Hoffmann Miklós
Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ
Ebben a fejezetben a paraméteres görbék két alapvető jellemzőjét definiáljuk és vizsgáljuk. A görbület a görbének az egyenestől való eltérését, a torzió pedig a görbe síktól való eltérését méri, azaz a kettő együtt a görbe térbeli futását jellemzi. E két függvény egyértelmű jellemzését adja a görbéknek.
A görbe jellemezhető aszerint, hogy mennyire görbül, azaz mennyire tér el az egyenestől. Az
egyenes érintői párhuzamosak egymással, így az előbbi tulajdonságot az érintő
irányváltozása, illetve az irányváltozás nagysága jól jellemzi. Legyen az
ívhosszparaméterre vonatkoztatott, kétszeresen folytonosan differenciálható görbe. Legyen a
pontban az érintővektor
, a
pontban
pedig
. Bevezetjük a következő jelöléseket:
és
(lásd 5.1. ábra).
Bizonyítás. Ismert, hogy a szögnek és szinuszának hányadosa a szöget csökkentve 1-hez tart, azaz
, amiből következik, hogy a keresett határértékre
. De a szög szinuszát felírhatjuk az érintő egységvektorok vektoriális szorzata segítségével, hiszen
. Így
Kihasználva, hogy a vektoriális szorzás tagonként elvégezhető, valamint bármely vektor önmagával vett vektoriális szorzata nullvektor, azt kapjuk, hogy
Az általános paraméterezésű görbe görbület képletének bizonyításánál tegyük fel, hogy az
görbét a
paraméter-transzformációval tudjuk átvinni
ívhossz szerinti paraméterezésbe. Ekkor a deriválás szabályai szerint
másrészt
Felhasználva, hogy a
és
vektorok merőlegesek, valamint
,
írható. Másrészt a
paraméter-transzformáció deriváltja
így végül
amiből helyettesítéssel megkapjuk a
képletet.
Rámutatunk egy fontos kapcsolatra az ,
és
között.
Definíció szerint
,
így
vagy másként felírva
. Ez utóbbi alak a Frenet-képletek egyike, melyekről
később lesz szó.
Látható, hogy bármely egyenes görbülete azonosan zérus, és fordítva: ha egy görbe görbülete
azonosan eltűnik, akkor az csak egyenes lehet. Könnyen kiszámítható, hogy az sugarú kör
görbülete
, és igazolható, hogy minden el nem tűnő konstans görbületű síkgörbe
kör. Ahogy azt el is várjuk a görbefogalomtól, egy kör annál jobban görbült, minél kisebb a sugara.
Végül megjegyezzük, hogy a görbületnek előjelet is tulajdoníthatunk, ha a definícióban szereplő
szöget előjelesen mérjük.
Szokás a görbületet a teljes görbén is megmérni, azaz az görbéhez tartozó
görbületfüggvényt a görbe mentén kiintegrálni.
A teljes görbületnek érdekes kapcsolata van a görbe topológiájával. Ehhez vizsgáljuk meg a
síkgörbék Gauss-féle érintőleképezését. Az síkgörbe
érintővektorainak tekintsük az origóból kiinduló reprezentánsait. Ezek végpontjait rendeljük
hozzá a görbe megfelelő pontjához. Mivel az ívhossz szerinti paraméterezés miatt az
érintővektor egységnyi hosszú, az így kapott leképezés az egységnyi sugarú, origó
középpontú körön rendel pontokat a görbéhez. A leképezés folytonos, az így kapott kép
egyértelmű, azonban nem kölcsönösen egyértelmű, hiszen a görbe több pontjában is lehet azonos az
érintővektor, amihez így a leképezés ugyanazt a pontot rendeli.
Zárt síkgörbék esetén ez a Gauss-féle leképezés a kört végigjárja, esetleg többször is. Azt a
számot, ahányszor a leképezés során az egységkört egy adott irányban körüljárjuk, a görbe
körüljárási számának nevezzük. Jelöljük ezt -rel. Ekkor belátható a következő
tétel.
