المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9761 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر
النظام الإقليمي العربي
2024-11-06
تربية الماشية في جمهورية كوريا الشعبية الديمقراطية
2024-11-06
تقييم الموارد المائية في الوطن العربي
2024-11-06
تقسيم الامطار في الوطن العربي
2024-11-06
تربية الماشية في الهند
2024-11-06
النضج السياسي في الوطن العربي
2024-11-06


Curvature  
  
2603   12:36 مساءً   date: 29-9-2018
Author : Casey, J
Book or Source : Exploring Curvature. Wiesbaden, Germany: Vieweg, 1996.
Page and Part : ...


Read More
Date: 22-8-2019 1406
Date: 12-10-2018 1447
Date: 15-5-2019 1763

Curvature

In general, there are two important types of curvature: extrinsic curvature and intrinsic curvature. The extrinsic curvature of curves in two- and three-space was the first type of curvature to be studied historically, culminating in the Frenet formulas, which describe a space curve entirely in terms of its "curvature," torsion, and the initial starting point and direction.

After the curvature of two- and three-dimensional curves was studied, attention turned to the curvature of surfaces in three-space. The main curvatures that emerged from this scrutiny are the mean curvature, Gaussian curvature, and the shape operator. Mean curvature was the most important for applications at the time and was the most studied, but Gauss was the first to recognize the importance of the Gaussian curvature.

Because Gaussian curvature is "intrinsic," it is detectable to two-dimensional "inhabitants" of the surface, whereas mean curvature and the shape operator are not detectable to someone who can't study the three-dimensional space surrounding the surface on which he resides. The importance of Gaussian curvature to an inhabitant is that it controls the surface area of spheres around the inhabitant.

Riemann and many others generalized the concept of curvature to sectional curvature, scalar curvature, the Riemann tensor, Ricci curvature tensor, and a host of other intrinsic and extrinsic curvatures. General curvatures no longer need to be numbers, and can take the form of a map, group, groupoid, tensor field, etc.

The simplest form of curvature and that usually first encountered in calculus is an extrinsic curvature. In two dimensions, let a plane curve be given by Cartesian parametric equations x=x(t) and y=y(t). Then the curvature kappa, sometimes also called the "first curvature" (Kreyszig 1991, p. 47), is defined by

kappa = (dphi)/(ds)

(1)

= ((dphi)/(dt))/((ds)/(dt))

(2)

=

(3)

=

(4)

where phi is the tangential angle and s is the arc length. As can readily be seen from the definition, curvature therefore has units of inverse distance. The dphi/dt derivative in the above equation can be found using the identity

tanphi = (dy)/(dx)

(5)

= (dy/dt)/(dx/dt)

(6)

=

(7)

so

(8)

and

(dphi)/(dt) = 1/(sec^2phi)d/(dt)(tanphi)

(9)

=

(10)

=

(11)

=

(12)

Combining equations (◇), 3), (10), and (12) then gives

(13)

For a two-dimensional curve written in the form y=f(x), the equation of curvature becomes

(14)

If the two-dimensional curve is instead parameterized in polar coordinates, then

(15)

where r_theta=partialr/partialtheta (Gray 1997, p. 89). In pedal coordinates, the curvature is given by

 kappa=1/r(dp)/(dr).

(16)

The curvature for a two-dimensional curve given implicitly by g(x,y)=0 is given by

(17)

(Gray 1997).

Now consider a parameterized space curve r(t) in three dimensions for which the tangent vector  is defined as

(18)

Therefore,

(dr)/(dt) =

(19)

(d^2r)/(dt^2) =

(20)

=

(21)

where N^^ is the normal vector. But

=

(22)

=

(23)

so taking norms of both sides gives

(24)

Solving for kappa then gives

kappa =

(25)

=

(26)

=

(27)

(Gray 1997, p. 192).

The curvature of a two-dimensional curve is related to the radius of curvature of the curve's osculating circle. Consider a circlespecified parametrically by

 x=acost

(28)

 y=asint

(29)

which is tangent to the curve at a given point. The curvature is then

(30)

or one over the radius of curvature. The curvature of a circle can also be repeated in vector notation. For the circle with 0<=t<2pi, the arc length is

s(t) =

(31)

=

(32)

= at,

(33)

so t=s/a and the equations of the circle can be rewritten as

 x=acos(s/a)

(34)

 y=asin(s/a).

(35)

The radius vector is then given by

(36)

and the tangent vector is

= (dr)/(ds)

(37)

=

(38)

so the curvature is related to the radius of curvature a by

kappa =

(39)

=

(40)

=

(41)

= 1/a,

(42)

as expected.

Four very important derivative relations in differential geometry related to the Frenet formulas are

r^. = T

(43)

r^.. = kappaN

(44)

r^... =

(45)

=

(46)

where T is the tangent vector, N is the normal vector, B is the binormal vector, and tau is the torsion (Coxeter 1969, p. 322).

The curvature at a point on a surface takes on a variety of values as the plane through the normal varies. As kappa varies, it achieves a minimum and a maximum (which are in perpendicular directions) known as the principal curvatures. As shown in Coxeter (1969, pp. 352-353),

(47)

(48)

where K is the Gaussian curvature, H is the mean curvature, and det denotes the determinant.

The curvature kappa is sometimes called the first curvature and the torsion tau the second curvature. In addition, a third curvature(sometimes called total curvature)

(49)

is also defined. A signed version of the curvature of a circle appearing in the Descartes circle theorem for the radius of the fourth of four mutually tangent circles is called the bend.


REFERENCES:

Casey, J. Exploring Curvature. Wiesbaden, Germany: Vieweg, 1996.

Coxeter, H. S. M. Introduction to Geometry, 2nd ed. New York: Wiley, 1969.

Fischer, G. (Ed.). Plates 79-85 in Mathematische Modelle aus den Sammlungen von Universitäten und Museen, Bildband. Braunschweig, Germany: Vieweg, pp. 74-81, 1986.

Gray, A. "Curvature of Curves in the Plane," "Drawing Plane Curves with Assigned Curvature," and "Drawing Space Curves with Assigned Curvature." §1.5, 6.4, and 10.2 in Modern Differential Geometry of Curves and Surfaces with Mathematica, 2nd ed. Boca Raton, FL: CRC Press, pp. 14-17, 140-146, and 222-224, 1997.

Kreyszig, E. "Principal Normal, Curvature, Osculating Circle." §12 in Differential Geometry. New York: Dover, pp. 34-36, 1991.

Yates, R. C. "Curvature." A Handbook on Curves and Their Properties. Ann Arbor, MI: J. W. Edwards, pp. 60-64, 1952.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.