Transcript Document
Diferenciální geometrie křivek Způsoby zadání rovinné křivky, polární souřadnice Parametrické rovnice X t x t , y t Imlicitní rovnice F x, y 0 Explicitní rovnice Kartézské souřadnice y f x Polární souřadnice x r cos f y y r sin f , r 0 y M r M f x x 2 Křivka třídy Cn Množinu kE3 nazýváme křivkou třídy Cn jestliže souřadnice bodů křivky lze vyjádřit zobrazením IR3, t X(t) s vlastnostmi X(t) je spojitá na intervalu I X(t) je prostá X(t) má na intervalu I spojité derivace do n-tého řádu Vektor derivace X´(t) není nulový. Rovinná křivka X t x t ; y t Prostorová křivka X t x t ; y t ; z t 3 Cykloida Parametrizace prosté cykloidy úhlem otočení X (t ) rt r sin t; r r cost 4 Transformace parametru Nechť je funkcí X(t) dána křivka k třídy Cn, tI. Na intervalu J nechť je definována funkce t = f(u) s následujícími vlastnostmi 1. f(u) je prostá na J 2. f(u) zobrazuje J na I 3. f(u) má spojité derivace až do n-tého řádu, pak vektorová funkce Y(u)=X(f(u)) vyjadřuje tutéž křivku jako funkce X(t). 5 6 Tečna křivky Tečna křivky X(t) v regulárním bodě X(t0): lim h 0 X t0 h X t0 X t0 h t X(t0) X(t0+h) X´(t0) X(t) X(t0) X(t) T (r) X t0 r X t0 , r R Př: Tečna grafu funkce y=f(x)v bodě f(x0): y f ( x) X (t ) [t , f (t )] X (t0 ) t0 , f (t0 ) X (t ) [1, f (t )] X (t0 ) 1, f (t0 ) x t0 r y f (t0 ) r f (t0 ) 7 Tečna křivky Tečna křivky X(t) v regulárním bodě X(t0): T (r) X t0 r X t0 , r R Pojem tečny je nezávislý na parametrizaci. K (t ) [cos(t ),sin(t )]; směrový vektor tečny v bodě K(0): L(u ) [cos(2u ),sin(2u )]; směrový vektor tečny v bodě L(0): dK [ sin(t ), cos(t )], dt dK (t 0) [0,1] dt dL [ 2sin(2u), 2 cos(2u)], du dL (u 0) [0, 2] du 8 Šroubovice 9 Šroubovice Šroubový pohyb vzniká složením rotace kolem osy o a posunutí ve směru osy o. Šroubovice je dána poloměrem r, parametrem v0 a osou šroubového pohybu o = z . X ( ) r cos; r sin ; v0 10 Tečna šroubovice Šroubovice: tečný vektor: půdorys tečného vektoru: Spád šroubovice: X r cos , r sin , v0 t r sin , r cos , v0 t1 r sin , r cos ,0 tan v0 v 0 t1 r Šroubovice je křivka konstantního spádu 11 Frenetův doprovodný trojhran Tečná rovina křivky – každá rovina, která obsahuje tečnu křivky Normálová rovina křivky – rovina kolmá na tečnu křivky Oskulační rovina křivky – tečná rovina, určená vektory první a druhé derivace. X t0 r X t0 s X t0 ; r, s R Normála křivky – každá přímka, která je kolmá na tečnu křivky a prochází daným bodem. Hlavní normála – průsečnice oskulační a normálové roviny. Frenetův doprovodný trojhran je tvořen jednotkovými směrovými vektory přímek t, n, b • t – tečna b t k T n • n – hlavní normála • b – binormála • = (t,n) – oskulační rovina • = (b,n) – normálová rovina 12 Oskulační rovina šroubovice a plocha tečen šroubovice 13 Výpočet Frenetova trojhranu Jednotkový vektor tečny Jednotkový vektor binormály Jednotkový vektor hlavní normály X t X X X b X X n t b b T n k t X 14 Inflexní bod Bod X(t0) křivky X(t) se nazývá inflexní bod křivky, jestliže jsou vektory první a druhé derivace lineárně závislé. X t0 X t0 V inflexním bodě není určen Frenetův doprovodný trojhran. 15 Délka oblouku křivky X(t) mezi body X(ta) a X(tb) X(t2) X(t1) X(t3) Délka lomené čáry n 1 l X ti 1 X ti X(t) i 0 b=X(tn) X(t0) tb tb ta ta l X t dt X t X t dt 16 Parametrizace délkou oblouku t Funkci l t X u du nazýváme obloukem křivky. t0 Říkáme, že křivka je parametrizovaná obloukem, když její parametr měří délku křivky. X(t)=X(t(l)), kde t = t(l) je funkce inverzní k oblouku křivky l(t). xt X(3) 4 t2 y ,t R 2 X(2) 2 X(1) -1 0 1 2 3 17 Křivost křivky Křivost křivky je mírou vychýlení křivky od tečny. k X s lim s 0 s 18 Geometrický význam křivosti Bod křivky je inflexní právě tehdy, je-li v něm první křivost nulová. Je-li bod V vrchol křivky, pak v něm má funkce první křivosti extrém. 19 Křivka parametrizovaná délkou oblouku Křivka X(l) je parametrizovaná obloukem právě tehdy, když je v každém bodě vektor X´(l) jednotkový. Je-li křivka parametrizovaná obloukem, pak je vektor X(l) směrový vektor hlavní normály. Velikost vektoru X(l) je křivost k křivky. Jestliže je křivka X(l) parametrizovaná obloukem, pak pro jednotkové vektory Frenetova doprovodného trojhranu platí: t X l X l n X l k X l b nt b t T n k 20 Výpočet křivosti křivky 1. Je-li křivka X(l) parametrizovaná obloukem k X l 2. Je-li křivka X(t) dána obecným parametrem k 3. Je-li křivka dána jako graf funkce y = f(x) k y x x2 k x X X X X 3 y 1 y 2 3 Př: Vypočítejte funkci křivosti paraboly y = x2 2 1 4 x 2 3 y x2 y 2 x y 2 k 2 1 4 x2 3 21 Parametrizace šroubovice délkou křivky t r sin , r cos , v0 x r cos y r sin t r 2 v02 z v0 ; R l t 0 d r 2 v02 d r 2 v02 0 r 2 v02 l x r cos r 2 v02 l y r sin z v0 l r 2 v02 l r v 2 2 0 ;s R 22 Křivost a hlavní normála šroubovice X (l ) r cos X (l ) ; r sin r 2 v02 l sin r 2 v02 r r X (l ) cos 2 2 r v 0 k X (l ) r r 2 v02 ; r 2 v02 ; 2 2 r v0 l l r 2 v02 v0l cos r 2 v02 ; 2 2 r v0 r r ; 2 sin 2 2 r v2 r v0 0 l l 2 2 r v0 v0 ; 0 2 2 r v0 l Šroubovice je křivka konstantní křivosti. t X (l ); t 1 X (l ) l n cos r 2 v2 k 0 l ; sin r 2 v2 0 ; 0 23 Frenetův doprovodný trojhran šroubovice tečna hlavní normála binormála 24 Ekvidistanta křivky k Definice konstrukcí: V regulární bodě rovinné křivky k sestrojíme normálu