Длина дуги кривой

разделов
от теории до практики
примеров
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
Содержание
  1. Понятие длины кривой.
    Начать изучение
  2. Производная переменной длины дуги.
    Начать изучение
  3. Натуральное уравнение гладкой кривой.
    Начать изучение

Понятие длины кривой.

Пусть кривая \(\Gamma\) задана уравнением кривой в векторной форме, и пусть на отрезке \([\alpha,\beta]\) выбраны точки \(t_{k} \ (k=\overline{0,n})\) такие, что
$$
\alpha=t_0 < t_{1} < \ldots t_{n-1} < t_{n}=\beta.\nonumber
$$
Набор точек \(t_{k}\) будем называть разбиением отрезка \([\alpha,\beta]\) и обозначать \(T=\{t_{k}, \ k=\overline{0,n}\}\), а соответствующий набор точек \(M_{k}=M(t_{k})\), где \(\overrightarrow{OM}_k=\textbf{r}(t_{k})\), будем называть разбиением кривой \(\Gamma\) (рис. 22.3).

Рис. 22.3
Рис. 22.3

Соединив последовательно точки \(M_{0}, \ M_{1}, \ \ldots, \ M_{n}\) отрезками \(M_{0}M_{1}, \ M_{1}M_2, \ \ldots, \ M_{n-1}M_{n}\), получим ломаную \(\mathcal{P}_{n}\), которую будем называть вписанной в кривую \(\Gamma\); отрезки \(M_{k-1}M_{k} \ (k=\overline{1,n})\) назовем звеньями ломаной \(\mathcal{P}_{n}\), а точки \(M_{k} \ (k=\overline{0,n}\) — вершинами ломаной \(\mathcal{P}_{n}\).

Так как длина \(k\)-го звена ломаной \(\mathcal{P}_{n}\), то есть длина отрезка \(M_{k-1}M_{k}\), равна \(|\textbf{r}(t_{k})-\textbf{r}(t_{k-1})|\), то длина \(\sigma_{n}\) ломаной \(\mathcal{P}_{n}\) равна
$$
\sigma_n=\sum_{k=1}^{n}|\textbf{r}(t_k)-\textbf{r}(t_{k-1})|.\label{ref11}
$$
Если существует точная верхняя грань множества длин ломаных, вписанных в кривую \(\Gamma\), то эта грань называется длиной кривой \(\Gamma\). Кривая, имеющая длину, называется спрямляемой.

Утверждение 2.

Если спрямляемая кривая \(\Gamma\) точкой \(M’\) разбита на кривые \(\Gamma_{1}\) и \(\Gamma_{2}\), то есть \(\Gamma=\Gamma_{1}\Gamma_{2}\), то кривые \(\Gamma_{1}\) и \(\Gamma_{2}\) спрямляемы, причем
$$
S=S_{1}+S_{2},\label{ref12}
$$
где \(S, \ S_1, \ S_2\) — длины кривых \(\Gamma, \ \Gamma_1, \ \Gamma_2\) соответственно.

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(P’\) и \(P″\) — произвольные ломаные, вписанные соответственно в \(\Gamma_{1}\) и \(\Gamma_{2}\), тогда \(P=P’P″\) — ломаная, вписанная в \(\Gamma\), причем
$$
\sigma=\sigma’+\sigma″,\label{ref13}
$$
где \(\sigma,\sigma’,\sigma″\) — длины ломаных \(P, \ P’, \ P″\) соответственно. Так как \(\Gamma\) — спрямляемая кривая, то \(\sigma\leq S\), и поэтому
$$
\sigma’\leq S,\qquad \sigma″\leq S.\nonumber
$$
По теореме о точной верхней грани существуют \(\operatorname{sup}\sigma’, \ \operatorname{sup}\sigma″\), то есть \(\Gamma_{1}\) и \(\Gamma_{2}\) — спрямляемые кривые. Из равенства \eqref{ref13} следует, что \(\sigma’+\sigma″\leq S\), и поэтому \(\operatorname{sup}(\sigma’+\sigma″)=\operatorname{sup}\sigma’+\operatorname{sup}\sigma″\leq S\), то есть
$$
S_{1}+S_{2}\leq S.\label{ref14}
$$
Докажем, что в \eqref{ref14} вместо знака неравенства можно поставить знак равенства. Предположим противное, то есть допустим, что \(S_1+S_2 < S\). Обозначим \(\varepsilon_{0}=S-(S_1+S_2)\), тогда \(\varepsilon_0 > 0\). По определению точной верхней грани для заданного числа \(\varepsilon > 0\) можно указать такую ломаную \(P_{n}\), вписанную в кривую \(\Gamma\), что \(S \ <\sigma_n+\varepsilon_0\).

