Кривая. Замена параметра.

Пусть E – обычное геометрическое пространство или плоскость. Тогда E является точечным евклидовым пространством. Мы будем вести речь про пространство, но всё сказанное ниже с незначительными изменениями верно и для случая, когда E – плоскость. Пусть в пространстве задана декартова СК Oxyz. Мы будем отождествлять произвольную точку M и её радиус-вектор .

Определение. Путем (или параметризованной кривой) называется непрерывное отображение c: I –®E , где I – некоторый интервал числовой прямой.

Таким образом, путь сопоставляет каждому значению t Î I точку в пространстве. В силу нашей договоренности об отождествлении, можно сказать, что путь сопоставляет каждому значению t Î I вектор. Поэтому путь – это непрерывная вектор-функция. Подчеркнем, что путь – это отображение (в отличие от кривой).

Определение. Пусть c: I –®E – путь. Тогда его траектория – множество g=c(I) в пространстве называется кривой. Вектор-функция c(t)=x(t)i + y(t)j + z(t)k называется параметризацией кривой g . Запись

x = x(t),

y = y(t),

z = z(t), t Î I,

называется параметрическими уравнениями кривой g. Если использовать обозначение – это вектор с переменными координатами (x, y, z), то параметрические уравнения можно записать в виде одного векторного равенства = c(t). Также можно сказать, что кривая g - это годограф вектор-функции c(t).

Замечание. При таком определении кривая может выглядеть совсем непохоже на интуитивное представление о кривой. Например, кривая Пеано проходит через каждую точку квадрата, и поэтому она имеет ненулевую площадь. Такой пример рассматривается в рамках спецкурса по топологии. Это говорит о том, что понятие кривой, на самом деле, не такое простое.

Определение. Простой дугой (или элементарной кривой) называется множество g в пространстве или на плоскости, гомеоморфное открытому интервалу числовой прямой.

Простыми дугами не являются кривые с самопересечениями (например, «восьмёрка») и даже окружность.

Определение. Путь c называется простым, если c – взаимнооднозначное отображение.

Простой путь задает кривую без самопересечений: при движении по кривой мы проходим каждую точку ровно один раз. Но образ интервала при таком отображении не всегда является простой дугой.

Определение. Кривая g называется регулярной, если у нее существует регулярная параметризация. Кривая называется гладкой класса Cⁿ, если у нее существует регулярная класса Cⁿпараметризация.

Вы привыкли, что если функция дифференцируема, то ее график не имеет изломов. Но кривая, определяемая вектор-функцией не является её графиком.

Пример 1. Путь c(t) = (t², t³), t Î R определяет на плоскости кривую, которая называется полукубической параболой. Этот путь дифференцируемый класса C^¥(R).

Имеем c¢(t) = (2t, 3t²) и c¢(0) = , т.е. данный путь не является регулярным. Причем, регулярность нарушается как раз в той точке, где кривая имеет излом.

Из теоремы 1 (следующий параграф) следует, что гладкая класса C¹регулярная кривая не имеет изломов. Полукубическая парабола – это пример простой дуги.

Пример 2. Путь c(t) = (a cos t, a sin t ), tÎR определяет на плоскости окружность радиуса a с центром в начале координат. Этот путь не является простым: в процессе изменения параметра мы «проходим» через каждую точку окружности бесконечное количество раз.

Пример 3. Одна и та же кривая может задаваться разными параметрическими уравнениями. Например, верхняя половина полукубической параболы может быть задана следующими уравнениями.

x = t², x = e^2t,

y = t³, t Î (0, + ¥) y = e^3t, t Î R

Определение. Пусть c:I –®E – путь, задающий кривую g, а I₁ Î R – другой интервал числовой прямой. Пусть j: I₁ –®I – непрерывное отобра­жение, t=j(u). Рассмотрим композицию отобра­жений d = c°j: I₁–®P, d(u)= c(j(u)). Это

будет другой путь, но его образ d(I₁) – та же самая кривая g. Говорят, что отображение j осуществляет замену параметра кривой.

Определение. Замена параметра t=j(u) называется допустимой, если j – функция касса Cⁿ(I₁)и j¢(u) ¹ 0 " uÎ I₁.

Пусть c – регулярный путь. Тогда

d¢(u)= c(j(u))¢ = j¢(u)c¢(t).

Мы видим, что путь d(u) является регулярным тогда и только тогда, когда замена параметра является допустимой. Другими словами, допустимая замена параметра сохраняет регулярность пути.

Определение. Регулярные пути c: I –®E и d: I₁–®E называются эквивалентными, если существует такая допустимая замена параметра j: I₁ –® I , t = j(u), что d = c°j. Иногда говорят, что регулярная кривая – это класс эквивалентных друг другу регулярных путей.

Можно сказать, что эквивалентные пути имеют одинаковую траекторию, но проходят ее за различные промежутки времени и с разной скоростью.

Например, замена параметра t = e^t, является допустимой, и поэтому пути c(t) = (t², t³), t Î (0, + ¥) и d(t) = (e^2t, e^3t), tÎR являются эквивалентными.

Упражнения. 1. Является ли регулярным путь (a cos³t, a sin³t), tÎR?

2. Является ли допустимой замена параметра t = , uÎR? В какой интервал она переводит числовую прямую?