(s),$ czasami nazywany wektorem krzywizny, wskazuje odchylenie krzywej od stycznej linii prostej. Jest zdefiniowany jako

{\overline {\mathbf {e} _{2}}}(s)=\mathbf {r} ''(s)-{\Big \langle }\mathbf {r} ''(s)\centerdot \mathbf {e} _{1}(s){\Big \rangle }\mathbf {e} _{1}(s).

W standardowej formie, jednostkowy wektor normalny jest drugim wektorem układu Freneta $\mathbf {e} _{2}(s)$ i jest zdefiniowany jako

\mathbf {e} _{2}(s)={\frac {{\overline {\mathbf {e} _{2}}}(s)}{\|{\overline {\mathbf {e} _{2}}}(s)\|}}.

Wektor styczny i normalny w punkcie $s$ definiują płaszczyznę ściśle styczną w punkcie $\mathbf {r} (s).$

Pozostałe wektory układu Freneta (wektor binormalny, trinormalny itd.) są zdefiniowane w sposób analogiczny jako:

\mathbf {e} _{j}(s)={\frac {{\overline {\mathbf {e} _{j}}}(s)}{\|{\overline {\mathbf {e} _{j}}}(s)\|}},\qquad {\overline {\mathbf {e} _{j}}}(s)=\mathbf {r} ^{(j)}(s)-\sum _{i=1}^{j-1}{\Big \langle }\mathbf {r} ^{(j)}(s)\,\centerdot \,\mathbf {e} _{i}(s){\Big \rangle }\,\mathbf {e} _{i}(s).

Funkcje o wartościach rzeczywistych $\chi _{i}(s)$ zdefiniowane jako:

\chi _{i}(s)={\Big \langle }\mathbf {e} _{i}'(s)\centerdot \mathbf {e} _{i+1}(s){\Big \rangle }

są nazywane krzywiznami uogólnionymi, przy czym symbol $\langle \mathbf {a} \centerdot \mathbf {b} \rangle$ oznacza iloczyn skalarny wektorów $\mathbf {a}$ i $\mathbf {b} .$

W przypadku n-wymiarowym wzory Fréneta-Serreta mają postać:

\mathbf {e} _{j}^{'}(s)=\chi _{j}(s)\mathbf {e} _{j+1}-\chi _{j-1}(s)\mathbf {e} _{j-1}

dla

j=1\dots n.

W języku macierzy wyglądają tak:

{\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}'(s)\\\vdots \\\mathbf {e} _{n}'(s)\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}0&\chi _{1}(s)&&0\\-\chi _{1}(s)&\ddots &\ddots &\\&\ddots &0&\chi _{n-1}(s)\\0&&-\chi _{n-1}(s)&0\end{bmatrix}}{\begin{bmatrix}\mathbf {e} _{1}(s)\\\vdots \\\mathbf {e} _{n}(s)\end{bmatrix}}.

Zobacz też

Przypisy

1 2 3 В.И. Смирнов, Курс высшей математики, t. 2, Гос. Издат. технико-теоретичесҝой литературы, Мосҝва-Ленинград 1951.
1 2 F. Leja, Geometria analityczna, PWN, Warszawa 1954.
↑ Trójścian Fréneta, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-30] .

Bibliografia

Krzysztof Maurin: Analiza. Część I. Elementy. Warszawa: PWN, 1991, seria: Biblioteka Matematyczna. Tom 69. ISBN 83-01-09940-2.

Linki zewnętrzne

Eric W.E.W. Weisstein Eric W.E.W., Frenet Formulas, [w:] MathWorld, Wolfram Research (ang.). [dostęp 2026-01-15].

[Smir-1] 1 2 3 В.И. Смирнов, Курс высшей математики, t. 2, Гос. Издат. технико-теоретичесҝой литературы, Мосҝва-Ленинград 1951.

[Leja-2] 1 2 F. Leja, Geometria analityczna, PWN, Warszawa 1954.

[3] Trójścian Fréneta, [w:] Encyklopedia PWN [online], Wydawnictwo Naukowe PWN [dostęp 2021-07-30] .

[1]

[2]

[3]