Пусть кривая \(\Gamma\) задана уравнением кривой в векторной форме. Будем считать, что вершины \(M_{k} \ (k=\overline{0,n})\) ломаной \(P_{n}\) соответствуют разбиению \(T\) отрезка \([\alpha,\beta]\), указанному выше, а общая точка \(M’\) кривых \(\Gamma_{1}\) и \(\Gamma_{2}\) соответствует значению параметра \(t’\in[t_{k-1},t_{k}]\), где \(k\) — одно из чисел 1,2,…,n.

Рассмотрим ломаную \(\widetilde{P}\), полученную из ломаной \(P_{n}\) заменой звена \(M_{k-1}M_k\) двумя звеньями \(M_{k-1}M’\) и \(M’M_{k}\) (остальные звенья этих ломаных совпадают). Так как длина отрезка \(M_{k-1}M_{k}\) не превосходит суммы длин отрезков \(M_{k-1}M’\) и \(M’M_{k}\), то \(\sigma_n\leq\widetilde{\sigma}\), где \(\sigma\) — длина ломаной \(\widetilde{P}\), а \(\sigma_n\) — длина ломаной \(P_n\). Заметим, что ломаная \(\widetilde{P}\) составлена из ломаных \(\widetilde{P}’\) и \(\widetilde{P}″\), вписанных соответственно в кривые \(\Gamma_{1}\) и \(\Gamma_{2}\). Поэтому
$$
\widetilde{\sigma}=\widetilde{\sigma}’+\widetilde{\sigma}″\nonumber
$$
где \(\widetilde{\sigma}’\) и \(\widetilde{\sigma}″\) — длины ломаных \(\widetilde{P}’\) и \(\widetilde{P}″\).Так как \(\widetilde{\sigma}’\leq S_{1}, \ \widetilde{\sigma}″\leq S_{2}\), то \(\widetilde{\sigma}\leq S_{1}+S_{2}\). Следовательно,
$$
\sigma_{n}\leq\widetilde{\sigma}\leq S_{1}+S_{2},\nonumber
$$
и поэтому
$$
S \ <\sigma_n+\varepsilon_0\leq S_{1}+S_{2}+\varepsilon_0,\nonumber
$$
откуда \(\varepsilon_{0}=S-(S_{1}+S_{2}) < \varepsilon_{0}\), то есть \(\varepsilon_{0} < \varepsilon_{0}\), что невозможно. Равенство \eqref{ref12} доказано. \(\bullet\)

Теорема 1.

Если кривая \(\Gamma\), заданная уравнением кривой в векторной форме, непрерывно дифференцируема, то она спрямляемая, а для ее длины \(S\) справедливо неравенство
$$
S\leq (\beta-\alpha)\underset{\alpha\leq t\leq\beta}{\operatorname{max}}|r'(t)|.\label{ref15}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(T=\{t_{k},\ k=\overline{0,n}\}\) — разбиение отрезка \([\alpha,\beta]\). По теореме Лагранжа для вектор-функции получаем
$$
|\textbf{r}(t_k)-\textbf{r}(t_{k-1})|\leq|\textbf{r}'(\tau_{k})|(t_{k}-t_{k-1}),\qquad \tau\in(t_{k-1},t_{k}).\label{ref16}
$$
Из непрерывности вектор-функции \(\textbf{r}'(t)\) на отрезке \([\alpha,\beta]\) следует непрерывность и ограниченность функции \(|\textbf{r}'(t)|\), и поэтому
$$
\exists \ C > 0:\quad\forall t\in [\alpha,\beta]\rightarrow |\textbf{r}'(t)|\leq C.\nonumber
$$
В качестве \(C\) можно в силу теоремы Вейерштрасса взять число
$$
C=\max_{\alpha\leq t\leq\beta}|\textbf{r}'(t)|.\label{ref17}
$$
Так как \(|r'(\tau_k)|\leq C\), то из \eqref{ref11} и \eqref{ref16} следует, что
$$
\sigma_{n} \leq\sum_{k=1}^{n}C(t_{k}-t_{k-1})=C(\beta-\alpha),\nonumber
$$
где число \(C\) определяется формулой \eqref{ref17}. Итак, множество длин ломаных, вписанных в \(\Gamma\), ограничено сверху, откуда по теореме о точной верхней грани следует, что \(\Gamma\) — спрямляемая кривая, и выполняется неравенство \eqref{ref15}. \(\bullet\)


Производная переменной длины дуги.

