曲線的微分幾何

帶號曲率(signed curvature)

普通曲率永遠是正數(或零):它告訴你曲線彎得多尖,卻不告訴你彎向哪邊。然而對畫在平面上的曲線,有額外資訊可用——一個彎可以彎向你行進方向的左邊或右邊。帶號曲率正是保留這左右資訊的細化,藉附上正負號達成,使向左彎的路得到一個號、向右彎的路得到另一個號。

正負號這樣決定。對以選定方向行進的平面曲線,立起單位切向量 T,再把它逆時針轉四分之一圈得到單位法向量 n(這個 n 由定向決定,不同於永遠指向凹側的主法向量)。帶號曲率 kappa_s 由 T'(s) = kappa_s n 定義。若曲線朝 n 轉(向行進方向的左邊),kappa_s 為正;若朝另一邊轉,kappa_s 為負。其絕對值即普通曲率,|kappa_s| = kappa。座標下的便利公式是 kappa_s = (x' y'' - y' x'') / (x'^2 + y'^2)^(3/2)——與普通曲率公式相同但無絕對值,故分子的正負號得以保留。在反曲點,曲線由彎向一邊轉為彎向另一邊,kappa_s 過零並變號。

帶號曲率正是平面曲線整體理論的恰當工具。它的總累積——沿封閉曲線對弧長積分 kappa_s——度量切線淨轉動量,等於 2 pi 乘轉數(旋轉指標),即霍普夫繞行定理的內容;對簡單封閉凸曲線,這個總和恰為 2 pi。兩點誠實的提醒。其一,正負號是繫於定向的約定:反向行進這條曲線,每個 kappa_s 都變號,故唯有固定定向後正負號才有意義。其二,帶號曲率是平面曲線專有——空間曲線沒有它,因為在三維中沒有標準的「左對右」,這也是空間曲線需要撓率作為另一獨立量的原因之一。

由左而右描繪正弦波 y = sin x。在隆起的波峰處(x 軸上方靠近峰頂)曲線彎向一邊、kappa_s 為一號;在波谷處則彎向相反、kappa_s 為另一號。在每個穿越 x 軸的反曲點,kappa_s = 0 且正負號翻轉。

帶號曲率記錄曲線彎向哪邊;它在反曲點處消失並變號。

帶號曲率僅存在於平面曲線,其正負號依賴所選定向——反向行進會翻轉每個號。空間曲線沒有帶號曲率;三維中沒有標準的左右之分,撓率因而取而代之。

又称
oriented curvaturethe quantity kappa with sign有號曲率符號曲率