Ejemplo:

Sean $ F_1 = \Big(\dfrac{1}{2}, \dfrac{1}{2}\Big) \; $ ; $\; F_2 =\Big(\dfrac{-1}{2}, \dfrac{-1}{2}\Big) \; $

y $\; k = \dfrac{1}{2}$

Sea $P (x, y)$, entonces

$d(P, F_1) = \sqrt{\Big( x \, – \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( y \, – \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 \; }$

$d(P, F_2) = \sqrt{\Big( x \, + \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( y \, + \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 \; }$

$\sqrt{\Big( x \, – \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( y \, – \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 \; } \sqrt{\Big( x \, + \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( y \, + \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 \; } = \dfrac{1}{2}$

$\Bigg( \Big( x \, – \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( y \, – \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 \Bigg) \Bigg( \Big( x \, + \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( y \, + \, \dfrac{1}{2}\Big)^2 \Bigg) = \Bigg(\dfrac{1}{2}\Bigg)^2$

$$\Bigg( x^2 \, – \, x \, + \, \dfrac{1}{4} + y^2 \, – \, y \, + \, \dfrac{1}{4} \Bigg) \Bigg( x^2 \, + \, x \, + \, \dfrac{1}{4} + y^2 \, + \, y \, + \, \dfrac{1}{4}\Bigg) = \dfrac{1}{4}$$

$$ \textcolor{DarkBlue}{x^4} \, + \, \cancel{x^3} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4}x^2} + \textcolor{DarkBlue}{x^2 y^2} \, + \, \cancel{x^2 y} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4} x^2} \, – \, \cancel{x^3} \, – \, \cancel{x^2} \, – \, \cancel{\dfrac{1}{4} x}$$

$$ \cancel{- x y^2} \, \textcolor{DarkBlue}{- \, xy} \, – \, \cancel{\dfrac{1}{4}x} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4}x^2} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4} x} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{16}} + \cancel{\dfrac{1}{4}y^2} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4}y} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{16}} \, $$

$$+ \, \textcolor{DarkBlue}{x^2y^2} \, + \, \cancel{ xy^2} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4} y^2} + \textcolor{DarkBlue}{y^4} \, + \, \cancel{y^3} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4} y^2} \, – \, \cancel{x^2y} \, \textcolor{DarkBlue}{- \, xy} \, – \, \cancel{\dfrac{1}{4}y} – \cancel{y^3} \, – \, \cancel{y^2} \, – \, \cancel{\dfrac{1}{4}y} \,$$

$$ + \, \cancel{\dfrac{1}{4}x^2} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4}x} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{16}} + \cancel{\dfrac{1}{4} y^2} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{4} y} \, + \, \cancel{\dfrac{1}{16}} = \cancel{\dfrac{1}{4}}$$

${}$

$$ \textcolor{DarkBlue}{x^4} \, + \, 2 \textcolor{DarkBlue}{x^2 y^2} \, + \, \textcolor{DarkBlue}{y^4} \textcolor{DarkBlue}{- \, 2 xy}= 0 $$

Por lo tanto

$$ \textcolor{DarkBlue}{\Big(x^2 \, + \, y^2\Big)^2 \, = \, 2 xy} $$

${}$

En coordenadas polares:

$ x = r \cos \theta$

$ y = r \sin \theta$

$ x^2 + y^2 = r^2$

Luego

$r^4 = 2 r \cos \theta r \sin \theta$

$r^4 = 2 r^2 \cos \theta \sin \theta$

$ r^2 = 2 \cos \theta \sin \theta$

Por lo tanto, $ r^2 = \sin (2 \theta)$

Observaciones:

$r^2 \geq 0$ por lo que $sin (2 \theta) \geq 0$

Luego $ \sin (2 \theta) \geq 0 \iff \theta \in \Bigg[ 0, \dfrac{\pi}{2}\Bigg] \bigcup \Bigg[ \pi , \dfrac{3\pi}{2} \Bigg]$

Si $\theta \in \Bigg[ 0, \dfrac{\pi}{4} \Bigg] \Rightarrow 0 \leq 2 \theta \leq \dfrac{\pi}{2}$

Entonces $sin 0 \leq sin (2 \theta) \leq \sin \dfrac{\pi}{2}$ por lo que

$ 0 \leq \sin (2 \theta) \leq 1$ entonces $0 \leq r^2 \leq 1$ y por tanto $0 \leq r \leq 1.$

Análogamente, si $\theta \in \Bigg[ \dfrac{\pi}{2}, \dfrac{3 \pi}{4}\Bigg] \Rightarrow \pi \leq 2 \theta \leq \dfrac{3 \pi}{2}$

Se puede calcular el área de cada pétalo de la Lemniscata.

$x (t) = \sqrt{ \sin (2 t) \, } \cos t$

$y (t) = \sqrt{ \cos (2 t) \, } \sin t$

Entonces $$F (x, y) = \big( x^2 + y^2 \big)^2 \, – \, 2xy = 0 $$

Podemos ver la Lemniscata como una curva de nivel $F : \mathbb{R}^3 \rightarrow \mathbb{R}$

¿Cómo será el valor de $F( x, y)$ cuando el punto $( x, y)$ está fuera de la Lemniscata?

¿Cómo será cuando el punto esté adentro?

Tomemos $P \Big(0, 1\Big)$ un punto fuera de la Lemniscata.

Entonces $F \Big(0, 1\Big) = (0)^2 + (1)^2 \, – \, 2 (0) (1) = 1 $. $F$ es positiva.

${}$

Tomemos $P \Big( \dfrac{1}{2}, \dfrac{1}{2} \Big)$ un punto dentro de la Lemniscata.

Entonces $F \Big(\dfrac{1}{2}, \dfrac{1}{2}\Big) = \Bigg( \Big( \dfrac{1}{2}\Big)^2 + \Big( \dfrac{1}{2}\Big)^2 \Bigg)^2 \, – \, 2 \Big(\dfrac{1}{2}\Big) \Big(\dfrac{1}{2} \Big) = \Bigg( \dfrac{1}{4} + \dfrac{1}{4} \Bigg)^2 \, – \, \dfrac{1}{2} = \dfrac{1}{4} \, – \, \dfrac{1}{2} = \dfrac{-1}{2}$. Entonces $F$ es negativa.