Теорема 2.

Пусть кривая \(\Gamma=\{\textbf{r}=\textbf{r}(t), \ \alpha\leq t\leq\beta\}\) непрерывно дифференцируема, и пусть \(s(t)\) — длина той части кривой \(\Gamma\), которая соответствует изменению параметра от \(\alpha\) до \(t\).

Тогда для любого \(t_{0}\in[\alpha,\beta]\) существует \(s'(t_{0})\), причем
$$
s'(t_{0})=|\textbf{r}'(t_{0})|.\label{ref18}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(t_0+\Delta t\in[\alpha,\beta]\), \(M_0\) и \(M\) — точки кривой \(\Gamma\), соответствующие значениям \(t_{0}\) и \(t_{0}+\Delta t\) параметра кривой (рис. 22.4).

Рис. 22.4
Рис. 22.4

Тогда длина дуги \(M_{0}M\) равна \(|\Delta s|\), где
$$
\Delta s=s(t_0+\Delta t)-s(t_0),\nonumber
$$
а длина хорды \(M_{0}M\) равна \(|\Delta \textbf{r}|\), и поэтому получаем неравенство
$$
|\Delta r|\leq|\Delta s|.\label{ref19}
$$

По теореме 1 получаем
$$
|\Delta s|\leq\max_{t\in P}|\textbf{r}'(t)||\Delta t|,\label{ref20}
$$
где \(P\) — отрезок с концами \(t_{0}\) и \(t_{0}+\Delta t\).

Из неравенств \eqref{ref19} и \eqref{ref20} следует, что
$$
|\Delta \textbf{r}|\leq|\Delta s|\leq\max_{t\in P}|\textbf{r}'(t)||\Delta t|,\nonumber
$$
откуда при \(\Delta t\neq 0\) получаем
$$
\vert \frac{\Delta \textbf{r}}{\Delta t}\vert\leq\vert\frac{\Delta s}{\Delta t}\vert\leq\max_{t\in P}|\textbf{r}'(t)|.\label{ref21}
$$

Заметим, что если \(\Delta t > 0\), то \(\Delta s\geq 0\), а если \(\Delta t < 0\), то \(\Delta s\leq 0\), так как \(s(t)\) — возрастающая функция. Поэтому \(\displaystyle \frac{\Delta s}{\Delta t}\geq 0\) и \(\displaystyle\left|\frac{\Delta s}{\Delta t}\right|=\frac{\Delta s}{\Delta t}\).

Следовательно, неравенство \eqref{ref21} можно записать в виде
$$
\left|\displaystyle \frac{\Delta \textbf{r}}{\Delta t}\right|\leq\frac{\Delta s}{\Delta t}\leq\max_{t\in P}|\textbf{r}'(t)|.\label{ref22}
$$

Функция \(\textbf{r}'(t)\) непрерывна на отрезке \([\alpha,\beta]\), и поэтому функция \(|r'(t)|\) также непрерывна на этом отрезке. Согласно теореме Вейерштрасса существует точка \(\xi\in P\) такая, что \(\displaystyle \max_{t\in P}|\textbf{r}'(t)|=|\textbf{r}'(\xi)|\).

Пусть \(\Delta t\rightarrow 0\), тогда \(|\textbf{r}'(\xi)|\rightarrow |\textbf{r}'(t_0)|\) в силу непрерывности функции \(|r'(t)|\) при \(t=t_{0}\). Поэтому правая часть неравенства \eqref{ref22} имеет при \(\Delta t\rightarrow 0\) предел, равный \(|r'(t_{0})|\).

Кроме того, по определению производной вектор-функции существует \(\displaystyle \lim_{\Delta t\rightarrow 0}\frac{\Delta \textbf{r}}{\Delta t}=\textbf{r}'(t_0)\).

