空間曲線; ベクトル T N B T N 接触平面 。 フレネ・セレの公式 (ふれねせれのこうしき、英 : Frenet–Serret formulas ) は、3次元 ユークリッド空間 内 R 3 微分可能 な曲線 上を動く粒子の運動学 的性質、あるいは、曲線自身の幾何学 的性質を記述するベクトル解析 の概念の一つである。
公式 この公式は、曲線に対する接線 方向 (tangent)・主法線 方向 (normal)・従法線方向 (binormal)を指す３つの単位ベクトル の組{T N B フレネ・セレ標構 とその微分 との間の線形関係について記述したものであり、二人のフランス人数学者ジャン・フレデリック・フルネ（英語版） (Jean Frédéric Frenet, 1847) とジョゼフ・アルフレッド・セレ（英語版） (Joseph Alfred Serret, 1851) によって独立に発見された。
フレネ・セレ基底を構成する単位接ベクトル T N B
T 単位ベクトル で、運動の方向を向いている。N T 弧長 で微分し、その大きさで割ったものである。B T N ベクトル積 である。フレネ・セレの公式は
d T d s = κ N d N d s = − κ T + τ B d B d s = − τ N {\displaystyle {\begin{matrix}\displaystyle {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {T}}}{\mathrm {d} s}}&=&&\kappa {\boldsymbol {N}}&\\&&&&\\\displaystyle {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {N}}}{\mathrm {d} s}}&=&-\kappa {\boldsymbol {T}}&&+\,\tau {\boldsymbol {B}}\\&&&&\\\displaystyle {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {B}}}{\mathrm {d} s}}&=&&-\tau {\boldsymbol {N}}&\end{matrix}}} あるいは
d d s ( T N B ) = ( 0 κ 0 − κ 0 τ 0 − τ 0 ) ( T N B ) {\displaystyle \displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}{\begin{pmatrix}{\boldsymbol {T}}\\{\boldsymbol {N}}\\{\boldsymbol {B}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&\kappa &0\\-\kappa &0&\tau \\0&-\tau &0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{\boldsymbol {T}}\\{\boldsymbol {N}}\\{\boldsymbol {B}}\end{pmatrix}}} と表される。
ここで、d/ds は、弧長についての微分を表し、κ , τ はそれぞれ曲線の曲率 、捩率 を表す。
導出 前提 ユークリッド空間 内を運動する粒子の時刻 t における位置ベクトル を r t )r t )曲線 である。 ただし、 r t ) は滑らかな関数 であり、 軌道は曲がっている (r t )r t )
弧長パラメータ s (t ) を弧長 、すなわち、粒子が時刻 t までに曲線上を動いた距離
s ( t ) = ∫ 0 t ‖ r ′ ( σ ) ‖ d σ . {\displaystyle s(t)=\int _{0}^{t}\|{\boldsymbol {r}}'(\sigma )\|\mathrm {d} \sigma .} とする。r t を s の関数として表せ、よって、r s の関数として r s )r t (s ))パラメータ 表示できる。なお、微分は
d d s = 1 ‖ r ′ ( t ) ‖ d d t {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}={\frac {1}{\|{\boldsymbol {r}}'(t)\|}}{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} t}}} と変換できる。
互いに直交する単位ベクトルの微分 曲線上の各点 r s )正規直交基底 { e 1 (s )e 2 (s )e 3 (s )動標構（英語版） )を考える。それぞれのベクトルは s について微分可能とする。
微分したベクトル { de 1 (s )/ds , de 2 (s )/ds , de 3 (s )/ds }は、 あるスカラー関数 ω 1 (s ), ω 2 (s ), ω 3 (s ) を使って