Analicemos algunos cortes verticales

$x = 0$

$F (0, y) = \big( 0^2 + y^2 \big)^2 \, – \, 2 (0) y = y^4 $

$x =1$

$F (1, y) = \big( 1^2 + y^2 \big)^2 \, – \, 2 (1) y = \big( 1^2 + y^2 \big)^2 \, – \, 2 y $

$x = 2$

$F (2, y) = \big( 2^2 + y^2 \big)^2 \, – \, 2 (2) y = \big( 4 + y^2 \big)^2 \, – \, 4 y $

En el siguiente enlace puedes observar una animación de diferentes cortes $x = \mathcal{x_0}$ y $z = \mathcal{z_0}$.

https://www.geogebra.org/classic/xef6rmxd

Si una curva está dada por la gráfica de una función $\mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$

$$\Gamma := \big\{ (x, y) \in \mathbb{R}^2 \big| y = f (x) \big\}$$

Donde, $\alpha (t) = (t, f (t)) $, y

${\alpha}’ (t) = ( 1, f’ (t) ).$

Además, $\big\|{\alpha}’ (t) \big\| = \sqrt{ 1 + (f’ (t_0) )^2}$

Observación: Con esta parametrización la rapidez $\big\|{\alpha}’ (t) \big\| \geq 1$ solo puede ser $\big\|{\alpha}’ (t) \big\| \equiv 1$ en el caso $f’ (t) \equiv 0.$

Fórmula para la curvatura

$$ \mathcal{K} = \dfrac{\begin{vmatrix} x’ & {x}^{\prime \prime} \\ y’ & {y}^{\prime \prime} \end{vmatrix}}{\big\|{\alpha}’ (t) \big\|^3}$$

Como $\begin{align*} x (t) &= t & x’ (t) &= 1 & {x}^{\prime \prime} (t) &= 0\\ y (t) &= f (t) & y’ (t) &= f’ (t) & {y}^{\prime \prime} (t) &= {f}^{\prime \prime} (t) \end{align*}$

Entonces

$$ \mathcal{K} = \dfrac{\begin{vmatrix} 1 & 0 \\ f’ (t) & { f}^{\prime \prime} (t) \end{vmatrix}}{\sqrt{\big(1 + (f’ (t))^2 \big)}^3}$$

Luego

$$ \mathcal{K} = \dfrac{ { f}^{\prime \prime} (t) }{\Big(1 + (f’ (t))^2 \Big)^3}$$

para una curva dada como la gráfica de una función.

${}$

Una forma para calcular el área encerrada por una curva simple, cerrada, parametrizada y plana.

Vamos a tratar de calcular el área usando sumas de Riemann de la forma $$\sum f (\xi_i) \Delta t_i$$

Para el «rectángulo» pequeño tenemos que

Base $\Delta x_i = x (t_i) \, – \, x (t_{i-1})$

Altura $y (\xi_i)$

Entonces, el área es

$A_1 = y (\xi_i) \big( x (t_i) \, – \, x (t_{i-1})\big)$

Para el «rectángulo» grande tenemos que

Base $\Delta x_j =\, – \, \big( x (t_j) \, – \, x (t_{j-1}) \big)$

Altura $y (\xi_j)$

Entonces, el área es

$A_2 = y (\xi_j) \Big( \, – \, \big( x (t_j) \, – \, x (t_{j-1})\big) \Big)$

Luego el área total es

$$ A = \, – \, \Big( y (\xi_j) \Delta x_j + y (\xi_i) \Delta x_i \Big)$$

$$ A = \, – \, \sum y (\xi_i) (\Delta x_i) = \, – \, \sum y (\xi_i) \dfrac{dx}{dt} (\Delta t)$$

Por lo tanto $$ A = \, – \, \int_a^b y (t) \dfrac{dx}{dt} \Delta t$$

donde

$\Delta x_i = x (t_i) \, – \, x (t_{i-1})$

$\dfrac{\Delta x_i }{\Delta t_i} = \dfrac{x (t_i) \, – \, x (t_{i-1})}{t_i \, – \, t_{i-1}}$

$\Delta x_i = \dfrac{\Delta x_i}{\Delta t_i} \Delta t_i$

Luego $$A = \dfrac{1}{2} \int_a^b \Bigg( x \dfrac{dy}{dt} \, – \, y \dfrac{dx}{dt} \Bigg)$$

$$ A = \dfrac{1}{2} \begin{vmatrix} x & \dfrac{dx}{dt}\\ y & \dfrac{dy}{dt} \end{vmatrix}$$

Ejemplo: Una elipse $\dfrac{x^2}{a^2} + \dfrac{y^2}{b^2} = 1$

$\alpha (t) = (a \cos t, b \sin t )$

$\alpha (t) = \big( x (t), y (t) \big)$

Fórmula para calcular la curvatura $$ \mathcal{K} (t) = \dfrac{ \begin{equation*} \begin{vmatrix} x’ & {x}^{\prime \prime }\\ y’ & {y}^{\prime \prime } \end{vmatrix} \end{equation*} }{\| {\alpha}’ (t) \|^3}$$

$x (t) = a \cos t \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; y (t) = b \sin t$

$x’ (t) = – a \sin t \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; y’ (t) = b \cos t$

${x}^{\prime \prime } (t) = – a \cos t \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; \; {y}^{\prime \prime } (t) = – b \sin t$

$\begin{equation*}\begin{vmatrix} x’ & {x}^{\prime \prime } \\ y’ & {y}^{\prime \prime } \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} – a \sin t & – a \cos t\\ b \cos t & – b \sin t \end{vmatrix}\end{equation*}$

$\begin{equation*}\begin{vmatrix} x’ & {x}^{\prime \prime }\\ y’ & {y}^{\prime \prime } \end{vmatrix} \end{equation*} = ab \sin^2 t + ab \cos^2 t $

