曲線的微分幾何

正則曲線(regular curve)

當沿著鐵絲爬行的小蟲從不完全停下,牠的運動便平順而良好,每一瞬間都有明確的行進方向。正則曲線正是滿足這「不停步」條件的參數曲線。「正則」一詞的用意,是排除那些會讓切線、法線與曲率的機制卡住的壞時刻。

精確地說,參數曲線 r(t) 是正則的,若其速度向量永不為零:對任何允許的 t,r'(t) 都不是零向量,等價地處處 |r'(t)| > 0。為何重要?因為行進方向就是 r'(t) 的方向,而你無法指向「零向量的方向」。在 r'(t) = 0 的點,曲線可以停下並反向,形成稱為尖點(cusp)的銳角,即使公式 x(t)、y(t) 完全光滑亦然。經典例子是 r(t) = (t^2, t^3):此處 r'(t) = (2t, 3t^2),在 t = 0 時為 (0, 0),而該曲線在原點確實有一個尖點。正則性是個乾淨的條件,保證每一點都有良好定義的切線。

這裡有兩個層次值得誠實說明。光滑性(座標函數可微分)關乎公式;正則性(速度永不為零)是關於速率的額外要求。一條曲線可以在公式上完全光滑,卻不是正則的,於是可能出現尖角。一旦曲線是正則的,你便可自由地以弧長重新參數化,並在其上建立整套福雷內-塞雷機制;正則性是進入整個曲線局部理論的入場券。

r(t) = (t^2, t^3) 是光滑的(兩座標皆為多項式)卻不正則:在 t = 0 時速度 r'(0) = (0, 0)。其像在原點有一銳利的尖點,那裡不存在單一的切線方向。相對地 r(t) = (cos t, sin t) 處處 |r'(t)| = 1,故為正則,每一點都有乾淨的切線。

光滑的公式仍可能藏著尖點;正則性(非零速度)禁止它。

正則不等於光滑。光滑指座標函數可微分;正則再加上速度永不為零。唯有正則性才保證切線存在,並讓你能以弧長重新參數化。

又称
smooth regular curveimmersed curve正規曲線