d d s ( e 1 ( s ) e 2 ( s ) e 3 ( s ) ) = ( 0 ω 3 − ω 2 − ω 3 0 ω 1 ω 2 − ω 1 0 ) ( e 1 ( s ) e 2 ( s ) e 3 ( s ) ) {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}{\begin{pmatrix}{\boldsymbol {e}}_{1}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{2}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{3}(s)\\\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&\omega _{3}&-\omega _{2}\\-\omega _{3}&0&\omega _{1}\\\omega _{2}&-\omega _{1}&0\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{\boldsymbol {e}}_{1}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{2}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{3}(s)\\\end{pmatrix}}} と表せる。
行列の反対称性の証明
基底の縦表示
Q = ( e 1 ( s ) e 2 ( s ) e 3 ( s ) ) {\displaystyle Q={\begin{pmatrix}{\boldsymbol {e}}_{1}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{2}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{3}(s)\end{pmatrix}}} を考える。これらの要素のベクトルは基底をなすから任意のベクトルを線形和で表示できる。 よって自身の微分に対しても
d Q d s = Ω Q {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} s}}={\it {\Omega }}\,Q} となる行列 Ω が存在する。 よって、証明すべきことはこの行列が反対称性 (Ω T =-Ω ) を持つことである。
さて、 { e 1 (s )e 2 (s )e 3 (s )
Q ⋅ Q T = ( e 1 ( s ) e 2 ( s ) e 3 ( s ) ) ⋅ ( e 1 ( s ) e 2 ( s ) e 3 ( s ) ) = ( 1 0 0 0 1 0 0 0 1 ) ∴ Q ⋅ Q T = I {\displaystyle {\begin{aligned}Q\cdot Q^{\mathrm {T} }&={\begin{pmatrix}{\boldsymbol {e}}_{1}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{2}(s)\\{\boldsymbol {e}}_{3}(s)\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}{\boldsymbol {e}}_{1}(s)&{\boldsymbol {e}}_{2}(s)&{\boldsymbol {e}}_{3}(s)\end{pmatrix}}\\&={\begin{pmatrix}1&0&0\\0&1&0\\0&0&1\end{pmatrix}}\\\therefore Q\cdot Q^{\mathrm {T} }&=I\end{aligned}}} となる。
これを式(p1)に適用すると
Ω = d Q d s ⋅ Q T {\displaystyle {\it {\Omega }}={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} s}}\cdot Q^{\mathrm {T} }} が得られる。
また、I Q Q T の両辺を微分すると、
0 = d Q d s ⋅ Q T + Q ⋅ d Q T d s = d Q d s ⋅ Q T + ( d Q d s ⋅ Q T ) T = Ω + Ω T {\displaystyle {\begin{aligned}0&=\displaystyle {\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} s}}\cdot Q^{\mathrm {T} }+Q\cdot {\frac {\mathrm {d} Q^{\mathrm {T} }}{\mathrm {d} s}}\\&=\displaystyle {\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} s}}\cdot Q^{\mathrm {T} }+\left({\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} s}}\cdot Q^{\mathrm {T} }\right)^{\mathrm {T} }&={\it {\Omega }}+{\it {\Omega }}^{\mathrm {T} }\end{aligned}}} が導かれる。これより、Ω が反対称性
Ω = ( 0 ω 3 − ω 2 − ω 3 0 ω 1 ω 2 − ω 1 0 ) {\displaystyle {\it {\Omega }}={\begin{pmatrix}0&\omega _{3}&-\omega _{2}\\-\omega _{3}&0&\omega _{1}\\\omega _{2}&-\omega _{1}&0\end{pmatrix}}} を持つことが示せた。
反対称行列は3個のパラメータで表せるが、以下に示すように、正規直交基底を適切に選ぶと反対称行列の成分を2個のパラメータで表すことができる。
フレネ・セレ標構 曲線上の各点 r s )T N B
