Krümmung

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Dieser Artikel behandelt die Bedeutung des Wortes „Krümmung“ in der Mathematik.
  • Zur Bedeutung in der Architektur siehe Kurvatur.
  • Zur Verwendung in der Medizin, „kleine und große Krümmung“ siehe Magen.
  • Siehe auch: (Homo) Incurvatus in se („der auf sich selbst verkrümmte Mensch“); Krumm.

Krümmung ist ein Begriff aus der Mathematik, der in seiner einfachsten Bedeutung die lokale Abweichung einer Kurve von einer Geraden bezeichnet. Der gleiche Begriff steht auch für das Krümmungsmaß, welches für jeden Punkt der Kurve quantitativ angibt, wie stark diese lokale Abweichung ist.

Aufbauend auf dem Krümmungsbegriff für Kurven lässt sich die Krümmung einer Fläche im dreidimensionalen Raum beschreiben, indem man die Krümmung von Kurven in dieser Fläche untersucht. Ein gewisser Teil der Krümmungsinformation einer Fläche, die gaußsche Krümmung, hängt nur von der inneren Geometrie der Fläche ab, d. h. von der ersten Fundamentalform (bzw. dem metrischem Tensor), die festlegt, wie die Bogenlänge von Kurven berechnet wird.

Dieser intrinsische Krümmungsbegriff lässt sich verallgemeinern auf Mannigfaltigkeiten beliebiger Dimension mit einem metrischen Tensor. Auf solchen Mannigfaltigkeiten ist der Paralleltransport längs Kurven erklärt und die Krümmungsgrößen geben an, wie groß die Richtungsänderung von Vektoren beim Paralleltransport längs geschlossener Kurven nach einem Umlauf ist. Eine Anwendung ist die Allgemeine Relativitätstheorie, welche Gravitation als eine Krümmung der Raumzeit beschreibt. Noch allgemeiner lässt sich dieser Begriff auf Hauptfaserbündel mit Zusammenhang übertragen. Diese finden Anwendung in der Eichtheorie, in welcher die Krümmungsgrößen die Stärke der fundamentalen Wechselwirkungen (z. B. des elektromagnetischen Feldes) beschreiben.

Krümmung einer Kurve[Bearbeiten]

Unter der Krümmung einer ebenen Kurve versteht man in der Geometrie die Richtungsänderung beim Durchlaufen der Kurve. Die Krümmung einer Geraden ist überall gleich null, weil sich ihre Richtung nicht ändert. Ein Kreis(bogen) mit dem Radius r hat überall gleiche Krümmung, denn seine Richtung ändert sich überall gleich stark. Je kleiner der Radius des Kreises ist, desto größer ist seine Krümmung. Als Maß für die Krümmung eines Kreises dient die Größe \tfrac 1r=\tfrac{\Delta\varphi}{\Delta s}, das Verhältnis von Zentriwinkel und Länge eines Kreisbogens. Der Zentriwinkel ist gleich dem Winkel zwischen den Tangenten an den Kreis in den Endpunkten des Kreisbogens. Um die Krümmung einer beliebigen Kurve in einem Punkt zu definieren, betrachtet man entsprechend ein Kurvenstück der Länge \Delta s, das den fraglichen Punkt enthält und dessen Tangenten in den Endpunkten sich im Winkel \Delta\varphi schneiden. Damit wird die Krümmung \kappa in dem Punkt durch


 \kappa:=\lim_{\Delta s\rightarrow 0}\frac{\Delta\varphi}{\Delta s}=\frac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}s}

definiert, falls dieser Differentialquotient existiert. Ist die Krümmung in einem Punkt ungleich null, dann bezeichnet man den Kehrwert der Krümmung als Krümmungsradius; dies ist der Radius des Krümmungskreises durch diesen Punkt, also des Kreises, der die Kurve in diesem Punkt am besten annähert. Der Mittelpunkt dieses Kreises heißt Krümmungsmittelpunkt und kann konstruiert werden, indem der Krümmungsradius senkrecht zur Tangente der Kurve abgetragen wird, und zwar in die Richtung, in die sich die Kurve krümmt.

