mały|250px|Krzywa przestrzenna, wektory T t, N n, B b i płaszczyzna ściśle styczna rozpięta na wektorach T, N i o wektorze normalnym B.

Wzory Fréneta, wzory Fréneta-Serreta – wzory wyrażające zależności pomiędzy wektorami tworzącymi krawędzie tzw. trójścianu Freneta, zaczepionymi w pewnym punkcie badanej krzywej i określającymi jej geometryczne własności przestrzenne w tym punkcie.

Zapis wektorowy W zapisie wektorowym wzory Freneta mają następującą postać

gdzieВ.И. Смирнов, Курс высшей математики, t. 2, Гос. Издат. технико-теоретичесҝой литературы, Мосҝва-Ленинград 1951.: – parametr naturalny krzywej (długość łuku), – wektor wodzący punktu na krzywej, – wektor styczny, – wektor normalnej głównej, – wektor binormalny, – wektor krzywizny, – promień krzywizny, – krzywizna krzywej, – promień torsji krzywej (promień drugiej krzywizny), – torsja krzywej (druga krzywizna), – wektory normalne płaszczyzn: ściśle stycznej i prostującej.

Z punktem na krzywej przestrzennej można związać dwa lokalne układy ortogonalnych osi liczbowych. Pierwszy z nich jest nieruchomy, prawoskrętny i określony przez wersory Drugi prawoskrętny układ wersorów jest związany z krzywą i określa trzy istotne kierunki: styczny, normalny i binormalny. Dwa pierwsze wyznaczone są przez wersory

gdzie:

a trzeci jest definiowany wzorem

Jeżeli krzywa leży na płaszczyźnie o normalnej to wektor binormalnej do tej krzywej w każdym jej punkcie jest stały i Płaszczyzna jest w tym przypadku płaszczyzną ściśle styczną dla dowolnego punktu krzywej

W analizie przestrzennych właściwości krzywych istotną rolę odgrywają pochodne wersorów krawędzi trójścianu Freneta.

Na podstawie wzoru mamy

i różniczkując wzór , otrzymujemy

ponieważ i są kolinearne. Ponadto z wynika, że a ponieważ również

więc

gdzie jest torsją krzywej w punkcie określoną wzorem .

Teraz można już obliczyć pochodną normalnej głównej, korzystając ze wzoru

Poniższa tabelka zawiera kosinusy kierunkowe wersorów Freneta osi stycznej, normalnej i binormalnej z kierunkami osi x y z

Wzory dla pochodnych wersorów Freneta zestawiono poniżej.

Torsję krzywej można obliczyć, korzystając ze wzoru po uwzględnieniu i

dzięki temu, że

Torsja określona w dowolnym punkcie krzywej wzorem stanowi pewną miarę zwichrowania tej krzywej w bliskim otoczeniu punktu Polega ono na wychylaniu się krzywej z jej płaszczyzny ściśle do niej stycznej w tym punkcie. Gdy torsja ma wartość zerową krzywa w otoczeniu punktu jest płaska, bez zwichrowania.

Zapis parametryczny Dana jest krzywa przestrzenna opisana parametrycznie równaniamiF. Leja, Geometria analityczna, PWN, Warszawa 1954.

Na tej krzywej wyróżnimy dwa punkty odpowiadające dwom wartościom parametru Przez te punkty przechodzi sieczna opisana równaniem

Dzieląc mianowniki przez i przechodząc do granicy otrzymujemy równanie linii stycznej do krzywej w punkcie

gdzie przez oznaczono pochodne względem parametru liczone w punkcie

Równanie o postaci jest konsekwencją kolinearności wektorów i

Równanie płaszczyzny normalnej (prostopadłej) do krzywej w punkcie można zapisać w postaci iloczynu skalarnego wektora stycznego do niej z dowolnym wektorem leżącym w płaszczyźnie

Równanie płaszczyzny ściśle stycznej do krzywej w punkcie zapiszemy w postaci

Problem polega teraz na tym, aby określić współrzędne takiego wektora który byłby prostopadły do płaszczyzny ściśle stycznej

Rozważmy równanie takiej płaszczyzny na której leży styczna i która przechodzi przez punkt – a zatem każdy jej wektor jest prostopadły do

oraz każdy wektor leżący na płaszczyźnie jest prostopadły do

Wektor jest również prostopadły do wektora stycznego który leży na

Wykorzystując wzór Taylora zamiast , możemy napisać

gdzie

Po uwzględnieniu i otrzymujemy

Można teraz z i wyznaczyć niewiadome i na podstawie otrzymuje się, po przejściu do granicy

Tak więc wektor prostopadły do płaszczyzny ściśle stycznej ma współrzędne

Przez punkt krzywej przechodzą trzy wzajemnie prostopadłe płaszczyzny tworzące trójścian Freneta: ściśle styczna (o wektorze normalnym ) – równanie i , normalna (o wektorze normalnym ) – równanie , prostująca (o wektorze normalnym ) – prostopadła do dwu poprzednich. Jej równanie ma postać

