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曲率計算機
歡迎使用曲率計算機,這是一個強大的微積分工具,可以計算曲線在任何給定點的曲率 (κ)。無論您是顯函數 y = f(x) 還是由 x(t) 和 y(t) 定義的參數曲線,此計算機都能提供精確的符號結果、逐步導數計算、曲率半徑以及顯示密切圓(在您選擇的點處最接近曲線的圓)的視覺化圖表。
什麼是曲率?
曲率 (κ) 衡量曲線在特定點處彎曲的劇烈程度。直觀地說,它量化了當您沿著曲線移動時切線方向變化的速率。直線各處的曲率均為零,而急轉彎處則具有高曲率。
曲率公式
用於顯函數 y = f(x)
其中:
- f'(x) = 一階導數(切線斜率)
- f''(x) = 二階導數(斜率的變化率)
用於參數曲線 x(t), y(t)
其中撇號表示對參數 t 的導數。
曲率半徑
曲率半徑 R 是曲率的倒數。它等於密切圓的半徑——密切圓是在給定點處最接近曲線的唯一圓。
如何使用此計算機
- 選擇曲線類型: 對於顯函數選擇 "y = f(x)",對於參數曲線選擇 "x(t), y(t)"。
- 輸入函數: 使用標準數學符號輸入您的運算式。使用
**表示指數,以及sin、cos、exp、log、sqrt、pi等。 - 指定點: 輸入您想要計算曲率的 x 值(參數曲線則為 t 值)。
- 點擊計算: 查看曲率 κ、曲率半徑 R、逐步計算過程以及密切圓視覺化。
了解結果
- 曲率 (κ): 主要結果——曲線在該點處彎曲的劇烈程度。始終為非負數。
- 曲率半徑 (R): 密切圓的半徑。R = 1/κ。R 越大表示彎曲越平緩。
- 密切圓: 圖中綠色虛線圓,是在局部最接近曲線的圓。其中心位於曲線的凹側。
- 逐步計算: 完整的導數計算過程,顯示 κ 是如何獲得的。
常見曲率值
| 曲線 | 曲率 κ | 半徑 R |
|---|---|---|
| 直線 y = mx + b | 0 | ∞ |
| 半徑為 r 的圓 | 1/r | r |
| y = x² 在 x = 0 | 2 | 0.5 |
| y = sin(x) 在 x = 0 | 0 | ∞ |
| y = sin(x) 在 x = π/2 | 1 | 1 |
| y = eˣ 在 x = 0 | 1/(2√2) ≈ 0.354 | 2√2 ≈ 2.828 |
密切圓
曲線上一點 P 處的密切圓(源自拉丁語 osculare,「接吻」)是滿足以下條件的圓:
- 通過點 P
- 在 P 處與曲線具有相同的切線方向
- 在 P 處與曲線具有相同的曲率
它是該點附近曲線的最佳圓形近似。密切圓的中心稱為曲率中心,它始終位於曲線的凹側,沿著單位法向量方向。
曲率的應用
道路和鐵路設計
工程師使用曲率來設計道路和鐵路軌道。最大曲率決定了最小轉彎半徑,這會影響安全行駛速度。緩和曲線(迴旋曲線)通過線性改變曲率,在直線段和曲線段之間提供平滑過渡。
電腦圖形與 CAD
在電腦輔助設計中,曲率連續性 (G2 連續) 確保表面看起來平滑。曲率梳視覺化曲率沿曲線的變化情況,幫助設計師為汽車、飛機和消費產品創造美觀的形狀。
光學與透鏡設計
透鏡表面的曲率決定了它們的焦距和光學性質。透鏡製作者公式直接將表面曲率與透鏡的光度聯繫起來。
物理學:質點運動
在物理學中,曲率與向心加速度有關。以速度 v 沿曲線路徑運動的質點會經歷向心加速度 a = κv²,其方向與速度方向垂直。
微分幾何
曲率是微分幾何中的基本概念。對於表面,高斯曲率(主曲率的乘積)決定了表面局部是球形、馬鞍形還是平面的。這延伸到廣義相對論,其中時空曲率描述了引力。
輸入符號指南
| 操作 | 符號 | 範例 |
|---|---|---|
| 乘方 | ** 或 ^ | x**3 或 x^3 |
| 平方根 | sqrt() | sqrt(x) |
| 三角函數 | sin, cos, tan | sin(x), cos(2*t) |
| 反三角函數 | asin, acos, atan | atan(x) |
| 指數 | exp() | exp(-x**2) |
| 自然對數 | log() 或 ln() | log(x) |
| 常數 | pi, e | pi/4, e**x |
| 乘法 | * (或隱式) | 2*x 或 2x |
常見問題
微積分中的曲率是什麼?
曲率 (κ) 是衡量曲線在給定點彎曲程度的指標。直線的曲率為零,而半徑為 r 的圓具有恆定的曲率 κ = 1/r。對於函數 y=f(x),公式為 κ = |f''(x)| / (1 + (f'(x))²)^(3/2)。
如何計算參數曲線的曲率?
對於由 x(t) 和 y(t) 定義的參數曲線,曲率公式為 κ = |x'y'' - y'x''| / ((x')² + (y')²)^(3/2)。這需要計算 x(t) 和 y(t) 對參數 t 的一階和二階導數。
什麼是密切圓?
曲線上一點處的密切圓是該點處最接近曲線的圓。其半徑等於曲率半徑 R = 1/κ,其圓心位於該點處曲線的法線上,且在凹側。
什麼是曲率半徑?
曲率半徑 R 是曲率的倒數:R = 1/κ。它代表密切圓的半徑。較大的半徑意味著曲線彎曲平緩(接近直線),而較小的半徑意味著曲線彎曲劇烈。
零曲率代表什麼意思?
某一點的零曲率意味著該曲線在局部是一條直線——沒有彎曲。對於顯式曲線,該點的二階導數 f''(x) 等於零。曲率半徑為無窮大,意味著密切圓退化為一條直線。
曲率可以是負數嗎?
在標準標量曲率公式中,由於分子中有絕對值,曲率 κ 始終為非負數。然而,有向曲率(不含絕對值)可以是正數或負數,表示曲線是向左還是向右彎曲。本計算機計算的是無向(非負)曲率。
其他資源
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由 miniwebtool 團隊編製。更新日期:2026年2月18日
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