Esercizi 2: Curve dello spazio Soluzioni. Esercizio Si consideri la curva (elica circolare): a α(t) = a sin t, t R, bt dove a >. a) Calcolare curvatura e torsione di α nel generico punto t. b) Determinare la funzione ascissa curvilinea s = s(t) con origine in t = ; determinare quindi la lunghezza dell arco corrispondente all intervallo t [, 2π]. Soluzione. Si ha: a sin t α (t) = a, a α (t) = a sin t, a sin t α (t) = a b Dunque da cui Poiché α (t) = a 2 + b 2, α (t) α (t) = a a 2 + b 2, k(t) = α (t) α (t) α (t) 3 = a a 2 + b 2 det(α (t), α (t), α (t)) = a 2 b Otteniamo τ(t) = b a 2 + b 2 In conclusione curvatura e torsione sono entrambe costanti. k(t) = a a 2 + b 2, τ(t) = b a 2 + b 2
.2 Esercizio a) Verificare che la curva x = a + b t + c t 2 y = a 2 + b 2 t + c 2 t 2 z = a 3 + b 3 t + c 3 t 2 è piana, per ogni scelta di a i, b i, c i. b) Determinare l equazione cartesiana del piano contenente la curva x = + t y = + t 2 z = t + t 2 Soluzione. a) Basta osservare che α (t) è identicamente nulla, dunque la torsione è identicamente nulla e la curva è piana. b) Dobbiamo studiare l equazione in a, b, c: a( + t) + b( + t 2 ) + c(t + t 2 ) + d = che deve risultare valida per ogni t. La riscriviamo: (a + b + d) + (a + c)t + (b + c)t 2 = e otteniamo il sistema omogeneo: a + b + d = a + c = b + c = che ammette soluzioni, tutte proporzionali a a =, b =, c =, d = 2. Dunque il piano cercato è x + y z 2 =..3 Esercizio Studiare la curva dove φ(t) è una funzione positiva di t. α(t) = sin t, t > φ(t) 2
a) Calcolare la curvatura k(t) in funzione di φ(t), e determinare lim k(t) nel caso in cui φ(t) = t 2. b) Trovare una funzione φ(t) per la quale α risulti piana. c) Scrivere un equazione differenziale che deve essere soddisfatta da φ(t) affinche α sia una curva piana. Soluzione. a) Abbiamo: sin t sin t α (t) =, α (t) = sin t, α (t) = φ φ φ Dunque: φ sin t + φ α (t) α (t) = φ sin t φ, α (t) α (t) = + φ 2 + φ 2 Poiché si ha: α (t) = + φ 2 k(t) 2 = + φ 2 + φ 2 ( + φ 2 ) 3 = Se φ(t) = t 2 allora φ = 2t, φ = 2 e: k(t) 2 = che evidentemente tende a zero quando t. ( + φ 2 ) 2 + φ 2 ( + φ 2 ) 3. 5 + 4t2 ( + 4t 2 ) 3 b) φ(t) = e in tal caso α è contenuta nel piano x z =. c) La curva è piana se e solo se τ(t) quindi se e solo se per ogni t. Un calcolo mostra che dunque l equazione differenziale cercata è La soluzione generale è det(α (t), α (t), α (t)) = det(α (t), α (t), α (t)) = φ (t) + φ (t), φ (t) + φ (t) =. φ(t) = a + b sin t + c con a, b, c R; in tal caso la curva è contenuta nel piano z = ax + by + c. 3
.4 Esercizio Data una funzione differenziabile ψ(t) definita per t >, si consideri la curva: ψ(t) α(t) = ψ(t) sin t, t >. t Dimostrare che, se ψ(t) converge a zero, per t, insieme alle sue derivate ψ (t), ψ (t), allora si ha lim k(t) =. Soluzione. Si ha: ψ ψ sin t ψ 2ψ sin t ψ α (t) = ψ sin t + ψ, α (t) = ψ sin t + 2ψ ψ sin t Se ψ(t), ψ (t) e ψ (t) convergono a zero per t, allora α (t) tende a zero ma α (t). Questo implica (verificare) che k(t) tende a zero..5 Esercizio Si consideri la curva Determinare: 2t α(t) = t 2 t. log t a) La funzione ascissa curvilinea s(t), con origine in t =. b) La curvatura e la torsione di α. Calcolare inoltre lim k(t), lim τ(t). c) È vero che il piano osculatore π t tende a un piano limite quando t? d) È vero che la terna di Frenet (T (t), N(t), B(t)) tende a una terna limite quando t? Soluzione. a) Si ha: Dunque: 2 α (t) = 2t, α (t) = 2 t t 2, α (t) = α (t) 2 = 4 + 4t 2 + t 2 = 4t4 + 4t 2 + t 2 = 4 2 t 3 ( 2t 2 + t ) 2