Ist die Kurve als Graph einer Funktion f:\R\to\R,\, y=f(x) gegeben, dann gilt für den Anstiegswinkel \varphi der Kurve \tfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}=\tan\varphi, also mit der Kettenregel \tfrac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2}=(1+\tan^2\varphi)\tfrac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}x}=\left(1+\left(\tfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2\right)\tfrac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}x}. Für die Bogenlänge s gilt \mathrm{d}s^2=\mathrm{d}x^2+\mathrm{d}y^2 bzw. \tfrac{\mathrm{d}s}{\mathrm{d}x}=\sqrt{1+\left(\tfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2} . Damit erhält man für die Krümmung


 \kappa
 =\frac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}s}
 =\frac{\mathrm{d}\varphi/\mathrm{d}x}{\mathrm{d}s/\mathrm{d}x}
 =\frac{\frac{\mathrm{d}^2y}{\mathrm{d}x^2}}{\left(1+\left(\frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}x}\right)^2\right)^{\frac{3}{2}}}.

Hierbei kann die Krümmung positiv oder negativ sein, abhängig davon, ob der Anstiegswinkel \varphi der Kurve bei zunehmender Abszisse x wachsend oder fallend ist, d. h. ob die Funktion konvex oder konkav ist.

Definitionen[Bearbeiten]

Lissajous-Kurve nebeneinander Animated.gif
Lemniskate nebeneinander Animated.gif
Animationen der Krümmung und des "Beschleunigungsvektors" \mathrm{d}^2\vec{r} / \mathrm{d}s^2

\vec{r}(s)\in \R^p sei der Ortsvektor eines Punktes auf der Kurve als Funktion der Bogenlänge s. Die Krümmung {\kappa\,} der Kurve ist dann definiert als


   \kappa = \left|\frac{\mathrm{d}^2\vec{r}}{\mathrm{d}s^2}\right|.

Die Krümmung ist also durch den Betrag der Ableitung des Einheitstangentenvektors \vec t=\frac{\mathrm{d}\vec{r}}{\mathrm{d}s} nach der Bogenlänge gegeben und gibt damit an, wie schnell sich beim Durchlaufen der Kurve die Tangentenrichtung in Abhängigkeit von der Bogenlänge ändert. Die Krümmung in einem Punkt der Kurve ist unabhängig von der gewählten Parametrisierung nach der Bogenlänge.

Für ebene Kurven kann man die Krümmung mit Vorzeichen bezüglicher einer Orientierung des Normalenbündels der Kurve definieren. Eine solche Orientierung ist gegeben durch ein stetiges Einheitsnormalenvektorfeld \vec N längs der Kurve. Es existiert stets, da jede ebene Kurve orientierbar ist. Ist die Krümmung ungleich null, dann ist die Krümmung mit Vorzeichen durch das Skalarprodukt


   \kappa = \vec N\cdot\frac{\mathrm{d}\vec{t}}{\mathrm{d}s}

definiert. Die Krümmung ist also positiv, wenn sie sich in Richtung von \vec N krümmt (d. h. wenn \vec N gleich dem Hauptnormaleneinheitsvektor \vec n=\frac{\vec t'}{|\vec t'|} ist) und negativ, wenn sie sich in die entgegengesetzte Richtung krümmt (d. h. wenn \vec N=-\vec n gilt). Die Definition ist wieder unabhängig von der Parametrisierung nach der Bogenlänge, aber das Vorzeichen ist abhängig von der Wahl von \vec N längs der Kurve. Der Betrag |\kappa| liefert die oben gegeben Definition der Krümmung ohne Vorzeichen. In einer Linkskurve ist \kappa positiv und in einer Rechtskurve negativ.

