\[\newcommand{\N}{\mathbb N}
\newcommand{\Z}{\mathbb Z}
\newcommand{\Q}{\mathbb Q}
\newcommand{\R}{\mathbb R}
\newcommand{\C}{\mathbb C}
\newcommand{\ba}{\mathbf{a}}
\newcommand{\bb}{\mathbf{b}}
\newcommand{\bc}{\mathbf{c}}
\newcommand{\bd}{\mathbf{d}}
\newcommand{\be}{\mathbf{e}}
\newcommand{\bff}{\mathbf{f}}
\newcommand{\bh}{\mathbf{h}}
\newcommand{\bi}{\mathbf{i}}
\newcommand{\bj}{\mathbf{j}}
\newcommand{\bk}{\mathbf{k}}
\newcommand{\bN}{\mathbf{N}}
\newcommand{\bn}{\mathbf{n}}
\newcommand{\bo}{\mathbf{0}}
\newcommand{\bp}{\mathbf{p}}
\newcommand{\bq}{\mathbf{q}}
\newcommand{\br}{\mathbf{r}}
\newcommand{\bs}{\mathbf{s}}
\newcommand{\bT}{\mathbf{T}}
\newcommand{\bu}{\mathbf{u}}
\newcommand{\bv}{\mathbf{v}}
\newcommand{\bw}{\mathbf{w}}
\newcommand{\bx}{\mathbf{x}}
\newcommand{\by}{\mathbf{y}}
\newcommand{\bz}{\mathbf{z}}
\newcommand{\bzero}{\mathbf{0}}
\newcommand{\nv}{\mathbf{0}}
\newcommand{\cA}{\mathcal{A}}
\newcommand{\cB}{\mathcal{B}}
\newcommand{\cC}{\mathcal{C}}
\newcommand{\cD}{\mathcal{D}}
\newcommand{\cE}{\mathcal{E}}
\newcommand{\cF}{\mathcal{F}}
\newcommand{\cG}{\mathcal{G}}
\newcommand{\cH}{\mathcal{H}}
\newcommand{\cI}{\mathcal{I}}
\newcommand{\cJ}{\mathcal{J}}
\newcommand{\cK}{\mathcal{K}}
\newcommand{\cL}{\mathcal{L}}
\newcommand{\cM}{\mathcal{M}}
\newcommand{\cN}{\mathcal{N}}
\newcommand{\cO}{\mathcal{O}}
\newcommand{\cP}{\mathcal{P}}
\newcommand{\cQ}{\mathcal{Q}}
\newcommand{\cR}{\mathcal{R}}
\newcommand{\cS}{\mathcal{S}}
\newcommand{\cT}{\mathcal{T}}
\newcommand{\cU}{\mathcal{U}}
\newcommand{\cV}{\mathcal{V}}
\newcommand{\cW}{\mathcal{W}}
\newcommand{\cX}{\mathcal{X}}
\newcommand{\cY}{\mathcal{Y}}
\newcommand{\cZ}{\mathcal{Z}}
\newcommand{\rA}{\mathrm{A}}
\newcommand{\rB}{\mathrm{B}}
\newcommand{\rC}{\mathrm{C}}
\newcommand{\rD}{\mathrm{D}}
\newcommand{\rE}{\mathrm{E}}
\newcommand{\rF}{\mathrm{F}}
\newcommand{\rG}{\mathrm{G}}
\newcommand{\rH}{\mathrm{H}}
\newcommand{\rI}{\mathrm{I}}
\newcommand{\rJ}{\mathrm{J}}
\newcommand{\rK}{\mathrm{K}}
\newcommand{\rL}{\mathrm{L}}
\newcommand{\rM}{\mathrm{M}}
\newcommand{\rN}{\mathrm{N}}
\newcommand{\rO}{\mathrm{O}}
\newcommand{\rP}{\mathrm{P}}
\newcommand{\rQ}{\mathrm{Q}}
\newcommand{\rR}{\mathrm{R}}
\newcommand{\rS}{\mathrm{S}}
\newcommand{\rT}{\mathrm{T}}
\newcommand{\rU}{\mathrm{U}}
\newcommand{\rV}{\mathrm{V}}
\newcommand{\rW}{\mathrm{W}}
\newcommand{\rX}{\mathrm{X}}
\newcommand{\rY}{\mathrm{Y}}
\newcommand{\rZ}{\mathrm{Z}}
\newcommand{\pv}{\overline}
\newcommand{\iu}{\mathrm{i}}
\newcommand{\ju}{\mathrm{j}}
\newcommand{\im}{\mathrm{i}}
\newcommand{\e}{\mathrm{e}}