$\begin{equation*}\begin{vmatrix} x’ & {x}^{\prime \prime }\\ y’ & {y}^{\prime \prime } \end{vmatrix} \end{equation*} = ab $

Luego

$\| {\alpha}’ (t) \| = \sqrt{ (- \, a \sin t)^2 + ( b \cos t )^2}$

$\| {\alpha}’ (t) \| = \sqrt{a^2 \sin^2 t + b^2 \cos^2 t }$

$$\mathcal{K} (t) = \dfrac{ab}{\Big( a^2 \sin^2 t + b^2 \cos^2 t \Big)^{\frac{3}{2}}}$$

Si $a > b$ entonces $b^2 \cos^2 t = b^2 ( 1 \, – \, \sin^2 t)$

Entonces $a^2 \sin^2 t + b^2 \cos^2 t = a^2 \sin^2 t + b^2 \, b^2 (1 \, – \, \sin^2 t) = (a^2 \, – \, b^2) \sin^2 t + b^2$

Luego $\| {\alpha}’ (t) \| = (a^2 \, – \, b^2) \sin^2 t + b^2$

Como $0 \leq \sin^2 t \leq 1$ el valor máximo de $\| {\alpha}’ (t) \| = a$ y el mínimo $\| {\alpha}’ (t) \| = b$

Por lo que la $\mathcal{K}$ máxima es $\dfrac{b}{a^2}$ y la $\mathcal{K}$ mínima es $\dfrac{a}{b^2}$

(a) Puntos donde la elipse está más curva $(\pm a, 0)$, son cuando $t = 0,\, \pi,\, 2\pi,\, \Rightarrow \mathcal{K} = \dfrac{a}{b^2}$. Y el radio de curvatura es $\dfrac{b^2}{a}$

(b) Puntos donde la elipse está menos curva $(0, \pm b)$, son cuando $t = \dfrac{\pi}{2},\, \dfrac{3\pi}{2},\, \dotsc \Rightarrow \mathcal{K} = \dfrac{b}{a^2}$. Y el radio de curvatura es $\dfrac{a^2}{b}$

Los puntos anteriores son los vértices de la elipse.

IMAGEN INTERACTIVA EN REVISIÓN

https://www.geogebra.org/classic/ehmeatmw

Observación: la curvatura está dada por la derivada del vector tangente unitario $T$ con respecto al parámetro longitud de arco $s$.

$\dfrac{dT}{ds}$, que no es lo mismo que $\dfrac{dT}{dt}$. La relación es $\dfrac{dT}{ds}= \dfrac{dT}{dt} \dfrac{dt}{ds}$

Si la curva es plana

$T (s) = (\cos (\phi (s)), \sin (\phi (s)))$

$\dfrac{dT}{ds} = ( \, – \, \sin (\phi (s)) {\phi}’ (s) , \cos (\phi (s)) {\phi}’ (s))$

$\dfrac{dT}{ds} = {\phi}’ (s) N (s)$

$\mathcal{K} (s) = \dfrac{d \phi}{ds}$

$\Bigg\| \dfrac{dT}{ds}\Bigg\| = \big| \mathcal{K}\big|$

${}$

Para curvas en $\mathbb{R}^3$ tenemos el concepto de contacto con superficies (planos, esferas)

$s \rightarrow \alpha (s) \in \mathbb{R}^3$

Podemos estudiar $f (s) = F \, \circ \, \alpha (s)$

Donde $\alpha (s) = \big( x (s), y (s), z (s) \big)$ y $F : (x, y, z)$ es $F : \mathbb{R}^3 \rightarrow \mathbb{R}$

entonces $ F \big( x (s), y (s), z (s) \big) = f (s)$

si $f (s_0) = 0$ , $f’ (s_0) = 0$ y ${f }^{\prime \prime} (s_0) \neq 0$ enotnces la curva $\alpha$ tiene contacto de orden 2 con la superficie $F^{-1} (0)$ en el punto $\alpha (s_0).$

si $f (s_0) = 0$ , $f’ (s_0) = 0$ , ${f }^{\prime \prime} (s_0) = 0$ y ${f }^{\prime \prime \prime} \neq 0$ enotnces la curva $\alpha$ tiene contacto de orden 3 con la superficie $F^{-1} (0)$ en el punto $\alpha (s_0).$

${}$

Contacto de la curva con la esfera

Sea $\alpha$ una curva parametrizada con rapidez unitaria $ \alpha = \alpha (s).$

Sea $F ( \vec{x}) = \| \vec{x} \, – \, \vec{u} \|^2 \, – \, \| \vec{\alpha}(s_0) \, – \, \vec{u} \|^2$ que cumpla que $F^{-1} (0) $ es la esfera con centro en $\vec{u}$ y que pasa por el punto $\vec{\alpha} (s_0)$

Además

$\vec{x} \, – \, \vec{u}$ es el vector que empieza un $\vec{u}$ y acaba en $\vec{x}.$

$\| \vec{x} \, – \, \vec{u} \|$ es la distancia de $\vec{x}$ a $\vec{u}.$

$\vec{\alpha}(s_0) \, – \, \vec{u}$ es el vector que empieza un $\vec{u}$ y acaba en $\alpha (s_0).$

$\| \vec{\alpha}(s_0) \, – \, \vec{u} \|$ radio de la esfera $ = r$

Ecuación de la esfera

$\| \vec{x} \, – \, \vec{u} \| = r $

$\| \vec{x} \, – \, \vec{u} \|^2 = r^2$

$\| \vec{x} \, – \, \vec{u} \|^2 \, – \, r^2 = 0 $

Luego

$f (s) = \| \vec{\alpha}(s) \, – \, \vec{u} \|^2 \, – \, \| \vec{\alpha}(s_0) \, – \, \vec{u} \|^2$ cumple que $f (s_0) = 0 $

¿Cuáles esferas tienen contacto $\geq 2$?