n a na ni naneseme úsečku, jejíž velikost je rovna distanci d. Ek(t ) X (t ) d n(t ) n(t ) Ekvidistanta křivky k je obálka systému kružnic se středem na křivce k a s poloměrem rovným distanci r=d 25 Evoluta křivky Obálka normál dané křivky Množina středů oskulačních kružnic Evoluta je množina singulárních bodů ekvidistantních křivek n (l ) k (l ) X (l ) E (l ) X (l ) 2 X (l ) E (l ) X (l ) 26 Oskulační kružnice křivky V bodě T=X(t0) sestrojme hlavní normálu křivky. Na hlavní normále sestrojme bod S, ST =1/k. Kružnici se středem S a poloměrem r =1/k ležící v oskulační rovině křivky nazýváme oskulační kružnice křivky v bodě T. Oskulační kružnice a daná křivka mají v bodě T stejnou tečnu a křivost. Př: Určete oskulační kružnici paraboly 2py = x2 ve vrcholu V[0,0]. x 2p x y p 1 y p y r =1/k – poloměr křivosti S – střed křivosti 2 k 1 x 2 p 1 p 1 k (0) p r (0) p, 3 S 0, p 27 Oskulační kružnice elipsy 28 Oskulační kružnice Archimedovy spirály 29 Oskulační kružnice prosté cykloidy 30 Dotyk křivek O dvou křivkách řekneme, že mají v bodě P0 dotyk n-tého řádu (n+1 bodový), jestliže parametrizace obloukem X(l), Y(s) existují hodnoty parametru s0, l0, pro které platí: Dotyk nultého řádu X l0 Y s0 P0 dX dY l0 s0 dl ds d2X d 2Y l 2 s0 2 0 dl ds K dnX l0 dl n d n 1 X% l n 1 0 dl d nY s0 ds n d n 1Y s n 1 0 ds Dotyk 1.řádu k t n k Dotyk 2. řádu O 31 Dotyk rovinných křivek zadaných explicitně Jsou-li křivky v rovině dány funkcemi y = f(x), y = g(x) a platí-li f x0 g x 0 f x0 g x0 f x0 g x0 L f f x g x x g x n n 0 n 1 0 n 1 0 0 pak tyto křivky mají v bodě x0 dotyk n-tého řádu. Křivka y = f(x) a její Taylorův polynom n-tého stupně mají v bodě x0 dotyk alespoň n-tého řádu. n f x0 f x0 f x0 2 n T x f x0 x x0 x x0 K x x0 1! 2! n! 32 Taylorův rozvoj funkce y=sin(x) 33 Taylorův rozvoj kružnice k := [ cos( t ), sin( t ) ] 1 2 1 4 1 6 1 3 1 5 1 7 taylor_k := 1 t t t , t t t t 2 24 720 6 120 5040 34 Přechodnice křivky, používané v silniční i železniční dopravě pro napojení přímého úseku a kružnicového oblouku. an Spojitý průběh křivosti. an s s Kubická parabola – užívala se v ČR v železniční dopravě. Bernoulliova lemniskáta – používala se pro zatáčku menších poloměrů, na železnicích, vodních cestách i tramvajových kolejích. 2 ( x y ) a ( x y )0 2 2 2 2 2 35 Klotoida Křivost je přímo úměrná délce oblouku k(l) = a.l X l cos l ,sin l X l l sin l , l cos l a l k X l l a l2 l 2 l l at 2 x l cos dt 2 0 l at 2 y l sin dt 2 0 36 Klotoida 37 Klotoida a kubická parabola Sestrojíme v bodě X(0) = [0,0] Taylorův rozvoj klotoidy stupně 3. X t0 X t0 2 T t X t0 t t0 t t0 1! 