Einer regulär parametrisierte Kurve in der Ebene lässt sich über die Durchlaufrichtung eine Orientierung zuordnen. Ist zusätzlich eine Orientierung der Ebene vorgegeben, so wird dadurch eine Orientierung auf dem Normalenbündel induziert. Dazu sei \vec N(s) der Einheitsnormalenvektor, so dass die geordnete Basis (\vec t(s),\vec N(s)) positiv orientiert ist. Damit wird das Vorzeichen der Krümmung einer parametrisierten Kurve abhängig von der Orientierung der Ebene und dem Durchlaufsinn der parametrisierten Kurve.

Einer Kurve C=f^{-1}(0), die als Nullstellenmenge einer Funktion f:\R^2\to\R mit regulärem Wert 0\in\R gegeben ist, kann die Krümmung mit Vorzeichen bezüglich des auf die Kurve eingeschränkten normierten Gradientenfeldes \vec N=\left.\frac{\nabla f}{|\nabla f|}\right|_C zugeordnet werden.

Eigenschaften[Bearbeiten]

Der Krümmungskreis ist der eindeutig bestimmte Kreis, dessen Kontaktordnung mit der Kurve im Berührungspunkt \geq 2 ist. Die Krümmung in einem Punkt ist genau dann gleich null, wenn dort die Kontaktordnung mit der Tangente \geq 2 ist. Die Evolute einer Kurve ist die Ortskurve ihrer Krümmungsmittelpunkte. Man erhält einen Krümmungsmittelpunkt als den Grenzwert von Schnittpunkten zweier Normalen, die sich einander annähern. Nach Cauchy kann damit die Krümmung einer ebenen Kurve definiert werden.[1]

Die Krümmung einer Raumkurve ist wie die Windung eine bewegungsinvariante Größe, die den lokalen Verlauf einer Kurve beschreibt. Beide Größen kommen als Koeffizienten in den frenetschen Formeln vor.

Ist \kappa die Krümmung mit Vorzeichen für eine nach der Bogenlänge parametrisierte Kurve in der orientierten Ebene, dann gelten die folgenden Gleichungen:


\begin{align}
   \frac{\mathrm{d}\vec{t}}{\mathrm{d}s} &= &\kappa \vec N\\
   \frac{\mathrm{d}\vec{N}}{\mathrm{d}s} &= -\kappa \vec t&
\end{align}

Jede der beiden Gleichung ist äquivalent zur Definition der Krümmung mit Vorzeichen für parametrisierte Kurven. In kartesischen Koordinaten bedeuten die Gleichungen, dass \vec t und \vec N ein Fundamentalsystem von Lösungen für die lineare gewöhnliche Differentialgleichung \vec x'(s)=\kappa(s)\begin{pmatrix}0 & -1\\1 & 0\end{pmatrix}\cdot\vec x(s) bilden, deren Lösung durch \vec x(s)=\begin{pmatrix}\cos\varphi(s) & -\sin\varphi(s)\\\sin\varphi(s) & \cos\varphi(s)\end{pmatrix}\cdot\vec x(s_0) mit \varphi(s)=\int_{s_0}^s\kappa(\bar s)d\bar s gegeben ist. Aus der Abbildung s\mapsto\vec t(s) wiederum erhält man durch Integration die Parametrisierung s\mapsto\vec r(s) der Kurve nach der Bogenlänge. Die Vorgabe eines Startpunktes \vec r(s_0), einer Startrichtung \vec t(s_0) und der Krümmung s\mapsto\vec\kappa(s) als Funktion der Bogenlänge bestimmt also die Kurve eindeutig. Da \vec t(s) durch eine Drehung von \vec t(s_0) um den Winkel \varphi(s) gegeben ist, folgt weiterhin, dass sich zwei Kurven mit derselben Krümmungsfunktion nur durch eine eigentliche Bewegung in der Ebene unterscheiden. Außerdem folgt aus diesen Betrachtungen, dass die Krümmung mit Vorzeichen durch


   \kappa = \frac{\mathrm{d}\varphi}{\mathrm{d}s}

gegeben ist, wobei \varphi\in\R der Winkel des Tangentenvektors zu einer festen Richtung ist und wachsend im positiven Drehsinn gemessen wird.

