曲線的微分幾何

密切圓(osculating circle)

/ OSS-kew-lay-ting /

在曲線上任一點,於你能畫的所有圓中,恰有一個比其餘任何圓都更貼合曲線——不只吻合該點與方向,連彎曲的速率也吻合。那個最佳貼合圓就是密切圓。其名源自拉丁文 osculari,「親吻」之意:它是親吻曲線的圓,在該處共享所能達到最親密的接觸。切線是最佳的直線近似,密切圓則是最佳的圓近似。

精確地說,在曲率為 kappa(設 kappa 不為零)的曲線上一點 P,密切圓是唯一一個在 P 處與曲線有相同切線、且有相同曲率的圓。其半徑為 R = 1/kappa,稱為曲率半徑,其圓心位於從 P 沿主法向量 N 方向距離 R 之處——即在彎道的凹(內)側,位於點 P + R N。所以尖銳彎曲處(kappa 大)得到小親吻圓,近乎筆直處(kappa 小)得到極大的圓,而完全筆直的一段(kappa = 0)得到「無窮半徑的圓」,即切線本身。具體求法:在 P 算 kappa,令 R = 1/kappa,求 N,把圓心放在 P + R N。

密切圓使曲率變得可見可觸:kappa = 1/R 字面上說曲率是親吻圓半徑的倒數,所以你能藉觀察一條曲線密切圓的緊密程度而看見它的曲率。當 P 沿曲線移動時,所有密切圓圓心所描的軌跡是一條新曲線,稱為漸屈線。關於「親吻」一詞有一個誠實的細微處:密切圓在接觸點處通常穿過曲線,而非停在一側,因為它與曲線吻合到二階——位置、斜率與彎曲皆一致——這比切線貼合得近得多,足以使它穿越而過,而非僅僅相觸。

對拋物線 y = x^2 在其頂點 (0, 0),曲率為 kappa = 2,故曲率半徑 R = 1/2。主法向量筆直朝上,故密切圓圓心為 (0, 1/2)、半徑 1/2——即圓 x^2 + (y - 1/2)^2 = 1/4,安臥於拋物線底部彎曲之內。

親吻圓:相同切線、相同曲率、半徑 R = 1/kappa、圓心在 P + R N。

儘管名為「親吻」,密切圓在接觸點通常穿過曲線,而非從一側相觸,因為它吻合到二階。在曲率為零處沒有有限的密切圓——該角色由切線扮演。

又称
circle of curvaturekissing circle曲率圓親吻圓