\newcommand{\real}{\operatorname{Re}}
\newcommand{\imag}{\operatorname{Im}}
\newcommand{\Arg}{\operatorname{Arg}}
\newcommand{\Ln}{\operatorname{Ln}}
\DeclareMathOperator*{\res}{res}
\newcommand{\re}{\operatorname{Re}}
\newcommand{\im}{\operatorname{Im}}
\newcommand{\arsinh}{\operatorname{ar\,sinh}}
\newcommand{\arcosh}{\operatorname{ar\,cosh}}
\newcommand{\artanh}{\operatorname{ar\,tanh}}
\newcommand{\sgn}{\operatorname{sgn}}
\newcommand{\diag}{\operatorname{diag}}
\newcommand{\proj}{\operatorname{proj}}
\newcommand{\rref}{\operatorname{rref}}
\newcommand{\rank}{\operatorname{rank}}
\newcommand{\Span}{\operatorname{span}}
\newcommand{\vir}{\operatorname{span}}
\renewcommand{\dim}{\operatorname{dim}}
\newcommand{\alg}{\operatorname{alg}}
\newcommand{\geom}{\operatorname{geom}}
\newcommand{\id}{\operatorname{id}}
\newcommand{\norm}[1]{\lVert #1 \rVert}
\newcommand{\tp}[1]{#1^{\top}}
\renewcommand{\d}{\mathrm{d}}
\newcommand{\sij}[2]{\bigg/_{\mspace{-15mu}#1}^{\,#2}}
\newcommand{\abs}[1]{\lvert#1\rvert}
\newcommand{\pysty}[1]{\left[\begin{array}{@{}r@{}}#1\end{array}\right]}
\newcommand{\piste}{\cdot}
\newcommand{\qedhere}{}
\newcommand{\taumatrix}[1]{\left[\!\!#1\!\!\right]}
\newenvironment{augmatrix}[1]{\left[\begin{array}{#1}}{\end{array}\right]}
\newenvironment{vaugmatrix}[1]{\left|\begin{array}{#1}}{\end{array}\right|}
\newcommand{\trans}{\mathrm{T}}
\newcommand{\EUR}{\text{\unicode{0x20AC}}}
\newcommand{\SI}[3][]{#2\,\mathrm{#3}}
\newcommand{\si}[2][]{\mathrm{#2}}
\newcommand{\num}[2][]{#2}
\newcommand{\ang}[2][]{#2^{\circ}}
\newcommand{\meter}{m}
\newcommand{\metre}{\meter}
\newcommand{\kilo}{k}
\newcommand{\kilogram}{kg}
\newcommand{\gram}{g}
\newcommand{\squared}{^2}
\newcommand{\cubed}{^3}
\newcommand{\minute}{min}
\newcommand{\hour}{h}
\newcommand{\second}{s}
\newcommand{\degreeCelsius}{^{\circ}C}
\newcommand{\per}{/}
\newcommand{\centi}{c}
\newcommand{\milli}{m}
\newcommand{\deci}{d}
\newcommand{\percent}{\%}
\newcommand{\Var}{\operatorname{Var}}
\newcommand{\Cov}{\operatorname{Cov}}
\newcommand{\Corr}{\operatorname{Corr}}
\newcommand{\Tasd}{\operatorname{Tasd}}
\newcommand{\Ber}{\operatorname{Ber}}
\newcommand{\Bin}{\operatorname{Bin}}
\newcommand{\Geom}{\operatorname{Geom}}
\newcommand{\Poi}{\operatorname{Poi}}
\newcommand{\Hyperg}{\operatorname{Hyperg}}
\newcommand{\Tas}{\operatorname{Tas}}
\newcommand{\Exp}{\operatorname{Exp}}
\newcommand{\tdist}{\operatorname{t}}
\newcommand{\rd}{\mathrm{d}}
\newcommand{\oiint}{\unicode{x222F}}\]
Kaaren pituus
Olkoon \(\br\colon [a,b]\to \R^n\) käyrän \(C\) jatkuvasti derivoituva parametrisointi.
