副法向量(binormal vector)
空間中的曲線,如螺旋彈簧或雲霄飛車軌道,不只在一個平面內彎曲——它還能扭出那個平面,像螺絲起子般上升。要度量這扭轉,你先需要一個參照:垂直於曲線當下轉彎所在平面的方向。副法向量正好提供這個。它是密切平面的法向量,是從曲線此刻所環繞的那片平坦圓盤上筆直豎起的單位箭頭。
它由你已有的兩個標架向量用外積建成:B = T x N。因 T 與 N 是互相垂直的單位向量,其外積 B 自動是垂直於兩者的單位向量,而 T、N、B 三者構成一組右手正交歸一三元組,宛如隨移動點一起攜帶的 (x, y, z) 軸。由 T 與 N 張出的平面是密切平面;B 是它的法向量。當你沿曲線前進,B 傾斜的方式度量密切平面本身在空間中如何轉動——而那傾斜的速率就是撓率。事實上 B'(s) = -tau N,故副法向量只沿 N 方向變化,速率等於撓率 tau。
它在何處要緊:B 正是使空間曲線的幾何比平面曲線豐富之處。對平坦(平面)曲線,密切平面從不改變,故 B 是常向量、撓率處處為零——扭轉正是 B 所偵測的。N 所承襲的誠實提醒在此同樣適用:B 由 N 建成,故凡曲率為零之處皆無定義(那裡並無被特別選出的密切平面)。且如標架其餘成員,B 依賴定向;反向行進可能翻轉左右手的記帳,故須固定約定 B = T x N 並一致追蹤。
圓螺旋線 r(t) = (cos t, sin t, t) 一邊轉一邊上升。其密切平面穩定傾斜,副法向量 B 與垂直軸成固定夾角,緩緩繞之進動。此處撓率 tau 是個非零常數,正是「此曲線以穩定速率扭出任一單一平面」的陳述。
B = T x N 補成右手標架;B 如何傾斜就是撓率。
對平面曲線,副法向量是常向量、撓率為零——B 唯有在三維才變得有趣。如同 N,副法向量在曲率為零之處沒有定義,因為那裡未定出密切平面。