Schränkt man die Parametrisierung einer ebenen Kurve in der Umgebung eines Kurvenpunktes p so ein, dass sie injektiv ist, dann kann man jedem Kurvenpunkt q=\vec r(s) eindeutig den Normalenvektor \vec N(s) zuordnen. Diese Zuordnung kann man als Abbildung von der Kurve in den Einheitskreis auffassen, indem man den Normalenvektor an den Ursprung des Koordinatensystems anheftet. Zu einem Kurvenstück der Länge \Delta s, das den Punkt p enthält, gehört dann ein Kurvenstück auf dem Einheitskreis der Länge \Delta\tilde s. Für die Krümmung im Punkt p gilt dann


   \kappa = \lim_{\Delta s\rightarrow 0}\frac{\Delta\tilde s}{\Delta s}.

Diese Idee kann auf Flächen im Raum übertragen werden, indem man ein Einheitsnormalenvektorfeld auf der Fläche als Abbildung in die Einheitskugel auffasst. Diese Abbildung bezeichnet man als Gauß-Abbildung. Betrachtet man das Verhältnis von Flächeninhalten anstelle der Bogenlängen und versieht dabei das Flächenstück in der Einheitskugel mit einem Vorzeichen, abhängig davon, ob die Gauß-Abbildung den Umlaufsinn der Randkurve bewahrt oder umkehrt, dann liefert das die ursprüngliche Definition der gaußschen Krümmung durch Gauß. Allerdings ist die gaußsche Krümmung eine Größe der intrinsischen Geometrie, während eine Kurve keine intrinsische Krümmung besitzt, denn jede Parametrisierung nach der Bogenlänge ist eine lokale Isometrie zwischen einer Teilmenge der reellen Zahlen und der Kurve.

Betrachtet man eine normale Variation \vec r(t)+\varepsilon\vec N(t) einer parametrisierte Kurve mit \varepsilon\in\R auf einem Parameterintervall \Delta t, bezeichnet mit \Delta s die Bogenlänge des variierten Kurvenstücks und setzt \Delta s_0=\Delta s|_{\varepsilon=0}, dann gilt


   \kappa = -\lim_{\Delta t\rightarrow 0}\frac{1}{\Delta s_0}\left.\frac{\mathrm{d}\Delta s}{\mathrm{d}\varepsilon}\right|_{\varepsilon=0}.

Die Krümmung mit Vorzeichen in einem Punkt gibt also an, wie schnell sich die Bogenlänge eines infinitesimalen Kurvenstückes in diesem Punkt bei einer normalen Variation ändert. Auf Flächen im Raum übertragen, führt dies auf den Begriff der mittleren Krümmung. Der entsprechende Grenzwert des Verhältnisses von Flächeninhalten bei normaler Variation liefert dann das Doppelte der mittleren Krümmung.

Diese Charakterisierung der Krümmung erklärt die folgende Formel für die Krümmung mit Vorzeichen für eine Kurve, die als Nullstellenmenge f^{-1}(0) einer Funktion f:\R^2\to\R,\;(x,y)\mapsto f(x,y) gegeben ist. Da die Divergenz eines Vektorfeldes in der Ebene die Änderungsrate des Inhaltes eines infinitesimalen Flächenstückes bezüglich des zum Vektorfeld gehörenden Flusses liefert, erhält man aus der negativen Divergenz des normierten Gradientenfeldes die Krümmung mit Vorzeichen:


 \kappa=-\nabla\cdot\vec N=-\nabla\cdot\frac{\nabla f}{|\nabla f|}=-\vec N^T\cdot(\tilde H_f-\operatorname{sp}(\tilde H_f)E)\cdot\vec N,

wobei \tilde H_f:=-\tfrac{H_f}{|\nabla f|} mit der Hesse-Matrix H_f, \operatorname{sp}(\tilde H_f) die Spur und E die Einheitsmatrix ist. Für Abbildungen f:\R^3\to\R liefert diese Formel die zweifache mittlere Krümmung von Flächen als Nullstellenmengen im Raum und wird als Formel von Bonnet bezeichnet. Ausgeschrieben und in eine andere Form gebracht lautet die Formel im Fall ebener Kurven:


 \kappa
 =-\frac{f_y^2f_{xx}-2f_xf_yf_{xy}+f_x^2f_{yy}}{(f_x^2+f_y^2)^{3/2}}
 =\vec N^T\cdot\operatorname{adj}(\tilde H_f)\cdot\vec N.