Jos käyrää approksimoidaan sen sekanteista muodostetulla murtoviivalla ja annetaan
approksimaation tihentyä, voidaan olettaa, että murtoviivojen pituudet suppenevat kohti
lukua \(\ell\), joka olisi tutkittavan käyrän pituus. Osoittautuu, että näin todella
käy ja että kaaren pituus saadaan integraalina (arc length)
\[\ell (C) = \int_a^b \| \br'(t)\|\, dt.\]
Tämän perustelemiseksi tarkastellaan välin \([a,b]\) tasavälistä jakoa pisteillä
\(t_k=a+ k\cdot \Delta t\),
missä \(\Delta t=(b-a)/n\) ja \(n\) on jakovälien lukumäärä. Tällöin siis \(t_0=a\) ja \(t_n=b\).
Jos merkitään \(\Delta \br_k=\br(t_{k})-\br(t_{k-1})\), niin vastaavan murtoviivan pituus
on \(\sum_k \| \Delta \br_k\|\). Jokaisella \(k\) on approksimaation (1) mukaan voimassa
\[\Delta \br_k =\br(t_k)-\br(t_{k-1}) \approx \br'(t_{k-1})\Delta t,\]
joten murtoviivan pituus on likimäärin
\[\sum_{k=1}^{n}\| \br'(t_{k-1})\|\Delta t \approx \int_a^b \|\br'(t)\|\, dt.\]
Voidaan osoittaa, että rajalla \(n\to\infty\), ts. kun \(\Delta t\to 0\), murtoviivojen
pituuksilla on raja-arvona tämä integraali, joka siis esittää kyseisen käyrän
pituutta. Lausekkeen \(\|\mathbf{r}'(t)\|\) konkreettinen tulkinta on kaaren pituuden
paikallinen suurennussuhde (joka voi olla myös \(< 1\)), kun siirrytään parametriväliltä
käyrälle.
Jos käyrän parametrisointi on ainoastaan (piecewise smooth) paloittain jatkuvasti derivoituva,
saadaan koko käyrän pituus laskemalla osien pituudet yhteen.
Koska samalla käyrällä voi olla useita erilaisia parametrisointeja, herää kysymys
siitä, onko kaaren pituus itse käyrään vai pelkästään tiettyyn parametrisointiin liittyvä
luku. Voidaan osoittaa, ettei kaaren pituus riipu parametrisoinnin valinnasta eikä sen
suunnasta. Hieman täsmällisemmin muotoiltuna pätee: jos uusi parametrisointi saadaan
muuttujanvaihdolla entisestä, niin niitä vastaavien kaarenpituusintegraalien arvot ovat
samat (Täytyy kuitenkin huomata, että jos yksikköympyrä parametrisoidaan kiertämällä se kaksi
kertaa ympäri muodossa \(x=\cos t\), \(y=\sin t\), \(0\le t\le 4\pi\), niin itse käyrä ei muutu,
mutta kaaren pituus kaksinkertaistuu. Tarkasti ottaen
parametrisointi määrää kaiken yksikäsitteisellä tavalla, mutta pelkkä käyrä joukkona ei).
