Długość łuku

Długość krzywej – wielkość charakteryzująca krzywą; jeśli jest ona dobrze określona, to daną krzywą nazywa się prostowalną lub rektyfikowalną.

Krzywą w przestrzeni euklidesowej można przybliżać łamaną o skończonej liczbie odcinków (można żądać, by ich końce leżały na krzywej; w szczególności, by końce łamanej pokrywały się z końcami krzywej), których długość łatwo obliczyć (np. za pomocą twierdzenia Pitagorasa) – długość całego przybliżenia jest wtedy sumą długości wszystkich odcinków.

Zwiększanie liczby odcinków (o krótszej długości) łamanej umożliwia lepsze przybliżanie krzywej. Długości kolejnych przybliżeń mogą rosnąć nieograniczenie, jednak istnieje klasa krzywych, dla których długości ich przybliżeń dążą do pewnej wartości wraz ze wzrostem liczby i skracaniem długości odcinków łamanej. Jeśli dla danej krzywej istnieje kres górny długości dowolnego jej przybliżenia wielomianowego, to wielkość tę nazywa się długością tej krzywej. Samą krzywą nazywa się wtedy prostowalną albo rektyfikowalną.

Definicja

Niech $C$ będzie krzywą w przestrzeni euklidesowej (lub ogólnie metrycznej) $X$. Istnieje wtedy funkcja ciągła $\gamma: [a, b] \rightarrow X$, nazywana parametryzacją, której obrazem jest krzywa $C$. Oznaczmy dalej $\gamma(t) = t'$ oraz długość $|ts|$ odcinka $ts$ daną jako odległość między punktami $t$ i $s$.

Z podziału odcinka $a = t_0 < t_1 < \ldots < t_{n-1} < t_n = b$ uzyskujemy skończony zbiór punktów $t'_0 < t'_1 < \ldots < t'_{n-1} < t'_n$ na krzywej $C$. Długość krzywej $C$ wyraża się wtedy wzorem:

$L_C = \sup \sum_{i = 1}^n \left|t'_{i-1}t'_i\right|$,

gdzie supremum (kres górny) wzięto po wszystkich podziałach odcinka $ab$ oraz $n$.

Dowodzi się, że wartość $L_C$ nie zależy od wyboru parametryzacji. Jeśli jest ona skończona, to krzywą $C$ nazywa się prostowalną (lub rektyfikowalną) i nieprostowalną (lub nierektyfikowalną) w przeciwnym przypadku.

Przypadki szczególne

Jeśli $\gamma$ spełnia warunek Lipschitza, to jest ona prostowalna. Wówczas można zdefiniować wielkość

$s(p) = \limsup_{t \to p} \frac{|t'p'|}{|tp|}$,

dzięki której można wyrazić długość krzywej $C$ sparametryzowanej za pomocą $\gamma$ wzorem:

$L_C = \int_a^b s(t)$.

Jeśli $\gamma$ jest różniczkowalna, to długość krzywej $C$ wyraża się wzorem:

$L_C = \int_a^b |d\gamma(t)| = \int_a^b \sqrt{1 + (d\gamma(t))^2}$.

Jeżeli krzywa płaska sparametryzowana jest w kartezjańskim układzie współrzędnych XY równaniami $x = f(t)$ oraz $y = g(t)$, gdzie funkcje $f$ i $g$ są gładkie, to długość tej krzywej opisuje wzór:

$L_C = \int_a^b \sqrt{(dx(t))^2 + (dy(t))^2}$.

We współrzędnych biegunowych $r = h(\theta)$ powyższy wzór przyjmuje postać

$L_C = \int_a^b \sqrt{r^2 + (dr(\theta)^2)}$

Przykład

Oblicz długość łuku cykloidy opisanej równaniem parametrycznym

$\left \{ \begin{array}{l} x(t)=a(t-\sin{t}) \\ y(t)=a(1-\cos{t})\end{array} \right.$, gdzie $a>0$ i $t \in [0; 2\pi]$

Rozwiązanie Obliczamy pochodne:

$\left \{ \begin{array}{l} x'(t)=a(1-\cos{t}) \\ y'(t)=a \sin{t} \end{array} \right.$

Podstawiamy do wzoru:

$L=\int\limits_{t_{1}}^{t_{2}} \sqrt{[x'(t)]^2+[(y'(t)]^2}\;dt$

czyli

$L=\int\limits_0^{2\pi} \sqrt{[a(1-\cos{t})]^2+[a\sin{t}]^2}\;dt= \int\limits_0^{2\pi} \sqrt{a^2(1-\cos{t})^2+a^2\sin^2{t}}\;dt =$

$=a\int\limits_0^{2\pi} \sqrt{1-2\cos{t}+\cos^2{t}+\sin^2{t}}\;dt=a\int\limits_0^{2\pi} \sqrt{1-2\cos{t}+1}\;dt =$

$=a\int\limits_0^{2\pi} \sqrt{2-2\cos{t}}\;dt=a\int\limits_0^{2\pi} \sqrt{2(1-\cos{t})}\;dt$

Korzystamy ze wzoru trygonometrycznego $1-\cos{t}=2\sin^2{\frac{t}{2}}$

$L=a\int\limits_0^{2\pi} \sqrt{4\sin^2{\frac{t}{2}}}\;dt=2a\int\limits_0^{2\pi} \bigg| \sin{\frac{t}{2}}\bigg|\;dt$

ponieważ w granicach całkowania ${0}\leqslant{t}$ i ${2\pi}\geqslant{t}$ wyrażenie $\sin{\frac{t}{2}}$ jest nieujemne zatem

$L= 2a\int\limits_0^{2\pi} \sin{\frac{t}{2}}\;dt=2a\left( -2\cos{\frac{t}{2}}\right) \bigg|_0^{2\pi}=8a$

Długość łuku cykloidy jest równa poczwórnej średnicy toczącgo się okręgu.

Zobacz też

• całka krzywoliniowa
• wahanie funkcji.