ovvero Abbiamo: b) Si ha: s(t) = t α (t) = 2t + t. (2u + u ) du = t2 + log t. 4 α (t) α t (t) = 2 t 2 4 e un calcolo mostra che Ne segue che α (t) α (t) = 4t2 + 2 t 2. k(t) = 2t (2t 2 + ) 2. e dunque k(t) quando t. Ora la torsione. Si ha: e otteniamo det(α (t), α (t), α (t)) = 8 t 3, τ(t) = ed evidentemente τ(t) quando t. 8 t(4t 2 + 2) 2 c) Poiche B(t) è il versore del vettore α (t) α (t), si vede che lim B(t) =. In modo analogo, si dimostra lim T (t) =, lim N(t) =. Dunque ( lim (T (t), N(t), B(t)) =,, ). 5
.6 Esercizio È data la curva e t α(t) = e t sin t e 2t t [, + ). a) Verificare che α è regolare, e che la sua traccia è contenuta in una sfera. b) È vero che esiste una costante c tale che α (t) ce t per ogni t? È vero che l arco da a + ha lunghezza totale costante?.7 Esercizio Si consideri la curva (cubica gobba): 6t α(t) = 6t 2, t. 4t 3 Dopo aver osservato che α è regolare per ogni t R, determinare la funzione ascissa curvilinea s : [, ) R e calcolare la lunghezza della curva da t = a t = 2. Determinare inoltre: b) curvatura e torsione nel punto α(t); c) il triedro di Frenet nell origine; d) l equazione della retta tangente nel punto α(2); e) l equazione del piano osculatore e del piano normale nel punto α()..8 Esercizio È data la curva α(t) = 2 t 2 + t 4 + 2t t 2 a) Dopo aver osservato che α è regolare per ogni t R, determinare l equazione della retta tangente nel punto α(). b) Determinare curvatura e torsione della curva nel punto generico α(t). c) Determinare il triedro di Frenet per il valore t = e l equazione di ciascuno dei piani: osculatore, normale rettificante. d) È vero che α è piana? In tal caso, determinare l equazione del piano che la contiene..9 Esercizio È data la curva α(t) = e t, t. sin t 6
a) Determinare la curvatura k(t) e la torsione τ(t) di α al variare di t [, ). b) Stabilire se esistono i seguenti limiti: lim k(t), t + lim τ(t). t + c) Sia π t il piano osculatore di α nel punto α(t). È vero che π t tende a un piano limite quando t? È vero che la terna di Frenet (T (t), N(t), B(t)) converge a una terna specifica? Soluzione. Si ha: sin t sin t α (t) = e t, α (t) = e t, α (t) = e t. sin t Quindi: Si ha poi: Otteniamo α (t) = + e 2t. e t ( sin t) α (t) α (t) =, α (t) α (t) = + 2e 2t. e t ( + sin t) + 2e 2t k(t) = ( + e 2t ) 3. Si vede che lim k(t) =. Ora la torsione. Si ha: det(α (t), α (t), α (t)) = 2e t. Dunque τ(t) = 2e t + 2e 2t e τ(t) quando t. c) È evidente che il versore binormale B(t) converge al versore, quindi il piano osculatore converge al piano y =. La terna di Frenet non converge a nessuna terna specifica.. Esercizio Sia α : [ L, L] R una curva biregolare dello spazio, parametrizzata dall ascissa curvilinea s. a) Scrivere lo sviluppo di Taylor, fino al terzo ordine, della funzione vettoriale α(s) nell intorno di s =, esprimendo i coefficienti in funzione del riferimento di Frenet in s = (vale a dire, in funzione della terna ortonormale (T (), N(), B()); usare le formule di Frenet). b) Determinare lo sviluppo di Taylor intorno a s =, fino al terzo ordine, di ciascuna delle seguenti funzioni scalari: ψ (s) = α(s) α(), T (), ψ 2 (s) = α(s) α(), N(), ψ 3 (s) = α(s) α(), B(). 7