$f (s_0) = 0 $ y $f’ (s_0) = 0 $

$ f (s) = \langle \alpha (s) \, – \, u , \alpha (s) \, – \, u \rangle \, – \, r^2$

$ f’ (s) = 2 \langle \alpha (s) \, – \, u , {\alpha}’ (s) \rangle $

$ \dfrac{1}{2} f’ (s) = \langle \alpha (s) \, – \, u , {\alpha}’ (s) \rangle = 0 $ si y sólo si $\alpha (s_0) \, – \, u \, \perp \, T (s_0) $ si y solo si $ u \, – \, \alpha (s_0) \, \perp \, T (s_0).$

El plano norma a $T (s_0)$ está generado por el $N (s_0)$ y el $B (s_0)$ entonces, $$u \, – \, \alpha (s_0) = \lambda N (s_0) + \mu B (s_0)$$

Pidamos que $f (s_0) = 0$, $f’ (s_0) = 0$ y ${f}^{\prime \prime} (s_0) = 0$, es decir, contacto $\geq 3$

${f}^{\prime \prime} (s_0) = 0 \iff \dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime} (s_0) = 0$

Como $\dfrac{1}{2} {f’} (s_0) = \langle \alpha \, – \, u , {\alpha}’ \rangle$

Entonces $\dfrac{1}{2} {f’} (s_0) = \langle \alpha \, – \, u , T \rangle$ y $\dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime} (s_0) = \langle {\alpha}’ , T \rangle + \langle \alpha \, – \, u , T’ \rangle$

Entonces $\dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime} (s_0) = \langle T , T \rangle + \langle \alpha \, – \, u , \mathcal{K} N \rangle = 1 + \langle \lambda N (s_0) + \mu B (s_0) , \mathcal{K} N \rangle = 0$

Entonces $ 1 = \mathcal{K} \lambda \langle N (s_0), N (s_0)\rangle + \mu \mathcal{K} \langle B (s_0), N (s_0) \rangle$

Por lo tanto $1 = \lambda \mathcal{K} (s_0) $ es decir que $$ \lambda = \dfrac{1}{\mathcal{K} (s_0)}$$

Ahora pidamos además ${f}^{\prime \prime \prime} (s_0) = 0$, es decir, contacto $\geq 4.$

${f}^{\prime \prime \prime} (s_0) = 0 \iff \dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime \prime} (s_0) = 0$

Como $\dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime } (s_0) = 1 + \langle \alpha \, – \, u , \mathcal{K} N \rangle$

Entonces $\dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime \prime} (s) = \langle {\alpha}’ , \mathcal{K} N \rangle + \langle \alpha \, – \, u , \mathcal{K}’ N \rangle + \langle \alpha \, – \, u , \mathcal{K} N’ \rangle$

Evaluamos en $(s_0)$ y obtenemos que:

$\dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime \prime} (s_0) = \Bigg\langle T (s_0) , \mathcal{K} (s_0) N (s_0) \Bigg\rangle + \Bigg\langle \dfrac{- 1}{\mathcal{K} (s_0)} N (s_0) \, – \, \mu B (s_0) , \mathcal{K}’ (s_0) N (s_0) \Bigg\rangle + \Bigg\langle \dfrac{- 1}{\mathcal{K} (s_0) } N (s_0) \, – \, \mu B (s_0) , \mathcal{K} (s_0) N’ (s_0) \Bigg\rangle$

Entonces que $\dfrac{1}{2} {f}^{\prime \prime \prime} (s_0) = 0$ significa que

$0 = \dfrac{- 1}{\mathcal{K} (s_0)} \mathcal{K}’ (s_0) \, – \, \mu \mathcal{K} (s_0) \Bigg\langle B (s_0) , N’ (s_0) \Bigg\rangle$

Si $N’ (s_0) = – \, \mathcal{K} (s_0) T (s_0) + \tau (s_0) B (s_0)$

Entonces $$ \dfrac{ \mathcal{K}’ (s_0) }{\mathcal{K} (s_0) } = – \, \mu \mathcal{K} (s_0) \Big( B (s_0), \Big\langle \, – \, \mathcal{K} (s_0) T (s_0) + \tau (s_0) B (s_0)\Big\rangle \Big)$$

Por lo tanto $ \dfrac{ \mathcal{K}’ (s_0) }{\mathcal{K} (s_0) } = – \, \mu \mathcal{K} (s_0) \tau (s_0)$

Es decir $$\mu = \dfrac{ \mathcal{K}’ (s_0)}{\mathcal{K}^2 (s_0) \tau (s_0)}$$

Si $ \mathcal{K} (s_0) \neq 0$ y $\tau (s_0) \neq 0$ entonces existe una esfera única que tiene contacto al menos 4 (esfera osculatriz).

Si $ \mathcal{K}’ (s_0) = 0$ y $\tau (s_0) = 0$ pero $\mathcal{K} (s_0) \neq 0$ también existe dicha esfera, pero no es única, ya que $\mu$ es libre.

Motivación:

Comparar una curva parametrizada $\alpha$ con una familia de curvas (círculos, rectas, …).

Círculos

$F^{-1} (0)$ para una función $F(x, y) = x^2 + y^2 – r^2$

Rectas

$F^{-1} (0)$ para una función $F(x, y) = ax + by + c$

${}$

Sea $\alpha : \mathcal{I} \rightarrow \mathbb{R}^2$ una curva parametrizada $\alpha (t) = \big( x (t), y (t) \big).$

Sea $F : \mathbb{R}^2 \rightarrow \mathbb{R}$ una función $F (x, y).$

Consideremos un punto $p = \alpha (t_0)$ y supongamos que $p$ está en la curva de nivel cero de $F$, es decir, $F (p) = 0$

Sea $g : \mathcal{I} \rightarrow \mathbb{R}$ la composición $F \circ \alpha$ donde a cada $ t \rightarrow F \big( \alpha (t_0) \big) = F (p) = 0$

Decimos que la curva $\alpha$ y la curva de nivel $F^{-1} (0)$ tienen un contacto de orden $k$ en $p = \alpha (t_0)$ si: $$g (t_0) = 0$$ $$g’ (t_0) = 0$$ $${g}^{\prime \prime} (t_0) = 0$$ $$\vdots$$ $$g^{k-1} (t_0) = 0$$ pero $$g^k (t_0) \neq 0$$

Apliquemos este concepto.

