43. Material de prueba: Curvatura sin longitud de arco

Por Mariana Perez

Fórmulas para curvatura y torsión cuando la curva no está parametrizada por longitud de arco.

(*) Expresar la curvatura y la torsión como determinantes.

(*) Usar la regla de la cadena para derivar composiciones.

CASO n=2 curva plana

Dada α(t)=(x(t),y(t)) y t=h(s) con s= longitud de arco; entonces γ(s)=α(h(s))=(u(s),v(s)) γ(s)=(u(s),v(s))

Curvatura de γ en el punto s es el número K para el cual se cumple la ecuación γ(s)=K(v(s),u(s))

Así definida K(s) puede ser K(s)>0, K(s)<0 o incluso K(s)=0.

Se sigue cumpliendo que |K|=γ(s)

Si γ(s) está dada por longitud de arco, entonces γ(s)=1γ(s),γ(s)=1

Derivando γ(s),γ(s)+γ(s),γ(s)0γ(s),γ(s)0

γ(s) es ortogonal a γ(s)

Luego, γ(s) está en la recta ortogonal a γ(s).

¿Cuál es el signo de K(s)?

Observemos el producto punto de γ(s) con (v(s),u(s)).

Signo de K(s)= signo |uuvv|

Por lo que el signo de K(s) está dado por el signo del determinante de (γ|γ).

Luego

u=Kvv=Ku

Por lo que

|uuvv|=|uKvvKu|=uuKvvK=K((u)2(v)2)=K$

Entonces |γ|=|(u,v)|=1

1° paso: La curvatura se puede ver como

K(s)=|u(s)u(s)v(s)v(s)|

2° paso: Ahora consideremos la relación con cambio de variable.

u(s)=x(h(s))=x(t)

Derivando

u(s)=duds=dxdtdtds=x˙(t)dtds

u(s)=dds(dxdtdtds)

u(s)=(ddsdxdtdtds+dxdt(ddsdtds)

u(s)=d2xdt2dtdsdtds+dxdtd2tds2u(s)

u(s)=x¨(t)(dtds)2+x˙(t)d2tds2

Entonces la curvatura está dada por:

K(s)=|u(s)u(s)v(s)v(s)|

K(s)=|dudsd2uds2dvdsd2vds2|

K(s)=|dxdtdtdsd2xdt2(dtds)2+dxdtd2tds2dydtdtdsd2ydt2(dtds)2+dydtd2tds2|

K(s)=|dxdtdtdsd2xdt2(dtds)2dydtdtdsd2ydt2(dtds)2|+|dxdtdtdsdxdtd2tds2dydtdtdsdydtd2tds2|

K(s)=(dtds)3|dxdtd2xdt2dydtd2ydt2|+(dtds)d2tds2|dxdtdxdtdydtdydt|

K(s)=(dtds)3|dxdtd2xdt2dydtd2ydt2|

Pero s=α(t)dt entonces dsdt=α(t)=(dxdt)2+(dydt)2

Por lo tanto

K(s)=|dxdtd2xdt2dydtd2ydt2|((dxdt)2+(dydt)2)32

Luego, cuando n=2 K(t)=x˙y¨y˙x¨((x˙)2+(y˙)2)32

CASO n=3

1° paso: Expresar la curvatura y la torsión en términos de determinantes.

T(s)=γ(s) N(s)=γ(s)γ(s)

Luego γ(s)=K(s)N(s)

y B(s)=T(s)×N(s)

entonces γ(s)×γ(s)=T(s)×K(s)N(s)

γ(s)×γ(s)=K(s)(T(s)×N(s))=K(s)B(s)

γ(s)×γ(s)=K con el parámetro longitud de arco, ya que B(s)=1.