По свойствам пределов из \eqref{ref22} следует, что существует \(\displaystyle \lim_{\Delta t\rightarrow 0}\frac{\Delta s}{\Delta t}=|\textbf{r}'(t_0)|\), то есть справедливо равенство \eqref{ref18}. Таким образом, доказано, что переменная длина дуги непрерывно дифференцируемой кривой \(\Gamma\), то есть функция \(s(t)\), дифференцируема на отрезке \([\alpha,\beta]\) и выполняется равенство
$$
\frac{ds}{dt}=|\textbf{r}'(t)|,\label{ref23}
$$
причем функция \(s'(t)\) непрерывна на отрезке \([\alpha,\beta]\). \(\bullet\)


Натуральное уравнение гладкой кривой.

Пусть кривая \(\Gamma\), заданная уравнением в векторной форме, является гладкой. Тогда функция \(\textbf{r}'(t)\) непрерывна на отрезке \([\alpha,\beta]\), \(\textbf{r}'(t)\neq 0\) и поэтому \(|r'(t)| > 0\). Из равенства \eqref{ref23} следует, что \(\displaystyle \frac{ds}{dt} > 0\) для всех \(t\in[\alpha,\beta]\). Поэтому непрерывно дифференцируемая функция \(s=s(t)\) является строго возрастающей. По теореме об обратной функции на отрезке \([0,S]\), где \(S\) — длина кривой \(\Gamma\), определена функция \(t=t(s)\), причем \(t(s)\) — непрерывно дифференцируемая строго возрастающая функция и
$$
t'(s)=\frac{1}{s'(t)} > 0.\nonumber
$$
Таким образом, функция \(t=t(s)\) является допустимым преобразованием параметра (замечания здесь и здесь), и уравнение кривой \(\Gamma\) можно записать в виде
$$
\textbf{r}=\textbf{r}(t(s)),\qquad 0\leq s\leq S.\nonumber
$$
Если параметром кривой \(\Gamma\) является переменная длина ее дуги \(s\), то \(s\) называют натуральным параметром, а уравнение кривой \(\Gamma\)
$$
\textbf{r}=\textbf{r}(s),\qquad 0\leq s\leq S,\label{ref24}
$$
записанное через параметр \(s\), называют натуральным уравнением.

Пример 1.

Записать натуральное уравнение винтовой линии
$$
x=a\cos t,\quad y=a\sin t,\quad z=bt,\quad 0\leq t\leq T,\nonumber
$$
где \(a > 0, \ b > 0\).

Решение.

\(\triangle\) Кривая \(\Gamma\) является гладкой, так как вектор-функция \(\textbf{r}(t)=(a\cos t, \ a\sin t, \ bt)\) непрерывно дифференцируема и
$$
|\textbf{r}'(t)|=\sqrt{(-a\sin t)^{2}+(a\cos t)^{2}+b^{2}}=\sqrt{a^{2}+b^{2}} > 0.\nonumber
$$
По формуле \eqref{ref23} находим
$$
\frac{ds}{dt}=\sqrt{a^{2}+b^{2}},\nonumber
$$
откуда заключаем (следствие 2 из теоремы Лагранжа), что
$$
s=t\sqrt{a^{2}+b^{2}}+B,\nonumber
$$
где \(B=0\), так как \(s(0)=0\). Следовательно, \(t=\displaystyle \frac{s}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}}\), и поэтому искомое представление кривой \(\Gamma\) имеет вид
$$
x=a\cos \frac{s}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}},\quad y=a\sin \frac{s}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}},\quad z=\frac{bs}{\sqrt{a^{2}+b^{2}}},\quad 0\leq s\leq T\sqrt{a^{2}+b^{2}},\nonumber
$$
так как длина \(S\) кривой \(\Gamma\) равна \(s(T)=T\sqrt{a^{2}+b^{2}}\). \(\blacktriangle\)

Утверждение 3.

Если параметром гладкой кривой \(\Gamma\) является переменная длина ее дуги \(s\), то
$$
\left|\frac{d\textbf{r}}{ds}\right|=1.\label{ref25}
$$

Доказательство.

\(\circ\) В самом деле, из формулы \eqref{ref23} при \(t=s\) следует равенство \eqref{ref25}. \(\bullet\)

Оставить комментарий