Sea $\vec{u} = (a, b) \in \mathbb{R}^2$ un vector distinto de $\vec{0}.$

$F (\vec{x}) = \big\| \vec{x} \, – \, \vec{u} \big\|^2 \, – \, \big\| \vec{p} \, – \, \vec{u} \big\|^2$

$\vec{p} \in F^{-1} (0)$

$g (s) = F( \alpha (s))$

$g (s) = \big\| \alpha (s) \, – \, \vec{u} \big\|^2 \, – \ \big\| \alpha(s_0) \, – \, \vec{u} \big\|^2$

$g (s_0) = F (p) = 0 $

$g (s) = \langle \alpha \, – \, u, \alpha \, – \, u \rangle $

$g’ (s) = \langle {\alpha}’ , \alpha \, – \, u \rangle \langle \alpha \, – \, u, {\alpha}’ \rangle = 2 \langle \alpha \, – \, u, {\alpha}’ \rangle $

Además $g’ (s_0) = 0 \iff \langle \alpha (s_0) \, – \, u, {\alpha}’ (s_0) \rangle = 0$, es decir, si el vector $\alpha (s_0) \, – \, u$ es ortogonal al vector tangente ${\alpha}’ (s_0) = T (s_0).$

$g (s_0) = 0$ y $g’ (s_0) = 0 \iff $ la curva $\alpha$ y $F^{-1} (0)$ pasan por el punto $p = \alpha (s_0) $ y el círculo $F^{-1} (0)$ es tangente a la curva $\alpha$ en el punto $p$ si y sólo si, $u$ céntro del círciño, está en la recta normal a la curva $\alpha$ en el punto $p = \alpha (s_0).$ Es decir, $$\alpha (s_0) \, – \, u \perp T$$

¿Cómo debe ser $\vec{u}$ para que ${g}^{\prime \prime} (s_0) = 0$? Además de que $ g (s_0) = 0$ y ${g}’ (s_0) = 0$

${g}’ (s) = 2 \langle \alpha (s) \, – \, u, {\alpha}’ (s) \rangle$

${g}^{\prime \prime} (s) = 2 \Big[ \langle {\alpha}’ (s), {\alpha}’ (s) \rangle + \langle {\alpha} (s) \, – \, u, {\alpha}^{\prime \prime} (s) \rangle \Big]$

Luego

$${g}^{\prime \prime} (s) = 0 \iff \langle {\alpha} (s_0) \, – \, u, {\alpha}^{\prime \prime} (s_0) \rangle + 1 = 0$$

$${g}^{\prime \prime}(s) = 0 \iff \langle {\alpha} (s_0) \, – \, 1, \mathcal{K} N (s_0) \rangle + 1 = 0$$

como ${\alpha} (s_0) \, – \, u \perp T \iff u\, – \, {\alpha} (s_0) = \lambda N (s_0)$ para algún $\lambda \in \mathbb{R}$

$${g}^{\prime \prime} (s) = 0 \iff \langle \, – \, \lambda N, \mathcal{K} N \rangle = 0$$

Despejemos ${\lambda}^*$, entonces

$$ 1 \, – \, {\lambda}^* \mathcal{K} \langle N, N \rangle = 0 $$

$$ 1 \, – \, {\lambda}^* \mathcal{K} = 0 $$

$$ {\lambda }^* = \dfrac{1}{\mathcal{K}}$$

de todos los círculos con centro en la recta normal a $\alpha$ en $p$ que pasan por $p$, el que tiene un orden de contacto mayor con la curva $\alpha$ es el que tiene centro en el punto $$u = \alpha (s_0) + {\lambda}^* N (s_0)$$ $$u = p + \dfrac{1}{\mathcal{K}} N(s_0)$$

es el CÍRCULO OSCULADOR.

Si pedimos $g (s_0) = 0$ nos quedamos con círculos que pasan por el punto $p.$

Si además pedimos que ${g}^{\prime } (s_0) = 0$ nos quedamos con círculos cuyos centros están en la recta normal a $\alpha$ en el punto $p.$

Si también pedimos ${g}^{\prime \prime} (s_0) = 0$ nos quedamos con círculos cuyo centro coincide con el círculo osculador. (esto ocurre si ${\alpha}^{\prime \prime} (s_0) \neq \vec{0}$) Si $\mathcal{K} (s_0) = 0$ no existiría tal círculo.

Si además pedimos que ${g}^{ \prime \prime \prime} (s_0) = 0$ ¿qué sucede?

${g}’ (s) = 2 \langle \alpha (s) \, – \, u, {\alpha}’ (s) \rangle$

${g}^{\prime \prime} (s) = 2 \Big[ \langle {\alpha}’ (s), {\alpha}’ (s) \rangle + \langle \alpha (s) \, – \, u , {\alpha}^{\prime \prime} (s) \rangle \Big]$

${g}^{\prime \prime \prime} (s) = 2 \Big[ \langle {\alpha}’ (s), {\alpha}^{\prime \prime} (s) \rangle + \langle \alpha (s) \, – \, u , {\alpha}^{\prime \prime \prime} (s) \rangle \Big]$

Luego ${g}^{\prime \prime \prime} (s) = 0 \iff \langle \alpha (s_0) \, – \, u , {\alpha}^{\prime \prime \prime} (s_0) \rangle = 0 $

Como $u \, – \, \alpha (s_0) = \lambda N (s_0)$

Entonces $\begin{align*} \langle \alpha (s_0) \, – \, u , {\alpha}^{\prime \prime \prime} (s_0) \rangle &= \langle \lambda N (s_0), \mathcal{K}’ (s_0) N (s_0) + \mathcal{K} N’ (s_0) \rangle \\ &= \lambda \mathcal{K}’ (s_0) \\ &= \dfrac{1}{\mathcal{K} (s_0)} \mathcal{K}’ (s_0) \end{align*}$

Entonces tenemos que $ g (s_0) = g’ (s_0) = {g}^{\prime \prime} (s_0) = {g}^{\prime \prime \prime} (s_0) \iff \mathcal{K} (s_0) \neq 0$ contacto de orden $ \geq 4$

${}$

Definición:

Sea $p = \alpha (s_0)$ un punto en una curva $\alpha = \alpha (s_0).$

Decimos que $p$ es un vértice si existe un círculo $\mathcal{C}$ que tiene contacto de orden al menos 4 con la curva $\alpha.$

Vértice Ordinario, si el contacto es de orden 4.

