background image

1

Funkcje wektorowe jednej zmiennej

Niech

I

R

będzie dowolnym przedziałem. Funkcję

~

I → R

nazywamy funkcją wektorową jednej zmiennej.

Funkcję taką zapisujemy w postaci:

~

r(t) = [ x(t), y(t), z(t) ]

dla

t ∈ I

.

Jeżeli początek każdego z wektorów

~

r(t)

dla

t ∈ I

zaczepimy we

wspólnym punkcie

O

, to zbiór punktów

M

, będących końcami

tych wektorów, nazywamy hodografem funkcji wektorowej

~

r

.

Hodograf jest więc obrazem przedziału

I

i na ogół przedstawia

pewną krzywą.

background image

2

~

r(t

0

) =

~

OM

Przykład

Znaleźć hodograf funkcji wektorowej:

a)

~

r(t) = [ 1 − 2t, 3 + t, −4 + 5,

t ∈ R

b)

~

r(t) = [ 5 cos t, 5 sin t, −1 ] ,

t ∈ [02π]

background image

3

Granica i ciągłość funkcji wektorowej

Definicja

Wektor stały

~a = [a

1

, a

2

, a

3

]

nazywamy granicą

funkcji wektorowej

~

r(t) = [ x(t), y(t), z(t) ]

w punkcie

t

0

∈ I

,

jeżeli

a

1

= lim

t→t

0

x(t),

a

2

= lim

t→t

0

y(t),

a

3

= lim

t→t

0

z(t).

Piszemy

~a = lim

t→t

0

~

r(t).

Przykład

Obliczyć granicę funkcji wektorowej

~

r(t)

w punkcie

t

0

= 0

, jeżeli

~

r(t) =


sin t

t

, e

t

− (1 + t)

1

t


.

background image

4

Definicja

Funkcja wektorowa

~

r(t)

jest ciągła w punkcie

t

0

∈ I

,

jeżeli

lim

t→t

0

~

r(t) = ~

r(t

0

).

Fakt

Funkcja wektorowa

~

r(t) = [ x(t), y(t), z(t) ]

jest ciągła

w punkcie

t

0

∈ I

wtedy i tylko wtedy, gdy funkcje skalarne

x(t), y(t), z(t)

są ciągłe w punkcie

t

0

∈ I

.

Definicja

Funkcja wektorowa

~

r(t)

jest ciągła w zbiorze

I

0

⊂ I

,

jeżeli jest ona ciągła w każdym punkcie zbioru

I

.

background image

5

Pochodna funkcji wektorowej

Definicja

Załóżmy, że funkcje

x(t), y(t), z(t)

są różniczkowalne w

punkcie

t

0

∈ I

. Wówczas funkcja wektorowa

~

r(t) = [ x(t), y(t), z(t) ]

jest różniczkowalna w punkcie

t

0

∈ I

oraz

~

r

0

(t

0

) =

"

x

0

(t

0

), y

0

(t

0

), z

0

(t

0

)

#

.

Uwaga

W mechanice pochodną względem czasu oznacza się za

pomocą kropki:

~

r

0

(t

0

) =



~

(t

0

).

background image

6

Interpretacja geometryczna pochodnej funkcji wektorowej

Jeżeli



~

(t

0

6~0

, to pochodna



~

(t

0

)

jest wektorem stycznym do

hodografu funkcji wektorowej

~

r(t)

w punkcie

M

0

~

OM

0

~

r(t

0

)

.

Zwrot wektora



~

(t

0

)

jest zgodny z orientacją hodografu.

background image

7

Reguły różniczkowania funkcji wektorowej

C · ~

)

0

C · ~

r

0

f · ~

)

0

f

0

· ~r f · ~r

0

~

r

1

~

r

2

)

0

~

r

1

0

~

r

2

0

~

r

1

◦ ~r

2

)

0

~

r

1

0

◦ ~r

2

~

r

1

◦ ~r

2

0

~

r

1

× ~r

2

)

0

~

r

1

0

× ~r

2

~

r

1

× ~r

2

0

Pochodne wyższych rzędów

~

r

00

(t) =

 

~

r

0

(t)

!

0

~

r

000

(t) =

 

~

r

00

(t)

!