Wektor jest prostopadły do obydwu wektorów i i dlatego muszą być spełnione dwa równania

Rozwiązanie równań i ma postać wzorów

Krawędziami trójścianu Freneta są proste: styczna – o wersorze i równaniu , normalna główna – o wersorze i prostopadła do płaszczyzny prostującej, określona równaniem

binormalna – o wersorze i prostopadła do płaszczyzny ściśle stycznej, określona równaniem

Zachodzą przy tym następujące tożsamości

Krzywizna i torsja krzywej Płaszczyzna normalna do krzywej w jej punkcie opisana jest równaniem

gdzie jest wektorem stycznym do krzywej w punkcie

Przecina ona normalną główną w punkcie o współrzędnych

Po podstawieniu do i uwzględnieniu otrzymujemy wartość parametru

określającą położenie punktu na kierunku normalnej głównej.

Po podzieleniu licznika i mianownika przez i po przejściu do granicy otrzymujemy

Gdy punkt dąży do punktu punkt dąży do punktu o współrzędnych

Po wykorzystaniu tożsamości otrzymujemy

Punkt o współrzędnych nazywany jest środkiem krzywizny krzywej w jej punkcie Miejscem geometrycznym środków krzywizny krzywej o współrzędnych jest krzywa zwana ewolutą krzywej

Odległość punktu od punktu jest tak zwanym promieniem krzywizny krzywej w jej punkcie Odległość tę oblicza się na podstawie wzorów po uwzględnieniu tożsamości

Krzywiznę krzywej określa wzór

Krzywizna nazywana jest pierwszą krzywizną krzywej dla odróżnienia jej od drugiej krzywizny nazywanej torsją krzywej. Torsja jest miarą skrętu krzywej związanego z obrotem trójścianu Freneta dokoła osi stycznej. Obrót ten można obliczyć, wprowadzając do rozważań jednostkowy wektor

dzięki któremu torsję można zdefiniować wzorem

przy czym

dzięki temu, że po uwzględnieniu tożsamości Lagrange’a

Na podstawie i dzięki temu, że otrzymujemy

Przykłady Elipsa

 -  ponieważ

Okrąg Na płaszczyźnie o normalnej:

 -  ponieważ

Spirala na walcu kołowym Linia śrubowa – krzywa „nawinięta” na walec o promieniu Spirala jest prawoskrętna wokoło osi

gdzie jest kątem nachylenia stycznej do osi pręta względem płaszczyzny kołowego przekroju walca,

stąd

Parabola płaska

Parabola przestrzenna

Zerowanie się torsji wynika również bezpośrednio z faktu, że Rozważana krzywa w całości leży na swojej płaszczyźnie ściśle stycznej o normalnej

Spirala Archimedesa

Spirala stożkowa Krzywa „nawinięta” na stożek kołowy.

Spirala na walcu eliptycznym Krzywa „nawinięta” na taki walec o półosiach

Sinusoida „nawinięta” na walec kołowy

Cykloida

Wzory Freneta w Wzory Freneta zostały uogólnione dla więcej wymiarowych przestrzeni euklidesowych przez C. Jordana w 1874 roku.

Przypuśćmy, że opisuje gładką krzywą w sparametryzowaną przez długość łuku oraz że pierwsze pochodnych jest liniowo niezależnych. Geometrycznie oznacza to, że krzywa nie zawiera się w żadnej hiperpłaszczyźnie o wymiarze (ani w żadnej płaszczyźnie o niższych wymiarach). Wektory układu Freneta są bazą ortogonalną skonstruowaną przy pomocy ortogonalizacji Grama-Schmidta wykonanej na wektorach

W szczególności, jednostkowy wektor styczny jest pierwszym wektorem układu Freneta

Wektor normalny czasami nazywany wektorem krzywizny, wskazuje odchylenie krzywej od stycznej linii prostej. Jest zdefiniowany jako

W standardowej formie, jednostkowy wektor normalny jest drugim wektorem układu Freneta i jest zdefiniowany jako

Wektor styczny i normalny w punkcie definiują płaszczyznę ściśle styczną w punkcie

Pozostałe wektory układu Freneta (wektor binormalny, trinormalny itd.) są zdefiniowane w sposób analogiczny jako:

Funkcje o wartościach rzeczywistych zdefiniowane jako:

są nazywane krzywiznami uogólnionymi, przy czym symbol oznacza iloczyn skalarny wektorów i

W przypadku n-wymiarowym wzory Fréneta-Serreta mają postać: dla

W języku macierzy wyglądają tak:

Zobacz też krzywizna krzywej ewoluta ewolwenta torsja krzywej Jean Frédéric Frenet

Przypisy

Bibliografia

Linki zewnętrzne [dostęp 2026-01-15].

Kategoria:Geometria różniczkowa