Vértice Degenerado, si el contacto es de orden mayor que 4.

Orden 4 $ \iff g (s_0) = g’ (s_0) = {g}^{\prime \prime} (s_0) = {g}^{\prime \prime \prime} (s_0) = 0.$

${}$

Definición:

Sea $p = \alpha (s_0)$ un punto en una curva. Decimos que $p$ es un punto de inflexión si tiene contacto de orden al menos 3 con la recta tangente.

Punto de inflexión Ordinario, si el contacto es de orden 3.

Punto de inflexión Degenerado, si el contacto es de orden mayor que 3.

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 $\alpha (t) = \big( x(t), y(t) \big)$ y $t = h (s)$ con $s = $ longitud de arco; entonces $$\gamma (s) = \alpha ( h ( s)) = ( u (s) , v (s) )$$ $${\gamma}’ (s) = ( u’ (s) , v’ (s) )$$

Curvatura de $\gamma$ en el punto $s$ es el número $\mathcal{K}$ para el cual se cumple la ecuación $$ {\gamma}^{\prime \prime} (s) = \mathcal{K} \big( – \, v’ (s), u’ (s) \big)$$

Así definida $\mathcal{K} (s)$ puede ser $\mathcal{K} (s) > 0$, $\mathcal{K} (s) < 0$ o incluso $\mathcal{K} (s) = 0.$

Se sigue cumpliendo que $$\big|\mathcal{K}\big| = \big\| {\gamma}^{\prime \prime} (s) \big\|$$

Si $\gamma (s)$ está dada por longitud de arco, entonces $$\big\| {\gamma}’ (s) \big\| = 1 \iff \langle{\gamma}’ (s) , {\gamma}’ (s) \rangle = 1$$

Derivando $$\begin{align*} \langle{\gamma}^{\prime \prime} (s) , {\gamma}’ (s) \rangle + \langle{\gamma}’ (s) , {\gamma}^{\prime \prime} (s) \rangle &\equiv 0 \\ \langle{\gamma}’ (s) , {\gamma}^{\prime \prime} (s) \rangle &\equiv 0 \end{align*}$$

$$ \therefore {\gamma}^{\prime \prime} (s) \text{ es ortogonal a } {\gamma}’ (s)$$

Luego, ${\gamma}^{\prime \prime} (s)$ está en la recta ortogonal a ${\gamma}’ (s).$

¿Cuál es el signo de $\mathcal{K}(s)$?

Observemos el producto punto de ${\gamma}^{\prime \prime} (s)$ con $\big( -\, v(s), u (s) \big).$

Signo de $\mathcal{K} (s) = $ signo $\Bigl| \begin{smallmatrix} u’ & {u}^{\prime \prime} \\ v’ & {v}^{\prime \prime} \end{smallmatrix} \Bigr|$

Por lo que el signo de $\mathcal{K} (s)$ está dado por el signo del determinante de $\big( {\gamma}’ | {\gamma}^{\prime \prime} \big).$

Luego

$\begin{align*} {u}^{\prime \prime} &= – \, \mathcal{K} v’ \\ {v}^{\prime \prime} &= \mathcal{K} u’ \end{align*}$

Por lo que

$\begin{align*} \Bigl| \begin{smallmatrix} u’ & {u}^{\prime \prime} \\ v’ & {v}^{\prime \prime} \end{smallmatrix} \Bigr| &= \Bigl| \begin{smallmatrix} u’ & – \mathcal{K}{v’} \\ v’ & \mathcal{K} {u’} \end{smallmatrix} \Bigr| \\ &= u’ u’ \mathcal{K} \, – \, v’ v’ \mathcal{K} \\ &= \mathcal{K} \big( (u’)^2 – (v’)^2 \big) \\ &= \mathcal{K}\end{align*}$$

Entonces $$\big| {{\gamma}’} \big| = \big| (u’ , v’) \big| = 1 $$

1° paso: La curvatura se puede ver como

$$ \mathcal{K} (s) = \Bigl| \begin{smallmatrix} u’ (s) & {u}^{\prime \prime} (s) \\ v’ (s) & {v}^{\prime \prime} (s) \end{smallmatrix} \Bigr|$$

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

$$u (s) = x \big( h (s) \big) = x (t)$$

Derivando

$u’ (s) = \dfrac{du}{ds} = \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} = \dot{x} (t) \dfrac{dt}{ds}$

${u}^{\prime \prime} (s) = \dfrac{d}{ds} \Big( \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} \Big) $

${u}^{\prime \prime} (s) = \Big( \dfrac{d}{ds} \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} + \dfrac{dx}{dt} \Big( \dfrac{d}{ds} \dfrac{dt}{ds} \Big)$

${u}^{\prime \prime} (s) = \dfrac{d^2x}{dt^2} \dfrac{dt}{ds} \dfrac{dt}{ds} + \dfrac{dx}{dt} \dfrac{d^2t}{ds^2} {u’}’ (s)$

${u}^{\prime \prime} (s) = \ddot{x} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 + \dot{x} (t) \dfrac{d^2t}{ds^2}$

Entonces la curvatura está dada por:

$\mathcal{K} (s) = \begin{vmatrix} u’ (s) & {u}^{\prime \prime} (s) \\ {} \\ v’ (s) & {v}^{\prime \prime} (s) \end{vmatrix}$

${}$

$\mathcal{K} (s) = \begin{vmatrix} \dfrac{du}{ds} & \dfrac{d^2u}{ds^2} \\ {}\\ \dfrac{dv}{ds} & \dfrac{d^2v}{ds^2} \end{vmatrix}$