0

background image

8

Definicja

Łukiem gładkim nazywamy hodograf funkcji wektorowej

~

: [a, b→ R

, która jest ciągła na

[a, b]

oraz różnowartościowa i

różniczkowalna na

(a, b)

, przy czym dla każdego

t ∈ (a, b)

zachodzi

~

r

0

(t6= 0

.

Równanie prostej stycznej do łuku gładkiego

L

w punkcie

M

0

Jeżeli łuk gładki

L

dany jest równaniem

~

r(t)

, dla

t ∈ [a, b]

i

~

OM

0

~

r(t

0

)

,

t

0

∈ (a, b)

, to równanie prostej stycznej do łuku

gładkiego

L

w punkcie

M

ma postać:

~

~

r(t

0

) + s ~

r

0

(t

0

),

s ∈ R

Przykład

Napisz równanie prostej stycznej do hodografu funkcji

~

r(t) = [ cos 2t , sin t , tg t−1 ]

w punkcie odpowiadającym parametro-

wi

t

0

=

π

.

background image

9

Trójścian Freneta

Niech

L

będzie zorientowanym łukiem gładkim klasy C

2

o równaniu

~

~

r(t),

t ∈ [a, b]

, przy czym orientacja łuku

L

jest zgodna z

jego parametryzacją. Załóżmy ponadto, że dla każdego

t ∈ (a, b)

~

r

0

(t× ~

r

00

(t6= 0

.

Wówczas w punkcie

M

0

∈ L

można zaczepić trzy wzajemnie

prostopadłe wektory:

~

(t

0

) = ~

r

0

(t

0

)

- wektor styczny

~

B(t

0

) = ~

r

0

(t

0

× ~

r

00

(t

0

)

- wektor binormalny

~

(t

0

) = ~

B(t

0

× ~

(t

0

)

- wektor normalny

Wektory te wyznaczają trzy wzajemnie prostopadłe proste, przecina-

jące się w punkcie

M

0

∈ L

oraz trzy wzajemnie prostopadłe

płaszczyzny, przechodzące przez ten punkt.

background image

10

background image

11

• Prosta styczna

~

~

r(t

0

) + s ~

(t

0

),

s ∈ R

Jeżeli

~

r(t

0

) = [ x(t

0

), y(t

0

), z(t

0

) ]

i

~

(t

0

) = [T

1

, T

2

, T

3

]

, to

x(t

0

) + s T

1

y(t

0

) + s T

2

z(t

0

) + s T

3

s ∈ R

• Prosta binormalna

~

~

r(t

0

) + s ~

B(t

0

),

s ∈ R

Jeżeli

~

r(t

0

) = [ x(t

0

), y(t

0

), z(t

0

) ]

i

~

B(t

0

) = [B

1

, B

2

, B

3

]

, to

background image

12

x(t

0

) + s B

1

y(t

0

) + s B

2

z(t

0

) + s B

3

s ∈ R

• Prosta normalna

~

~

r(t

0

) + s ~

(t

0

),

s ∈ R

Jeżeli

~

r(t

0

) = [ x(t

0

), y(t

0

), z(t

0

) ]

i

~

(t

0

) = [N

1

, N

2

, N

3

]

, to

x(t

0

) + s N

1

y(t

0

) + s N

2

z(t

0

) + s N

3

s ∈ R

background image

13

• Płaszczyzna ściśle styczna

~

~

r(t

0

) + s

1

~

(t

0

) + s

2

~

(t

0

),

s

1

, s

2

∈ R

B

1

x − x(t

0

) ) + B

2

y − y(t

0

) ) + B

3

z − z(t

0

) ) = 0

• Płaszczyzna normalna

~

~

r(t

0

) + s

1

~

B(t

0

) + s

2

~

(t

0

),

s

1

, s

2

∈ R

T

1

x − x(t

0

) ) + T

2

y − y(t

0

) ) + T

3

z − z(t

0

) ) = 0

• Płaszczyzna prostująca

~

~

r(t

0

) + s

1

~

(t

0

) + s

2

~

B(t

0

),

s

1

, s

2

∈ R

N

1

x − x(t

0

) ) + N

2

y − y(t

0

) ) + N

3

z − z(t

0

) ) = 0

background image

14

Przykład Napisz równania prostych i płasczyzn trójścianu Freneta

krzywej

L

w punkcie

M

0

(000)