T ≡ d r d s = r ′ ( t ) ‖ r ′ ( t ) ‖ ( 1 ) N ≡ d T / d s ‖ d T / d s ‖ = r ′ ( t ) × ( r ″ ( t ) × r ′ ( t ) ) ‖ r ′ ( t ) × ( r ″ ( t ) × r ′ ( t ) ) ‖ ( 2 ) B ≡ T × N = r ′ ( t ) × r ″ ( t ) ‖ r ′ ( t ) × r ″ ( t ) ‖ ( 3 ) {\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {T}}&\equiv {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} s}}\\&={\frac {{\boldsymbol {r}}'(t)}{\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\right\|}}&(1)\\[1.0em]{\boldsymbol {N}}&\equiv {\frac {{\mathrm {d} {\boldsymbol {T}}}/{\mathrm {d} s}}{\left\|{\mathrm {d} {\boldsymbol {T}}}/{\mathrm {d} s}\right\|}}\\&={\frac {{\boldsymbol {r}}'(t)\times ({\boldsymbol {r}}''(t)\times {\boldsymbol {r}}'(t))}{\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\times ({\boldsymbol {r}}''(t)\times {\boldsymbol {r}}'(t))\right\|}}&(2)\\[1.0em]{\boldsymbol {B}}&\equiv {\boldsymbol {T}}\times {\boldsymbol {N}}\\&={\frac {{\boldsymbol {r}}'(t)\times {\boldsymbol {r}}''(t)}{\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\times {\boldsymbol {r}}''(t)\right\|}}&(3)\end{aligned}}} これらは正規直交基底であり、この順に右手系をなすことがわかる。{T N B
フレネ・セレの公式 フレネ・セレ標構に対して、動標構の微分の関係式(0)を適用すると、フレネ・セレ標構の定義(2)からω 2 =0となる。 ω 3 =κ ,ω 1 =τ と置き換えるとフレネ・セレの公式:
d d s ( T N B ) = ( 0 κ 0 − κ 0 τ 0 − τ 0 ) ( T N B ) {\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} s}}{\begin{pmatrix}{\boldsymbol {T}}\\{\boldsymbol {N}}\\{\boldsymbol {B}}\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}0&\kappa &0\\-\kappa &0&\tau \\0&-\tau &0\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}{\boldsymbol {T}}\\{\boldsymbol {N}}\\{\boldsymbol {B}}\end{pmatrix}}} が得られる。
κ ,τ はそれぞれ曲線の曲率、捩率を表し、公式より、
κ = d T d s ⋅ N = ‖ r ′ ( t ) × r ″ ( t ) ‖ ‖ r ′ ( t ) ‖ 3 τ = − d B d s ⋅ N = r ′ ( t ) ⋅ ( r ″ ( t ) × r ‴ ( t ) ) ‖ r ′ ( t ) × r ″ ( t ) ‖ 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\kappa &={\mathrm {d} {\boldsymbol {T}} \over \mathrm {d} s}\cdot {\boldsymbol {N}}\\&={\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\times {\boldsymbol {r}}''(t)\right\| \over \left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\right\|^{3}}\\\tau &=-{\mathrm {d} {\boldsymbol {B}} \over \mathrm {d} s}\cdot {\boldsymbol {N}}\\&={{\boldsymbol {r}}'(t)\cdot ({\boldsymbol {r}}''(t)\times {\boldsymbol {r}}'''(t)) \over \left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\times {\boldsymbol {r}}''(t)\right\|^{2}}\end{aligned}}} と与えられる。定義により κ >0
具体例 螺旋 上を動くフレネ・セレ標構。青い矢印は T N B 半径 r (>0)、間隔 2π h 、角速度ω (>0)の螺旋 上の運動