${}$

$\mathcal{K} (s) = \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & {} & \dfrac{d^2x}{dt^2} \Big( \dfrac{dt}{ds}\Big)^2 + \dfrac{dx}{dt} \dfrac{d^2t}{ds^2} \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & {} & \dfrac{d^2y}{dt^2} \Big( \dfrac{dt}{ds}\Big)^2 + \dfrac{dy}{dt} \dfrac{d^2t}{ds^2} \end{vmatrix}$

${}$

$\mathcal{K} (s) = \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & {} & \dfrac{d^2x}{dt^2} \Big( \dfrac{dt}{ds}\Big)^2 \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & {} & \dfrac{d^2y}{dt^2} \Big( \dfrac{dt}{ds}\Big)^2 \end{vmatrix} + \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & {} & \dfrac{dx}{dt} \dfrac{d^2t}{ds^2} \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & {} & \dfrac{dy}{dt} \dfrac{d^2t}{ds^2} \end{vmatrix}$

${}$

$\mathcal{K} (s) =\Big( \dfrac{dt}{ds}\Big)^3 \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} & {} & {} & \dfrac{d^2x}{dt^2} \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} & {} & {} & \dfrac{d^2y}{dt^2} \end{vmatrix} + \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big) \dfrac{d^2t}{ds^2} \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} & {} & {} & \dfrac{dx}{dt} \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} & {} & {} & \dfrac{dy}{dt} \end{vmatrix}$

${}$

$\mathcal{K} (s) =\Big( \dfrac{dt}{ds}\Big)^3 \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} & {} & {} & \dfrac{d^2x}{dt^2} \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} & {} & {} & \dfrac{d^2y}{dt^2} \end{vmatrix}$

${}$

Pero $s = \int\|{\alpha}’ \| (t) dt$ entonces $\dfrac{ds}{dt} = \|{\alpha}’ (t) \| = \sqrt{ \Big(\dfrac{dx}{dt}\Big)^2 + \Big(\dfrac{dy}{dt}\Big)^2}$

Por lo tanto

$\mathcal{K} (s) = \dfrac{ \begin{vmatrix} \dfrac{dx}{dt} & {} & {} & \dfrac{d^2x}{dt^2} \\ {} \\ \dfrac{dy}{dt} & {} & {} & \dfrac{d^2y}{dt^2} \end{vmatrix}}{\Bigg(\Big(\dfrac{dx}{dt}\Big)^2 + \Big(\dfrac{dy}{dt}\Big)^2 \Bigg)^{\frac{3}{2}}}$

Luego, cuando $n = 2$ $$\mathcal{K} (t) = \dfrac{\dot{x} \ddot{y} \, – \, \dot{y} \ddot{x}}{\Big( (\dot{x})^2 + (\dot{y})^2 \Big)^{\frac{3}{2}}}$$

${}$

CASO $n = 3$

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

$$T (s) = {\gamma}’ (s)$$ $$N (s) = \dfrac{{\gamma}^{\prime \prime} (s)}{\| {\gamma}^{\prime \prime} (s)\|}$$

Luego $${\gamma}^{\prime \prime} (s) = \mathcal{K} (s) N(s)$$

y $B (s) = T(s) \times N(s)$

entonces ${\gamma}^{\prime } (s) \times {\gamma}^{\prime \prime} (s) = T (s) \times \mathcal{K} (s) N (s)$

${{\gamma}’} (s) \times {\gamma}^{\prime \prime} (s) = \mathcal{K} (s) \big( T (s) \times N (s) \big) = \mathcal{K} (s) B(s)$

$\| {{\gamma}’} (s) \times {\gamma}^{\prime \prime} (s) \| = \mathcal{K}$ con el parámetro longitud de arco, ya que $\| B(s)\| = 1.$

${}$

Cuando no está parametrizada por longitud de arco, $$\gamma (s) = \big( x (s), y (s), z (s)\big)$$ $${\gamma}’ (s) = \Bigg( \dfrac{dx}{ds}, \dfrac{dy}{ds}, \dfrac{dz}{ds}\Bigg)$$ $${\gamma} (s) = \Bigg( \dfrac{d^2x}{ds^2}, \dfrac{d^2y}{ds^2}, \dfrac{d^2z}{ds^2}\Bigg)$$

Entonces $${\gamma}’ (s) \times { \gamma}^{\prime \prime} (s) = \begin{vmatrix} \hat{i} & \hat{j} & \hat{k} \\ {} \\ \dfrac{dx}{ds} & \dfrac{dy}{ds} & \dfrac{dz}{ds} \\ {} \\ \dfrac{d^2x}{ds^2} & \dfrac{d^2y}{ds^2} & \dfrac{d^2z}{ds^2}\end{vmatrix}$$

$${\gamma}’ (s) \times { \gamma}^{\prime \prime} (s) = \begin{vmatrix} \hat{i} & {} & \hat{j} & {} & \hat{k} \\ {} \\ \dfrac{dx}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} & \dfrac{dy}{dt} \dfrac{dt}{ds} & {} &\dfrac{dz}{dt} \dfrac{dt}{ds} \\ {} \\ \dfrac{d^2x}{dt^2}\Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^2 + \dfrac{dx}{dt}\dfrac{d^2t}{ds^2} & {} & \dfrac{d^2y}{dt^2}\Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^2 + \dfrac{dy}{dt}\dfrac{d^2t}{ds^2} & {} & \dfrac{d^2z}{dt^2}\Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^2 + \dfrac{dz}{dt}\dfrac{d^2t}{ds^2} \end{vmatrix}$$

Por lo tanto, para $n = 3$ se tiene que $$\mathcal{K} (t) = \dfrac{\| \dot{\gamma} (t) \times \ddot{\gamma} (t)\|}{ \| \dot{\gamma} (t) \|^3}$$

${}$

Torsión

$$T’ (s) = \mathcal{K} (s) N (s)$$

$$N’ (s) = – \, \mathcal{K} (s) T (s) – \, \tau (s) B (s)$$

$${B \, }’ (s) = \tau (s) N (s)$$

Tenemos que:

