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第三章 微分中值定理与导数应用
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第七节 曲 率
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主讲 武忠祥 教授
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大一、弧微大分 大 大 大 大 大 大 大 大 大
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设 在(a , b)内有连续导数,
y f (x)
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武忠祥考研
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若曲线由参数方程表示:
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国 则弧长微国 分公式为国 国2 2 国 国 国 国 国 国 国
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数 的导数
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武忠祥考研
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大二、曲率大及其计算公大式 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
在
C
光滑弧上
C
自点 M 开
C
始取弧段,
C
其长为s
,C
对应切线
C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大转角为 大 定义 大 大 大 大 大 大 大 大 大
,
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
弧段 s 上的平均曲率
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大K 大 大 大 M 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 s中 中 中 中 中 中 中 中 中
s
M
点 M 处的曲率
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
K lim
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
s0
s
ds
CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC
注意: 直线上任意点处的曲率为 0 !
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM
武忠祥考研
学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学
大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大
国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国
中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 例1. 求中半径为R 的中 圆上任意中点处的曲中率 . 中 中 中 中 中 中
解C: 如图所示C , C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O M O O O O O O
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大 大 s R 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中
s 中 中 中 中 中 中
R
1
O C K O C lim O C O C O C M O C O C O C O C O C O C
O O O O O O O O O O O
M M
s0
s M
R
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
可见: R 愈小, 则K 愈大 , 圆弧弯曲得愈厉害 ;
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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R 愈大, 则K 愈小 , 圆弧弯曲得愈小 .
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
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武忠祥考研
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中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
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国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
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C C C C C C C C C C C
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
曲率K 的计算公式
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
d
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
K
设曲线弧 y f (x) 二阶可导, 则由
ds
C C C C C C C C C C C
O O O π Oπ O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M taMn y (M设 M ) M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 2 大 2 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 得 中 arctan 中 y 中 中 中 中 中 中 中 中
y
O C d O( C arctan y ) Od C x O Cdx O C O C O C O C O C O C O C
O O O O2 O O O O O O O
M M M 1 yM M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
又 2
中 中 ds 1 中 y dx 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C y C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
故O曲率计算O公式为
K
O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
学 学 学 学 3 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 (1 y大2 ) 2 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
例2 计算曲线 在点 处的曲率.
xy 1 (1,1)
CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM
武忠祥考研
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国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国
中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
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O O O O O O O O O O O
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国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
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O O O O O O O O O O O
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O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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大 大 大 x x(t)大 大 大 大 大 大 大 大
国 若曲线国由参数方程国 国给出, 则 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
y y(t)
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O xy xy O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
3
2 2
国 国 ( x y 国 ) 2 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
x 2 y 2 a b 2 2ab
例2C 计算椭圆 C 在C点 C 处的曲率C. C C C C C C
O O 1 O ( , O ) O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M a 2 b 2 M 2 M 2 M M 3 M M M M M
(a 2 b 2 ) 2
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC
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武忠祥考研
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O O O O O O O O O O O
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C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
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O O O O O O O O O O O
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O O O O O O O O O O O
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
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国 三、曲率国圆与曲率半国 径 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
D(,)
y
C C C C C C C C C C C
设O M 为曲线O C 上任一O点 , 在点 O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国M 处作曲国线的切线和国 法线,在曲 国 线 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 T 中 中 中 中 中
R
的凹向一侧法线上取点 D 使 C
C C C C C C C C C C C
M (x, y)
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M1 M M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大DM R大 大 O 大 大 x 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 K 中 中 中 中 中 中 中 中
把以 D 为中心, R 为半径的圆叫做曲线在点 M 处的
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
曲M率圆 ( 密切M圆 ) , R M叫做曲率半M径, D 叫做M曲率中心M. M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
在点M 处曲率圆与曲线有下列密切关系:
CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC
(OO1) 有公切线OO; (2) 凹OO向一致; OO (3) 曲率OO相同 . OO OO OO OO OO OO
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM MM
武忠祥考研
学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学 学学
大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大 大大
国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国
中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
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中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
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M M M M M M M M M M M
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国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 内容小中 结 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
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大 大 大 大 大 大 大 大 大 大 大
国 1. 弧长国微分 ds 国 1 y 2 d 国 x 或 ds 国 (dx) 2 (d国y) 2 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
C C C C C C C C C C C
O O dO yO O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M 2. 曲率公 M 式 K M M M M M M M M M
学 学 学 学 学 学 学 学 学 学 学
3
大 大 大 ds 大 2 大 大 大 大 大 大 大
国 国 国 (1国 y ) 2 国 国 国 国 国 国 国
中 中 中 中 中 中 中 中 中 中 中
3. 曲率圆
C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
学 学 学 学 3 学 学 学 学 学 学 学
2
大 大 大 (1 y大 ) 2 大 大 大 大 大 大 大
1
国 国 国 国 国 国 国 国 国 国 国
中 曲率中 半径 R中 中 中 中 中 中 中 中 中
y
K
CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC CC
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO OO
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武忠祥考研
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国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国
中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中C C C C C C C C C C C
O O O O O O O O O O O
O O O O O O O O O O O
M M M M M M M M M M M
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M作业 M : ; M; M M M M M M M M
P176 1 3 5;
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武忠祥考研
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国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国 国国
中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中 中中