2! l l at 2 at 2 X l cos dt ; sin dt 2 2 0 0 2 2 al al X l cos ; sin 2 2 X n t0 n! t t0 n X 0 0, 0 X 0 1, 0 al 2 al 2 X l al sin ; al cos X 0 0, 0 2 2 al 2 al 2 al 2 al 2 2 2 2 2 X l a sin a l cos ; a cos a l sin ; X 0 0, a 2 2 2 2 T t [0, 0] 0, a t 0 3 [1, 0] [0, 0] 2 t 0 t 0 1! 2! 3! at 3 T t t , 3! 38 Blossova přechodnice Délka přechodnice je stejná jako délka vzestupnice – L. Křivost zatáčky k(L) je převrácená hodnota poloměru zatáčky r. Křivost k(l) je kubickou funkcí délky oblouku l. Křivost je přímo úměrná hodnotě převýšení p(l) vzestupnice. Celkové převýšení vzestupnice - pn p(l ) al 3 bl 2 cl d p(0) 0 d 0 p(0) 0 c 0 p( L) pn pn pn a 2 , b 3 p( L) 0 L3 L2 l p(l ) p n 3 Lv l 2 Lv 2 3 39 Blossova přechodnice 3 l 2 l p(l ) pn 3 2 L L Převýšení je přímo úměrné křivosti 1 2 3 l 1 1 l r (l ) 3 2 1 r l r L L pn konst k ( L) konst r p(l ) konst k (l ) konst Blossova přechodnice X(l) bude parametrizovaná obloukem l,tj. X l 1 X l cos l ,sin l X l l sin l , l cos l Kde (l) je orientovaný úhel, který svírá tečna Blossovy přechodnice s rovným úsekem. 40 Blossova přechodnice Funkci (l) určíme ze vzorce pro křivost křivky parametrizované obloukem. 1 k l X l l r l l3 l4 2 3 l 2 r L 2 r L3 l 1 1 l 3 2 r l r L L Dosazením (l) do rovnic pro směrový vektor tečny. X l cos l ,sin l l3 l3 l4 l4 X l cos ,sin 2 3 2 r L 2 r L r L 2 r L3 l t3 t4 X l cos 2 r L 2 r L3 0 l t3 t4 dt , sin 2 r L 2 r L3 0 dt 41 Blossova přechodnice Parametrické rovnice - Blossova přechodnice je parametrizovaná délkou l. l t3 t4 X l cos 2 r L 2 r L3 0 l t3 t4 dt , sin 2 r L 2 r L3 0 dt Pro odchylku tečny v bodě napojení na zatáčku (L) platí l3 l4 l r L2 2 r L3 L L 2r 42 Aproximace Blossovy přechodnice polynomem l t3 t4 X l cos 2 3 r L 2 r L 0 l t3 t4 dt , sin 2 r L 2 r L3 0 dt Sestrojíme Taylorův rozvoj v bodě l=0. 1 l 6 l7 l 8 1 l12 2l13 3l14 l15 l16 x l 1 2 4 2 5 2 6 4 8 4 9 4 10 4 11 dl 4 12 2! r L r L 4 r L 4! r L r L 2 r L 2 r L 16 r L l3 l4 1 l9 3 l10 3 l11 l12 y l 2 3 6 3 7 3 8 3 9 dl 3 rL 2 rL 3! r L 2 r L 4 r L 8r L Po integraci l7 l8 l9 l13 l14 l15 l16 l17 xl 14r 2 L4 16r 2 L5 72r 2 L6 312r 4 L8 168r 4 L9 240r 4 L10 768r 4 L11 6528r 4 L12 l4 l5 l10 l11 l12 l13 y 2 3 3 6 3 7 3 8 4rL 10rL 60r L 44r L 96r L 624r 3 L9 43 Základní vytyčovací parametry l7 l8 l9 l13 l14 l15 l16 l17 xl 14r 2 L4 16r 2 L5 72r 2 L6 312r 4 L8 168r 4 L9 240r 4 L10 768r 4 L11 6528r 4 L12 l4 l5 l10 l11 l12 l13 y 4rL2 10rL3 60r 3 L6 44r 3 L7 96r 3 L8 624r 3 L9 Pro koncový bod přechodnice l=L. L3 L3 X L L 14r 2 16r 2 L2 L2 Y L 4r 10r Souřadnice středu kružnicového oblouku S X L r sin L , Y L r cos L Odchylka tečny přechodnice od přímého úseku l3 l4 l r L2 2 r L3 L L 2r 44