Dabei bezeichnet z. B. f_x die partielle Ableitung von f nach dem ersten Argument und \operatorname{adj}(\tilde H_f) die Adjunkte von \tilde H_f. Für Abbildungen f:\R^3\to\R liefert der zweite Ausdruck die Gaußsche Krümmung für Flächen als Nullstellenmengen im Raum.

Berechnung der Krümmung für parametrisierte Kurven[Bearbeiten]

Die oben gegebene Definition setzt eine Parametrisierung der Kurve nach der Bogenlänge voraus. Durch Umparametrisierung erhält man daraus eine Formel für beliebige reguläre Parametrisierungen t\mapsto\vec r(t)\in\R^p. Fasst man die ersten beiden Ableitungen von \vec r als Spalten einer Matrix A(t)=(\vec r'(t),\vec r''(t)) zusammen, dann lautet die Formel

\kappa = \frac{\sqrt{\det(A^T\cdot A)}}{|\vec r'|^3}.

Für ebene Kurven ist A(t) eine quadratische Matrix und die Formel vereinfacht sich mit Hilfe der Produktregel für Determinanten zu

\kappa = \frac{|\det A|}{|\vec r'|^3}.

Ist die Ebene durch den \R^2 mit der Standardorientierung gegeben, dann erhält man die Formel für die Krümmung mit Vorzeichen durch Weglassen der Betragsstriche im Zähler.

Ebene Kurven[Bearbeiten]

Ist die Parametrisierung durch die Komponentenfunktionen x und y gegeben, dann liefert die Formel für die Krümmung mit Vorzeichen im Punkt \vec r(t)=(x(t),y(t)) den Ausdruck

\kappa(t) = \frac{\dot x(t) \ddot y(t) - \ddot x(t) \dot y(t)}{\big(\dot x(t)^2 + \dot y(t)^2\big)^{3/2}}.

(Die Punkte bezeichnen dabei Ableitungen nach t.)

Das liefert die folgenden Spezialfälle:

Fall 1
Die Kurve ist der Graph einer Funktion f. Die Krümmung im Punkt \vec r(x)=\left(x,f(x)\right) ergibt sich aus
\kappa(x) = \frac{f''(x)}{\left(1 + f'(x)^2\right)^{3/2}}.
Fall 2
Die Kurve ist in Polarkoordinaten gegeben, also durch eine Gleichung r = f(\varphi). In diesem Fall erhält man für die Krümmung im Punkt \vec r(\varphi)=f(\varphi)\cdot(\cos\varphi,\sin\varphi) die Formel
\kappa(\varphi) = \frac{(f(\varphi))^2 + 2 (f'(\varphi))^2 - f(\varphi) f''(\varphi)}
{\left[(f(\varphi))^2 + (f'(\varphi))^2\right]^{3/2}}.

Allerdings muss man beachten, dass das Vorzeichen der Krümmung einer Kurve von ihrer Darstellung, sprich ihrem Durchlaufsinn abhängt. Da in Polarkoordinaten der Radius per Definition stets ≥ 0 sein muss, kann dies auch zu einem unnatürlichen Kurvendurchlauf führen und ein anderes Vorzeichenverhalten der Krümmung zur Folge haben. Ein gutes Beispiel dafür stellt die Lemniskate da – es tritt aber auch schon bei der Hyperbel xy=1 auf, da sie aus zwei Ästen besteht.

