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The Lumenary
विस्मय पथवैकल्पिक · कभी अंक नहीं दिए जातेयहाँ से शुरू होता है Introductory calculus

How sharply does a road bend?

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प्रश्न

Driving along a winding road, how sharply does it bend at each point? Is there a circle that fits the road best at each point — and what is its radius?

आगे पढ़ने से पहले प्रयोग करके देखें। खोजबीन का कोई गलत तरीका नहीं है।

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प्रयोग

एक वक्र की वक्रता

एक बिंदु वक्र पर चलता है। आश्लेषी वृत्त वह वृत्त है जो उस बिंदु पर वक्र से सबसे अच्छा मेल खाता है; उसकी त्रिज्या 1/κ है।

TN
चिह्नित वक्रता
κ = 0.447
वक्रता-त्रिज्या
1/|κ| = 2.239

जहाँ वक्र पर चलते हुए वह बाईं ओर मुड़ता है वहाँ κ धनात्मक है, और जहाँ दाईं ओर मुड़ता है वहाँ ऋणात्मक। N, स्पर्शरेखा T को 90° बाईं ओर घुमाने से मिलता है; आश्लेषी वृत्त का केंद्र 1/|κ| दूरी पर, उस ओर होता है जिधर वक्र मुड़ता है।

∫ κ ds = 6.283 = 1.000 × 2π

घूर्णन संख्या 1: एक बार पूरा घूमने पर स्पर्शरेखा कुल मिलाकर 1 × 360° घूमती है।

हॉप्फ़ का Umlaufsatz: एक चिकने बंद वक्र के लिए ∫ κ ds = 2π × (घूर्णन संख्या)। एक सरल बंद वक्र — जो ख़ुद को कभी नहीं काटता — वामावर्त चलने पर हमेशा घूर्णन संख्या 1 रखता है। भीतरी लूप वाले लिमासों की संख्या 2 है; आठ के आकार की 0।

चाप-लंबाई और ∫ κ ds हज़ारों बिंदुओं पर सटीक अवकलजों से संख्यात्मक रूप से निकाले जाते हैं, इसलिए आख़िरी अंक थोड़ा डगमगा सकता है।

चिह्नित वक्रता κ बनाम चाप-लंबाई s

1.80−1.8κs = 9.95s = 0

इस ग्राफ़ के नीचे का चिह्नित क्षेत्रफल ∫ κ ds है (अक्ष के ऊपर हरा-नीला धनात्मक, नीचे टेराकोटा ऋणात्मक)। नुकीले बिंदु के पास के बहुत बड़े मान काट दिए जाते हैं।

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संकेत, यदि आप चाहें

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    क्या हो रहा है

    क्या हो रहा है

    The circle that fits a curve best at a point — the limit of circles through three nearby points — is the osculating circle ("kissing circle"). If its radius is RR, the curvature of the curve there is κ=1/R\kappa = 1/R: a gentle bend has a large circle and small curvature, a hairpin has a small circle and large curvature, and a straight road has curvature 00.

    For the graph of y=f(x)y = f(x),

    κ=∣f′′(x)∣(1+f′(x)2)3/2.\kappa = \frac{|f''(x)|}{\bigl(1 + f'(x)^2\bigr)^{3/2}} .

    For the parabola y=x2y = x^2 at its lowest point, f′(0)=0f'(0) = 0 and f′′(0)=2f''(0) = 2, so κ=2\kappa = 2 and the osculating circle has radius 12\tfrac12.

    Curvature has a striking global property. Walk once around a simple closed curve, adding up the curvature as you go (counting bends to the left as positive and to the right as negative): the total is always 2π2\pi. Heinz Hopf proved this turning-tangent theorem in 1935. Road and railway engineers use curves whose curvature grows steadily — clothoids, or Euler spirals — so that the steering wheel turns smoothly instead of suddenly.

    Gauss extended curvature to surfaces, and found that the curvature of a surface can be measured by creatures living inside it, without leaving it. Riemann extended it to spaces of any dimension, and Einstein used that curvature to describe gravity.

    संगणना द्वारा परखा गयाAI द्वारा तैयार मसौदा · मानवीय समीक्षा की प्रतीक्षा में
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    यह कहाँ ले जाता है