Cuando no está parametrizada por longitud de arco, γ(s)=(x(s),y(s),z(s)) γ(s)=(dxds,dyds,dzds) γ(s)=(d2xds2,d2yds2,d2zds2)

Entonces γ(s)×γ(s)=|i^j^k^dxdsdydsdzdsd2xds2d2yds2d2zds2|

γ(s)×γ(s)=|i^j^k^dxdtdtdsdydtdtdsdzdtdtdsd2xdt2(dtds)2+dxdtd2tds2d2ydt2(dtds)2+dydtd2tds2d2zdt2(dtds)2+dzdtd2tds2|

Por lo tanto, para n=3 se tiene que K(t)=γ˙(t)×γ¨(t)γ˙(t)3

Torsión

T(s)=K(s)N(s)

N(s)=K(s)T(s)τ(s)B(s)

B(s)=τ(s)N(s)

Tenemos que:

γ=T(s)

γ=T(s)=KN

γ=dds(KN=KN+KN=KN+K(K(s)T(s)τ(s)B(s))=KNK2(s)T(s)Kτ(s)B(s)

Resolviendo el triple producto escalar de (γ,γ,γ) se tiene que:

(γ,γ,γ)=(T,KN,K2T+KNKτB=K(T,N,K2T+KNKτB)=K(T,N,K2T)+(T,N,KN)+(T,N,KτB))=K3(T,N,T)+KK(T,N,N)K2τ(T,N,B)

Por lo tanto (γ,γ,γ)=K2τ

Por lo tanto, para curvas parametrizadas por longitud de arco τ(s)=(γ,γ,γ)K2(s)

Partiendo de τ(s)=(γ,γ,γ)K2(s)

Buscamos una expresión en términos de t y las derivadas con respecto a t.

1° paso:

γ=γ˙(t)dtds

γ=γ¨(t)(dtds)2+γ˙(t)d2tds2

γ=γ(t)(dtds)3+γ¨(t)2dtdsd2tds2+γ¨(t)dtdsd2tds2+γ˙(t)d3tds3

Entonces γ=γ(t)(dtds)3+3γ¨(t)dtdsd2tds2+γ˙(t)d3tds3

Luego (γ,γ,γ)=(γ˙(t)dtds,γ¨(t)(dtds)2+γ˙(t)d2tds2,γ(t)(dtds)3+3γ¨(t)dtdsd2tds2+γ˙(t)d3tds3)=(γ˙(t)dtds,γ¨(t)(dtds)2,γ(t)(dtds)3)+(γ˙(t)dtds,γ¨(t)(dtds)2,3γ¨(t)dtdsd2tds2)+(γ˙(t)dtds,γ¨(t)(dtds)2,γ˙(t)d3tds3))+(γ˙(t)dtds,γ˙(t)d2tds2,γ(t)(dtds)3+3γ¨(t)dtdsd2tds2+γ˙(t)d3tds3)

Entonces

(γ,γ,γ)=(γ˙(t)dtds,γ¨(t)(dtds)2,γ(t)(dtds)3)=(dtds)6(γ,γ,γ)

Por lo tanto (γ,γ,γ)γ˙6

Luego τ(s)=(γ,γ,γ)K2=(γ,γ,γ)γ˙6γ˙×γ¨2γ˙6

τ(s)=(γ,γ,γ)γ˙×γ¨2

Forma canónica local

Sea γ(s)=(x(s),y(s),z(s)) podemos desarrollar cada función en series de Taylor. Luego γ(s)=γ(0)+sγ(0)+s22γ(0)+s36γ(0)+

Sin pérdida de generalidad, γ(0)=0 entonces γ(0)

Luego e1=(1,0,0)=T(0) e2=(0,1,0)=N(0) e3=(0,0,1)=B(0)

Entonces (x(s),y(s),z(s))=(0,0,0)+s(1,0,0)+s22(0,K,0)+s36(K,K,Kτ)+

Por lo que x(s)=s+s36K2(0)+Residuox(s) y(s)=s22K(0)+s36K(0)+Residuoy(s) z(s)=K(0)τ(0)6s3+Residuoz(s)

Deja una respuesta

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.