Raumkurven[Bearbeiten]

Für Kurven im dreidimensionalen Raum \mathbb{R}^3 kann man die allgemeine Formel mit Hilfe des Kreuzproduktes folgendermaßen ausdrücken:

\kappa(t) = \frac{|\vec{r}\,'(t) \times \vec{r}\,''(t)|}{|\vec{r}\,'(t)|^3}

Krümmung einer Fläche[Bearbeiten]

Einer gewölbten regulären Fläche merkt man ihre Krümmung an einer nach außen quadratisch zunehmenden Abweichung der Fläche von ihrer Tangentialebene an. Eine verstärkte Krümmung macht sich dann als stärkere Abweichung von der Ebene bemerkbar.

In der Differentialgeometrie betrachtet man an jedem Punkt p die Krümmungsradien der Schnittkurven mit den in p errichteten Normalebenen (d. h. die Fläche senkrecht schneidenden Ebenen). Dabei wird den Krümmungsradien und Krümmungen das Vorzeichen bezüglich eines Einheitsnormalenvektorfeldes auf der Fläche, eingeschränkt auf die ebene Schnittkurve, zugeordnet. Unter diesen Krümmungsradien gibt es einen maximalen (R_1) und einen minimalen (R_2). Die Kehrwerte k_1 = \tfrac1{R_1} und k_2 = \tfrac1{R_2} werden als Hauptkrümmungen bezeichnet. Die entsprechenden Krümmungsrichtungen stehen senkrecht aufeinander.

Die gaußsche Krümmung K und die mittlere Krümmung H einer regulären Fläche in einem Punkt p berechnen sich wie folgt:

K = \frac{1}{R_1} \cdot \frac{1}{R_2} = k_{1} \cdot k_{2}
H = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} \right) = \frac{1}{2} (k_{1} + k_{2})

Die Gesamtkrümmung oder auch totale Krümmung einer Fläche ist das Integral der gaußschen Krümmung über diese Fläche:

C = \int K\, dA = \int k_{1} k_{2}\, dA

Krümmung in der riemannschen Geometrie[Bearbeiten]

Da riemannsche Mannigfaltigkeiten im Allgemeinen in keinen Raum eingebettet sind, wird in diesem Teilgebiet der Differentialgeometrie eine Krümmungsgröße gebraucht, die unabhängig von einem umgebenden Raum ist. Dazu wurde der riemannsche Krümmungstensor eingeführt. Dieser misst, inwieweit die lokale Geometrie der Mannigfaltigkeit von den Gesetzen der euklidischen Geometrie abweicht. Aus dem Krümmungstensor werden weitere Krümmungsgrößen abgeleitet. Die wichtigste Krümmung der riemannschen Geometrie ist die Schnittkrümmung. Diese abgeleitete Größe enthält alle Informationen, die auch im riemannschen Krümmungstensor enthalten sind. Andere einfachere abgeleitete Größen sind die Ricci-Krümmung und die Skalarkrümmung.

Eine Krümmung auf einer riemannschen Mannigfaltigkeit zeigt sich beispielsweise, wenn man das Verhältnis zwischen Kreisumfang und Radius innerhalb der Mannigfaltigkeit ermittelt und zu dem Wert 2\pi, den man in einem euklidischen Raum erhält, in Verhältnis setzt.

Bemerkenswert ist, dass man zum Beispiel auf der Oberfläche eines Torus eine Metrik definieren kann, die keine Krümmung aufweist. Dies lässt sich aus der Tatsache ableiten, dass man einen Torus als Quotientenraum aus einer ebenen Fläche bilden kann.

Anwendung in der Relativitätstheorie[Bearbeiten]

Hauptartikel: Raumkrümmung

In der allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation durch eine Krümmung der Raum-Zeit beschrieben, die von den Massen der Himmelskörper verursacht wird. Körper und Lichtstrahlen bewegen sich auf den durch diese Krümmung bestimmten geodätischen Bahnen. Diese Bahnen erwecken den Anschein, dass eine Kraft auf die entsprechenden Körper ausgeübt werde.

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1.  Alexandre Borovik, Mikhail G Katz: Who gave you the Cauchy-Weierstrass tale? The dual history of rigorous calculus. In: Foundations of Science. ISSN 1233-1821, S. 1-32, arXiv:1108.2885, doi:10.1007/s10699-011-9235-x.

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]