曲率计算器

欢迎使用曲率计算器，这是一个功能强大的微积分工具，用于计算曲线在任意给定点处的曲率 (κ)。无论您拥有的是显函数 y = f(x) 还是由 x(t) 和 y(t) 定义的参数曲线，此计算器都能提供精确的符号结果、分步导数计算、曲率半径，以及展示密切圆（在所选点处最接近曲线的圆）的可视化图表。

什么是曲率？

曲率 (κ) 衡量曲线在特定点处的弯曲剧烈程度。直观地说，它量化了当您沿曲线移动时切线方向变化的速率。直线的曲率处处为零，而急转弯处的曲率则很高。

曲率公式

对于显函数 y = f(x)

其中：

• f'(x) = 一阶导数（切线斜率）
• f''(x) = 二阶导数（斜率的变化率）

对于参数曲线 x(t), y(t)

其中撇号（'）表示对参数 t 的导数。

曲率半径

曲率半径 R 是曲率的倒数。它等于密切圆的半径——密切圆是在给定点处最能近似该曲线的唯一圆。

如何使用此计算器

1. 选择曲线类型： 对于显函数选择 "y = f(x)"，对于参数曲线选择 "x(t), y(t)"。
2. 输入函数： 使用标准数学符号输入表达式。使用 ** 表示指数，以及 sin, cos, exp, log, sqrt, pi 等。
3. 指定点： 输入您想要计算曲率的 x 值（或参数方程的 t 值）。
4. 点击计算： 查看曲率 κ、曲率半径 R、分步计算过程以及密切圆可视化。

理解结果

• 曲率 (κ)： 主要结果——曲线在点处的弯曲程度。始终为非负数。
• 曲率半径 (R)： 密切圆的半径。R = 1/κ。R 越大表示弯曲越平缓。
• 密切圆： 图中绿色的虚线圆，它在局部最接近曲线。其圆心位于曲线的凹侧。
• 分步计算： 完整的导数计算过程，展示了 κ 是如何得出的。

常见曲率值

密切圆

曲线上的点 P 处的密切圆（源自拉丁语 osculare，“亲吻”）是指满足以下条件的圆：

• 通过点 P
• 在 P 处与曲线具有相同的切线方向
• 在 P 处与曲线具有相同的曲率

它是该点附近曲线的最佳圆近似。密切圆的圆心被称为曲率中心，它总是位于曲线的凹侧，沿着单位法向量方向。

曲率的应用

道路和铁路设计

工程师使用曲率来设计公路和铁路轨道。最大曲率决定了最小转弯半径，这会影响安全行驶速度。缓和曲线（回旋曲线）通过线性改变曲率，在直线段和曲线段之间提供平稳过渡。

计算机图形学和 CAD

在计算机辅助设计中，曲率连续性 (G2 连续) 确保表面看起来光滑。曲率梳状图可视化了曲率沿曲线的变化方式，帮助设计师为汽车、飞机和消费品创造美观的形状。

光学和透镜设计

透镜表面的曲率决定了它们的焦距和光学特性。制镜者公式直接将表面曲率与透镜的焦度联系起来。

物理学：粒子运动

在物理学中，曲率与向心加速度有关。以速度 v 沿曲线路径运动的粒子会产生向心加速度 a = κv²，其方向垂直于速度方向。

微分几何

曲率是微分几何中的基本概念。对于曲面，高斯曲率（主曲率的乘积）决定了曲面局部是球形的、马鞍形的还是平坦的。这延伸到了广义相对论，其中时空曲率描述了引力。

输入符号指南

常见问题解答

微积分中的曲率是什么？

曲率 (κ) 是衡量曲线在给定点弯曲程度的指标。直线的曲率为零，而半径为 r 的圆具有恒定的曲率 κ = 1/r。对于函数 y=f(x)，公式为 κ = |f''(x)| / (1 + (f'(x))²)^(3/2)。

如何计算参数曲线的曲率？

对于由 x(t) 和 y(t) 定义的参数曲线，曲率公式为 κ = |x'y'' - y'x''| / ((x')² + (y')²)^(3/2)。这需要计算 x(t) 和 y(t) 对参数 t 的一阶和二阶导数。

什么是密切圆？

曲线上某一点的密切圆是在该点最接近曲线的圆。它的半径等于曲率半径 R = 1/κ，其圆心位于该点曲线的法线上，且在凹侧。

什么是曲率半径？

曲率半径 R 是曲率的倒数：R = 1/κ。它代表密切圆的半径。半径大意味着曲线弯曲平缓（接近直线），而半径小则意味着曲线弯曲剧烈。

零曲率意味着什么？

某点的零曲率意味着曲线在局部是直线——没有弯曲。二阶导数 f''(x) 在该点等于零（对于显函数）。曲率半径为无穷大，意味着密切圆退化为直线。

曲率可以是负数吗？

在标准标量曲率公式中，由于分子中有绝对值，曲率 κ 始终为非负数。然而，有向曲率（不带绝对值）可以是正数或负数，表示曲线是向左还是向右弯曲。本计算器计算的是无向（非负）曲率。

其他资源

• 曲率 - 维基百科
• 密切圆 - 维基百科
• 曲率半径 - 维基百科