重新參數化(reparametrization)
若兩人沿同一條步道而行,卻各帶自己的手錶、用各自的步速,他們便以不同的時間表描述了同一條路徑。在保持路徑本身不變的前提下,把一份時間表換成另一份,就是重新參數化。它是「同一曲線、不同時間表」的正式說法,也是讓我們分辨曲線哪些特徵是真幾何、哪些只是描繪方式之偶然產物的工具。
精確地說,給定在某區間上定義的參數曲線 r(t),重新參數化是一條新曲線 r-tilde(s) = r(t(s)),其中 t = t(s) 是一個光滑且具光滑反函數的函數,把新參數 s 換算為舊參數 t。使之合法的條件是 t'(s) 永不為零——它必須恆正(保持行進方向)或恆負(將其反向)。由連鎖律得新速度為 r-tilde'(s) = r'(t) t'(s):方向不變(或恰好反向),只有速率被重新縮放。其像——走過的點集——完全相同。例如由 r(t) = (cos t, sin t) 令 t = 2s,得 r-tilde(s) = (cos 2s, sin 2s),即以兩倍速描出的同一個圓。
重新參數化是曲線理論核心策略背後的引擎:因為你可自由地為正則曲線重排時間表,你便能選出最乾淨的那一份,即弧長參數化,其中速率恆為 1。凡能挺過每一次重新參數化的量——如像、切線與曲率——才是真正的幾何不變量;會改變的量,如速率 |r'(t)| 或某點的特定 t 值,只是記帳。誠實的提醒:把方向翻轉的重新參數化(t'(s) < 0)會反轉單位切向量,且對平面曲線會翻轉帶號曲率的正負號,所以定向是你必須記住的真實選擇。
取直線 r(t) = (t, 2t)。以 t = s/5 重新參數化,得 r-tilde(s) = (s/5, 2s/5)。其像為同一條直線。新速率為 |r-tilde'(s)| = |(1/5, 2/5)| = sqrt(5)/5 = 1/sqrt(5),是個常數——這其實就是弧長參數化,點以單位速率移動。
重新縮放參數改變速率卻從不改變路徑;選 t'(s) > 0 保持方向。
合法的重新參數化需 t'(s) 處處不為零。若全程 t'(s) > 0 則保持定向;若 t'(s) < 0 則反向行進,翻轉單位切向量 T 與平面曲線曲率的正負號。