Hans Walser, [20100119a]

Krümmung am Beispiel

Anregung: M. B., Z.

1 Sinuskurve

Wir diskutieren die Krümmung des Funktionsgrafen von .

Sinuskurve

Rein qualitativ sehen wir, dass die Krümmung in den Extremstellen, also bei und am größten ist und in den Wendepunkten (bei 0, und ) Null.

Berechnung der Krümmung nach der Formel:

Es ist und . Damit erhalten wir:

Wegen der Wurzel im Nenner ergibt sich meist eine „hässliche“ Formel, die sich nicht weiter vereinfachen lässt.

2 Krümmungsfunktion

Wir plotten nun diese Krümmungsfunktion (blaue Kurve) ins gleiche Diagramm wie die Sinusfunktion (rote Kurve).

Sinuskurve (rot) mit Krümmungsdiagramm (blau)

Im Maximum bei hat die Sinuskurve also eine negative Krümmung, nämlich , im Minimum, also bei eine positive Krümmung .

3 Krümmungskreise

Da die Krümmungskreisradien die Kehrwerte der betragsmäßigen Krümmung sind, haben wir in den Extrema Einheitskreise als Krümmungskreise.

Krümmungskreise

Wie können wir das unterschiedliche Vorzeichen der Krümmung in die beiden Krümmungskreise „einbauen“? Dazu stellen wir uns vor, dass sich die rote Sinuskurve in Richtung von wachsendem x bewegt, also von links nach rechts, und dabei wie ein Transmissionsriemen oder eine Fahrradkette die beiden als Räder gedachten Kreise antreibt. Dann wird der erste Kreis im Uhrzeigersinn, also im negativen Sinn gedreht, der zweite im positiven Drehsinn. Das entspricht den Vorzeichen der Krümmung.

4 Krümmung der Krümmung

Gehen wir nun zurück zur blauen Krümmungskurve und fragen uns, wie die Krümmung dieser Kurve aussieht. Also die Krümmung der Krümmung. Ob das mathematisch oder sonstwie sinnvoll ist, bleibe dahingestellt. Lustig ist es allemal.

Zuerst überlegen wir uns das qualitativ. Überlegung, Überlegung, Überlegung, ... .

Die Rechnung ist happig, wir müssen die ohnehin schon hässlich Krümmungsfunktion noch zweimal ableiten. Im Prinzip ist das machbar, aber wir überlassen dies dem Computer. Das Diagramm für die Krümmung der Krümmung sieht dramatisch aus.

Krümmung der Krümmung (magenta)

Die extremen Krümmungen der blauen Krümmungskurve sind , wir haben also dort die Krümmungskreisradien .

Krümmungskreislein

5 Krümmung der Krümmung der Krümmung

Natürlich hat uns jetzt der Hafer gestochen und wir fragen nach der Krümmung der Krümmung der Krümmung. Die magenta Extrema haben aber offensichtlich eine sehr große Krümmung, sind ja fast Nadelspitzen.

Die Krümmung der magenta Kurve ist im folgenden Diagramm grün gezeichnet.

Krümmung der Krümmung der Krümmung

Allerdings ist diese Grafik oben und unten abgeschnitten. Die extreme Krümmung der magenta Kurve ist nämlich , und das kann unverzerrt nicht mehr gezeichnet werden. Und in einem verzerrten Bild sehen wir sonst fast nichts mehr.

Vollständige, aber verzerrte Darstellung

Das erinnert an die philosophische Frage, wie viele Engel auf einer Nadelspitze Platz finden.