. Esercizio Dato λ >, l applicazione lineare F λ : R 3 R 3 : x λx F λ y = λy z λz λ di matrice canonica A = λ è detta omotetia di fattore λ. Data una curva α : [a, b] λ R 3, si consideri la curva β(t) = F λ (α(t)) ottenuta componendo α con l omotetia F λ. a) Determinare β(t) se α è l elica: α(t) = sin t. t b) Se α è una curva qualunque, calcolare k β (t) e τ β (t) in funzione di k α (t) e τ α (t). c) È vero che la proprietà di essere una curva piana è invariante per omotetie? Soluzione. b) Possiamo scrivere F λ (x) = λx, dunque: Otteniamo con facili calcoli β(t) = λα(t). k β (t) = λ k α(t), τ β (t) = λ τ α(t). Poiche τ β (t) = se e solo se τ α (t) = la proprietá di essere una curva piana è invariante per omotetie..2 Esercizio Studiare curvatura e torsione della curva α(t) = sin t, t R e stabilire i valori massimi e minimi che puo assumere la sua curvatura. 8
.3 Esercizio Studiare curvatura e torsione della curva α(t) = sin t, t R. cos(2t).4 Esercizio Sia α : [, L] R 3 una curva parametrizzata dall ascissa curvilinea, sia f un isometria di R 3 e sia β l immagine di α tramite f, cioè β = f α. a) Dimostrare che k β (s) = k α (s) per ogni s. b) Dimostrare che τ β (s) = { τα (s) se f è diretta, τ α (s) se f è inversa. Si assuma noto il seguente fatto. Se A è una matrice ortogonale di ordine 3 e u, v R 3, allora: { A(u v) se det A =, Au Av = A(u v) se det A =..5 Esercizio Sia α : [, L] R 3 una curva biregolare dello spazio parametrizzata dall ascissa curvilinea: α = α(s), e sia B(s) il versore binormale di α. Fissato un parametro λ >, si consideri la curva α λ : [, L] R 3 definita da: α λ (s) = α(s) + λb(s) per ogni s [, L]. a) Discutere la regolarità di α λ, e dimostrare che la lunghezza di α λ sull intervallo [, L] risulta maggiore o uguale della lunghezza di α su [, L] per ogni scelta di λ. Dare inoltre una condizione geometrica necessaria e sufficiente affinche si abbia l uguaglianza tra le due lunghezze. b) Supponiamo ora che α abbia curvatura e torsione costanti, diciamo k(s) = p, τ(s) = q per opportuni numeri reali p, q, e per ogni s [, L]. Calcolare la lunghezza di α λ e stabilire se α λ ha anch essa curvatura costante oppure no. c) Supponiamo che α sia una curva piana. È vero che α λ si ottiene applicando ad α un opportuna isometria dello spazio? Se è cosi, quale? d) Calcolare la lunghezza di α λ se α : [, 2π] R 3 è cosi definita: α(s) = cos s sin s. 2 s 9
Soluzione. a) α λ (s) = α (s) + λb (s) e per le formule di Frenet otteniamo dunque α λ (s) = T (s) + λτ(s)n(s), α λ (s) = + λ 2 τ(s) 2 che è sempre positivo. Dunque α λ è regolare per ogni λ; inoltre α λ (s) = α (s), e vale l uguaglianza se e solo se τ(s) =. Cio implica L(α λ ) = L + λ 2 τ(s) 2 ds L ds = L = L(α) per ogni λ, e vale l uguaglianza se e solo se τ(s) = per ogni s, quindi se e solo se α è piana. b) Se τ(s) = q abbiamo L(α λ ) = L + λ 2 q 2 ds = L + λ 2 q 2. Si ha, usando le formule di Frenet: T = pn, N = pt qb, B = qn, dunque α λ (s) = ( λpq)t (s) + pn(s) λq2 B(s); poiche le coordinate, rispetto alla terna di Frenet, di α λ e α λ (e, come si vede facilmete, di tutte le derivate di α) sono funzioni costanti di s, saranno costanti anche curvatura e torsione di α λ. c) Se α è piana, il versore binormale è un vettore costante; dunque α λ si ottiene da α per traslazione lungo il vettore λb, che è effettivamente un isometria dello spazio. d) La curva in questione è un elica, con torsione costante q = 2/4. Dunque la lunghezza di α λ è L(α λ ) = L + 2λ2 6