Differentialgeometrie von Raumkurven

  1. Raumkurven
  2. Frenet-Frame
  3. Krümmung und Torsion
  4. Frenet-Formeln

Raumkurven

Kurven (= eindimensionale Linien, eindimensioanle Mannigfaltigkeiten) im dreidimensionalen Raum werden meist in Parameterform dargestellt.
r(t) = x(t)i + y(t)j + z(t)k
Dabei ist t der laufende Parameter. Häufig werden Kurven nach der Zeit parametrisiert (t), aber auch Parametrisierung nach der Bogenlänge ist gebräuchlich. Diese wird mit meist mit s bezeichnet.
Die Ableitungen nach t werden mit Punkten gekennzeichnet, die nach s wie gewohnt mit Strichen.

Frenet-Frame

Das Frenet-Frame ist eine orthogonale Koordinatenbasis, die an jedem Punkt der Kurve gesondert definiert ist (begleitendes Dreibein). Es besteht aus dem Tangentialvektor t, dem Normalvektor n und der Binormalen b. t und n spannen die Schmiegebene der Kurve im betrachteten Punkt auf. b steht normal auf diese Ebene und wird i. a. so orientiert, daß t, n und b ein Rechtssystem bilden.

Die drei Vektoren werden wie folgt definiert:
Bild: Def. Frenet Bild: Raumkurve/Schmiegebene/Frenetsystem


Krümmung und Torsion

In jedem Punkt der Kurve gibt es einen Kreis, der die Kurve dort am besten approximiert (Krümmungskreis). Die Krümmung K ist definiert als der Reziprokwert des Radius dieses Kreises. Je größer der Radius ist, desto kleiner ist also die Krümmung. Eine Gerade hat daher die Krümmung 0. Es gilt: K = abs(r'')

Während die Krümmung angibt, wie stark die Kurve von einer Geraden abweicht, gibt die Torsion an, wie stark sich die Kurve aus der jeweiligen Schmiegebene "herausdreht" (siehe Zeichnung oben bei Frenet-Frame)

Falls die Kurve (lokal) eine Gerade ist, ist die Schmiegebene nicht eindeutig definiert. Daher existieren auch unendlich viele Frenet-Frames, deren erster Vektor in der Tangente liegt. Die Krümmung und die Torsion sind in einem solchen Punkt gleich 0.


Frenet-Formeln

Die lokale Änderung des begleitenden Dreibeins hängt natürlich eng mit dem Verlauf der Kurve im betrachteten Punkt zusammen, d.h. mit Krümmung K und Torsion T:

t' = Kn
n' = -Kt + Tb
b' = -Tn


weiter zu den Literaturverweisen
zurück zu Eigenwert und -vektor
Mathematische Grundlagen Übersicht