:

:

x(t) = sin t,

y(t) = cos t,

z(t) = t e

t

Przykład

Napisać równanie prostej binormalnej do krzywej

L

w

punkcie

(12, −1)

:

:

3x

2

y − z,

x

2

z

Przykład

W jakich punktach prosta styczna do krzywej

L

:

x(t) = 3t − t

3

,

y(t) = 3t

2

,

z(t) = 3t

2

jest równoległa do płaszczyzny

3+ 2 = 0

?

background image

15

Wersory Trójścianu Freneta

Niech wektory

~

T , ~

B , ~

N

będą wektorami trójścianu Freneta w

punkcie

M

krzywej

~

~

r(t)

. Wówczas

~t =

~

T

| ~

T |

~b =

~

B

| ~

B|

~

=

~

N

| ~

N |

nazywamy wersorami trójścianu Freneta.

Przykład

Wyznacz

wersory

trójścianu

Freneta

krzywej

x

2

y

2

= 2x, z x

w punkcie

(111)

background image

16

Krzywizna, promień krzywizny

Definicja Niech

L

będzie łukiem głdkim klasy

C

o parametryzacji

~

~

r(t)

. Liczbę rzeczywistą

κ(t) =





~

r

0

(t× ~

r

00

(t)





| ~r

0

(t|

3

nazywamy krzywizną krzywej

L

w punkcie

~

OM ~

r(t)

.

Odwrotność krzywizny, tj.

R(t) =

1

κ(t)

nazywamy promieniem krzywizny.

Przykład Wyznaczyć krzywiznę i promień krzywizny spirali stożkowej:

~

r(t) = [ cos t , t sin t , t ]

w punkcie

= 0

.

background image

17

Okrąg ściśle styczny

Definicja

Środkiem krzywizny krzywej

L

w punkcie

~

OM =

~

r(t)

nazywamy punkt

S

taki, że

~

OS ~

r(t) + R(t· ~

n(t)

Definicja

Okręgiem ściśle stycznym do krzywej

L

w punkcie

M

nazywamy okrąg, leżący w płaszczyźnie ściśle stycznej, o środku

w punkcie

S

i promieniu

R(t)

.

Przykład

Wyznaczyć środek krzywizny krzywej

y − x

2

=

0, z − x

3

= 0

w punkcie

(000)

. Napisać równanie okręgu ściśle

stycznego.

background image

18

Przykład

Wykazać, że krzywa

~

r(t) =




1

2

+

1

2

sin t , −

1

2

+

1

2

sin t ,

1

2

cos t




jest okręgiem. Znaleźć promień i środek tego okręgu.

Definicja

Punkty krzywej

~

~

r(t)

, dla których

κ(t) = 0

,

nazywamy punktami wyprostowania krzywej

L

.

Przykład

Znaleźć punkty wyprostowania krzywej:

~

r(t) = [ sin t , sin 3t , t ]

background image

19

Skręcenie krzywej

Definicja Niech

L

będzie łukiem głdkim klasy

C

o parametryzacji

~

~

r(t)

. Liczbę rzeczywistą

σ(t) =

"

~

r

0

(t× ~

r

00

(t)

#

◦ ~r

000

(t)

| ~r

0

(t× ~

r

00

(t|

2

nazywamy krzywizną krzywej

L

w punkcie

~

OM ~

r(t)

.

Przykład

Wyznaczyć skręcenie krzywej

~

r(t) =

3t − t

3

sin 3t

2

3t

3

w punkcie odpowiadającym

t

0

= 0

. Wykazać, że krzywizna i

skręcenie tej krzywej w każdym jej punkcie są sobie równe.

background image

20

Definicja

Punkty krzywej

~

~

r(t)

, dla których

σ(t) = 0

,

nazywamy punktami spłaszczenia krzywej

L

.

Uwaga

Jeżeli w każdym punkcie krzywej

L

σ(t) = 0

, to

krzywa jest krzywa płaską.

Przykład

Wykazać, że krzywa

~

r(t) =

1 + 3+ 2t

2

− 2+ 5t

2

− t

2

jest płaska oraz wyznaczyć płaszczyznę, w której leży dana krzywa.