5.4. Tétel. A zárt
síkgörbe teljes görbülete egyenlő a
valamely konstansszorosával, ahol a konstans éppen a görbe körüljárási száma, azaz
Bizonyítás. Értelmezzük a görbét a [0,a] intervallumon, ahol
. Legyen továbbá
az érintőleképezésben az egységkör középponti szöge az
tengelytől mérve (azaz az érintővektor origóból induló reprezentánsának és az
tengelynek a szöge). Így
azaz
koordinátafüggvényei:
. Az érintőt az összetett függvények szabálya szerint deriválva
, amiből
következik. Összevetve ezt a Frenet-képlettel, miszerint
, láthatjuk, hogy
éppen a görbületfüggvény, amiből integrálással kapjuk a következő (integrál, mint felső határ) függvényt
Mivel esetünkben a görbe zárt, azaz a paraméterezésben a kezdő- és végpontja egybeesik, a
függvény a végpontban a
szögnek egész számú többszörösét veszi föl. Ez a szám pedig nem lehet más, mint a körüljárási szám, azaz
és éppen ezt akartuk bizonyítani.
A Gauss-féle érintőleképezés arra is alkalmas, hogy a görbe pontjainak viselkedését tanulmányozzuk. Az algebrai görbék és felületek általában minden pontjukban egyformán viselkednek, néhány pontjukban azonban a környezetükhöz képest megváltozhat a viselkedésük. A ”közönséges” pontokat reguláris pontoknak, a ”különleges” pontokat szinguláris pontoknak nevezzük. Ilyen szinguláris pontok lehetnek a csúcspontok, izolált pontok, kettős és többszörös pontok. A szinguláris pontok megtalálása, illetve kezelése nem könnyű feladat, sokszor csak közelítő módszerekkel lehetséges. Síkgörbék esetén a Gauss-féle leképezés és az érintő görbementi viselkedése nyújthat segítséget, a következők szerint. Ha a görbe érintője és az ennek megfelelő Gauss-féle kép is egy irányban, folytonosan változik, akkor reguláris pontban vagyunk. Ha az érintőkép megfordul, akkor inflexiós pontba értünk. Ha az érintőnek magának az iránya fordul meg, akkor csúcsponthoz értünk, mégpedig a csúcs elsőfajú, ha a Gauss-féle leképezés iránya nem fordul meg a pontban, másodfajú csúcs pedig akkor, ha a Gauss-féle leképezés körüljárási iránya is megfordul. Ezekre láthatunk példákat a 5.2. ábrán.
5.2. ábra. Különböző típusú görbepontok, balról jobbra: reguláris, inflexiós pont, elsőfajú csúcs, másodfajú csúcs
Hasonlóan az előbbi leképezéshez Gauss egy olyan leképezést is bevezetett, melyben a görbe
pontjaihoz az egységkörnek azt a pontját rendelte, melyet a görbe adott pontbeli főnormálisának
origóból induló reprezentánsa jelöl ki (itt tehát az érintő egységvektor helyett a görbére
merőleges egységvektor viselkedését vizsgáljuk). Gyakorlatilag a két leképezés csupán egy
origó körüli -os forgatásban különbözik egymástól, ahogyan az érintő
egységvektor és a főnormális kapcsolata is ugyanez. Hogy mégis bevezetjük ezt a leképezést,
annak az az oka, hogy felületek esetére ez a leképezés általánosítható, hiszen a felületek
pontjában már nincs egyértelmű érintővektor, viszont a normális továbbra is egyértelmű
lesz.
Ezzel a leképezéssel a görbe görbületét is vizsgálhatjuk, mégpedig a következő módon. Mivel a görbület az érintő egységvektor szögelfordulását méri egységnyi úton, ugyanezt a főnormális szögelfordulásával is mérhetjük. Belátható, hogy adott pont körüli kis íven vizsgálva a görbét, a görbeívnek és a Gauss-féle leképezésben a neki megfelelő körívnek a hányadosával (illetve ennek határértékével) szintén mérhető a görbület.
5.5. Tétel. Legyen az
görbe
pontja és a
pontja közötti ív olyan, hogy Gauss-féle leképezés a körön ehhez egy egyszerű ívet határoz meg. Az két pont közötti görbeív ívhossza tehát
, míg a hozzá rendelt körív hossza legyen
. Ekkor
Bizonyítás. Az egységkörön keletkezett ív hosszát, mint bármely görbe ívhosszát kiszámolhatjuk úgy, hogy az őt létrehozó
vektor deriváltjának hosszát integráljuk a két paraméterérték között, azaz
Így a kérdéses határértékre a Frenet-képlet felhasználásával azt kapjuk, hogy