${\gamma}’ = T (s)$

${\gamma}^{\prime \prime} = T’ (s) = \mathcal{K} N$

$ {\gamma}^{\prime \prime \prime} = \dfrac{d}{ds}(\mathcal{K}N = \mathcal{K}’ N + \mathcal{K} N’ = \mathcal{K}’ N + \mathcal{K}( – \, \mathcal{K} (s) T (s) – \, \tau (s) B (s)) = \mathcal{K}’ N- \, \mathcal{K}^2 (s) T (s) – \, \mathcal{K} \tau (s) B (s)$

Resolviendo el triple producto escalar de $({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime})$ se tiene que:

$\begin{align*}({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) &= (T, \mathcal{K}N, -\, \mathcal{K}^2T + \mathcal{K}’N \, – \, \mathcal{K} \tau B \\ &= \mathcal{K} (T, N, -\, \mathcal{K}^2 T + \mathcal{K}’ N \, – \, \mathcal{K} \tau B) \\ &= \mathcal{K} \Big(T, N, -\, \mathcal{K}^2 T) + (T, N, \mathcal{K}’ N) + (T, N, -\, \mathcal{K} \tau B) \Big) \\ &= – \, \mathcal{K}^3 (T, N, T) + \mathcal{K} \mathcal{K}’ (T, N, N) \, – \, \mathcal{K}^2 \tau (T, N, B)\end{align*}$

Por lo tanto $$({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) = – \, \mathcal{K}^2 \tau$$

Por lo tanto, para curvas parametrizadas por longitud de arco $$\tau (s) = \dfrac{\, – \, ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) }{\mathcal{K}^2 (s)}$$

Partiendo de $\tau (s) = \dfrac{\, – \,({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) }{\mathcal{K}^2 (s)}$

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

1° paso:

${\gamma}’ = \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}$

${\gamma}^{\prime \prime } = \ddot{\gamma} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 + \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^2t}{ds^2}$

${\gamma}^{\prime \prime \prime} = \dddot{\gamma} (t) \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^3 + \ddot{\gamma} (t) 2 \dfrac{dt}{ds} \dfrac{d^2t}{ds^2} + \ddot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds} \dfrac{d^2t}{ds^2} + \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^3t}{ds^3}$

Entonces ${\gamma}^{\prime \prime \prime} = \dddot{\gamma} (t) \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^3 + 3 \ddot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds} \dfrac{d^2t}{ds^2} + \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^3t}{ds^3}$

Luego $$ \begin{align*} ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) &= \Big( \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}, \ddot{\gamma} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 + \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^2t}{ds^2}, \dddot{\gamma} (t) \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^3 + 3 \ddot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds} \dfrac{d^2t}{ds^2} + \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^3t}{ds^3}\Big) \\ &= \Bigg( \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}, \ddot{\gamma} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 , \dddot{\gamma} (t) \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^3 \Bigg) + \Bigg( \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}, \ddot{\gamma} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 , 3 \ddot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds} \dfrac{d^2t}{ds^2} \Bigg) + \\ & \Bigg( \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}, \ddot{\gamma} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 , \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^3t}{ds^3}\Big) \Bigg)+ \Bigg( \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}, \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^2t}{ds^2}, \dddot{\gamma} (t) \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^3 + 3 \ddot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds} \dfrac{d^2t}{ds^2} + \dot{\gamma} (t) \dfrac{d^3t}{ds^3}\Bigg) \end{align*}$$

${}$

Entonces

$\begin{align*} ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) &= \Bigg( \dot{\gamma} (t) \dfrac{dt}{ds}, \ddot{\gamma} (t) \Big( \dfrac{dt}{ds} \Big)^2 , \dddot{\gamma} (t) \Big(\dfrac{dt}{ds}\Big)^3 \Bigg) \\ &= \Bigg(\dfrac{dt}{ds}\Bigg)^6 ({\gamma}’, {{\gamma}’}’, {{{\gamma}’}’}’) \end{align*}$

Por lo tanto $$ ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}){ \|\dot{\gamma}\|^6}$$

Luego $$\tau (s) = \dfrac{-\, ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime})}{\mathcal{K}^2} = \dfrac{\dfrac{ ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime}) }{ \|\dot{\gamma}\|^6}}{\dfrac{\|\dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \|^2}{\|\dot{\gamma}\|^6}}$$

$$\therefore \tau (s) = \dfrac{-\, ({\gamma}’, {\gamma}^{\prime \prime}, {\gamma}^{\prime \prime \prime})}{\|\dot{\gamma} \times \ddot{\gamma} \|^2}$$

${}$

Forma canónica local

Sea $\gamma (s) = \big( x (s), y (s), z (s)\big)$ podemos desarrollar cada función en series de Taylor. Luego $$\gamma (s) = \gamma (0) + s {\gamma}’ (0) + \dfrac{s^2}{2} {\gamma}^{\prime \prime} (0) + \dfrac{s^3}{6} {\gamma}^{\prime \prime \prime} (0) + \dotsc$$

Sin pérdida de generalidad, $\gamma (0) = \vec{0}$ entonces ${\gamma}’ (0)$

Luego $$e_1 = (1, 0, 0) = T (0)$$ $$e_2 = (0, 1, 0) = N (0)$$ $$e_3 = (0, 0, 1) = B (0)$$

Entonces $\big( x (s), y (s), z (s)\big) = (0, 0, 0) + s (1, 0, 0) + \dfrac{s^2}{2} (0,\mathcal{K}, 0) + \dfrac{s^3}{6} (-\, \mathcal{K}, \mathcal{K}’ , – \, \mathcal{K} \tau) + \dotsc$

Por lo que $$x (s) = s + \dfrac{s^3}{6} \mathcal{K}^2 (0) + Residuo_x (s)$$ $$y (s) = \dfrac{s^2}{2} \mathcal{K} (0) + \dfrac{s^3}{6} {\mathcal{K}}’ (0) + Residuo_y (s)$$ $$z (s) = \dfrac{\mathcal{K} (0) \tau (0)}{6} s^3 + Residuo_z (s)$$