Esimerkki 2.5.1
Lasketaan Helix-käyrän \(\br(t)=(\cos t,\sin t,t)\) kaaren pituus parametrivälillä
\(t\in [0,2\pi]\). Koska \(\br'(t)=-\sin t\bi +\cos t\bj+\bk\), niin
\[\| \br'(t)\|=\sqrt{(-\sin t)^2+\cos^2 t+1} = \sqrt{2},\]
joten kaaren pituudeksi saadaan
\[\ell =\int_0^{2\pi}\|\br'(t)\|\, dt =2\sqrt{2}\pi.\]
Esimerkissä parametrisointi venyttää parametrivälin pituutta kertoimella
\(2\sqrt{2}\pi/2\pi = \sqrt{2}\). Valitsemalla uusi parametri \(s=\sqrt{2}t\), eli
\(t=s/\sqrt{2}\), saadaan toinen parametrisointi
\[\br(s)=(\cos (s/\sqrt{2}),\sin (s/\sqrt{2}),s/\sqrt{2}),\]
jolle \(\|\br'(s)\|=1\) kaikilla \(s\). Tämä tarkoittaa sitä, että kaaren pituus itse käyrällä
on täsmälleen sama kuin vastaavan parametrivälin pituus. Tällaista kutsutaan parametrisoinniksi
kaaren pituuden suhteen ja se voidaan periaatteessa muodostaa kaikille käyrille. Tuloksella on
kuitenkin lähinnä teoreettista mielenkiintoa, koska kaarenpituusintegraaleja ei yleensä
voida esittää alkeisfunktioiden avulla, vaan ne täytyy laskea numeerisesti.
Esimerkki 2.5.2
Funktion kuvaajan \(y=f(x)\) kaaren pituudelle on olemassa jo ennestään tuttu kaava.
Tutkitaan, millainen tulos saadaan käyttämällä tämän luvun yleisempää tulosta.
Kuvaaja voidaan parametrisoida muodossa \(x=t,\ y=f(t)\), \(t\in [a,b]\). Tällöin
\(\br'(t)=\bi+f'(t)\bj\) ja \(\| \br'(t)\|=\sqrt{1+f'(t)^2}\), joten kaarenpituudeksi saadaan
\[\ell = \int_a^b \sqrt{1+f'(t)^2} \, dt\]
aivan kuten ennenkin, koska määrätyssä integraalissa muuttujan nimellä ei ole merkitystä
(\(x\) tai \(t\)).
Kaaren pituutta voidaan yleisemmin tutkia myös sellaisille käyrille, joiden parametrisointi
on muodostettu rajoittamattomalla välillä, ja kaarenpituusintegraalista tulee tällöin
epäoleellinen. Jos tämä integraali on suppeneva, niin käyrää sanotaan suoristuvaksi.
(rectifiable)
Esimerkki 2.5.3
Onko spiraalin \(x=e^{-t}\cos t,\ y=e^{-t}\sin t\), \(t\ge 0\), kaarenpituus äärellinen?
Lasketaan siis
\[\br'(t)=e^{-t}(-\cos t-\sin t)\bi +e^{-t}(\cos t-\sin t)\bj,\]
josta
\[\| \br'(t)\|=e^{-t}\sqrt{(-\cos t-\sin t)^2 +(\cos t-\sin t)^2}= \sqrt{2}e^{-t}.\]
Näin ollen kaarenpituudeksi saadaan
\[\ell = \int_0^{\infty}\|\br'(t)\|\, dt =\sqrt{2}\int_0^{\infty}e^{-t}\, dt =\sqrt{2},\]
joten spiraali on suoristuva.
On syytä mainita, ettei pelkkä jatkuvuus takaa edes sitä, että suljetulla
välillä parametrisoitu tasokäyrä olisi suoristuva. Tunnetuin esimerkki tällaisesta
on ns. Lumihiutalekäyrä,
jonka keksi ruotsalainen Helge von Koch v. 1904.
Tässä yleisemmässä tilanteessa suoristuvuutta ei voida enää tutkia integraalina,
vaan päättelyn täytyy perustua ainoastaan approksimoivien murtoviivojen pituuksiin.