x ( t ) = r cos ( ω t ) y ( t ) = r sin ( ω t ) z ( t ) = h ω t {\displaystyle {\begin{aligned}x(t)&=r\cos(\omega t)\\y(t)&=r\sin(\omega t)\\z(t)&=h\omega t\end{aligned}}} を考える。弧長は
s ( t ) = r 2 + h 2 ω t {\displaystyle s(t)={\sqrt {r^{2}+h^{2}}}\,\omega t} で与えられる。
フレネ・セレ標構は
T ( s ) = 1 r 2 + h 2 ( − r sin ( ω t ) , r cos ( ω t ) , h ) N ( s ) = ( − cos ( ω t ) , − sin ( ω t ) , 0 ) B ( s ) = 1 r 2 + h 2 ( h sin ( ω t ) , − h cos ( ω t ) , r ) {\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {T}}(s)&={\frac {1}{\sqrt {r^{2}+h^{2}}}}{\begin{pmatrix}-r\sin(\omega t),&r\cos(\omega t),&h\end{pmatrix}}\\{\boldsymbol {N}}(s)&={\begin{pmatrix}-\cos(\omega t),&-\sin(\omega t),&0\end{pmatrix}}\\{\boldsymbol {B}}(s)&={\frac {1}{\sqrt {r^{2}+h^{2}}}}{\begin{pmatrix}h\sin(\omega t),&-h\cos(\omega t),&r\end{pmatrix}}\end{aligned}}} であり、曲率・捩率は
κ = r r 2 + h 2 τ = h r 2 + h 2 {\displaystyle {\begin{aligned}\kappa &={\frac {r}{r^{2}+h^{2}}}\\\tau &={\frac {h}{r^{2}+h^{2}}}\end{aligned}}} となる。
h =0 のとき、軌道は xy 面内の半径 r の円周になり、曲率は κ =1/r 、 捩率は τ =0 となる。|h | が大きくなるにつれ、曲率はκ →0、捩率は τ →1/h となる。
応用例 ロボットマニピュレータの姿勢とその軌道を記述したり、蛇型ロボットや多関節ロボットを連続曲線で近似して表現する際に用いられる。
脚注 参考文献 小林昭七『曲線と曲面の微分幾何』裳華房 〈基礎数学選書17〉、1977年。http://www.shokabo.co.jp/series/211_kisosuu.html 。 小林昭七『曲線と曲面の微分幾何(改訂版)』裳華房、1995年。ISBN 978-4-7853-1091-2。http://www.shokabo.co.jp/mybooks/ISBN978-4-7853-1091-2.htm 。 蘭豊礼、玉井博文、三浦憲二郎、牧野洋「リニアな曲率・捩率を持つセグメントによる軌道生成」『精密工学会誌』第78巻第7号、2012年、605-610頁。 Jorge Angeles (2003) (PDF). Fundamentals of Robotic Mechanical Systems. Theory, Methods, Algorithms, second Edition . Mechanical Engineering Series. Springer , New York. ISBN 0-387-95368-X. http://www.robotee.com/Ebooks/Fundamentals_of_Robotic_Mechanical_Systems.pdf 2014年7月9日 閲覧。 Jorge Angeles (2014). Fundamentals of Robotic Mechanical Systems. Theory, Methods, Algorithms, Fourth Edition . Mechanical Engineering Series. Springer, New York. ISBN 978-3-319-01850-8. http://www.springer.com/engineering/mechanical+engineering/book/978-3-319-01850-8 山田浩也、広瀬茂男 「索状能動体の研究―多関節体幹による連続曲線近似法―」『日本ロボット学会誌』第26巻第1号、2008年、110-120頁。 山田浩也『索状能動体の3次元運動解析に基づく機構と制御の研究』東京工業大学 〈博士論文(甲第7192号)〉、2008年3月26日。http://tdl.libra.titech.ac.jp/hkshi/recordID/dissertation.bib/TT00008875?hit=-1&caller=xc-search 。 関連項目 
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\boldsymbol {T}}&\equiv {\frac {\mathrm {d} {\boldsymbol {r}}}{\mathrm {d} s}}\\&={\frac {{\boldsymbol {r}}'(t)}{\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\right\|}}&(1)\\[1.0em]{\boldsymbol {N}}&\equiv {\frac {{\mathrm {d} {\boldsymbol {T}}}/{\mathrm {d} s}}{\left\|{\mathrm {d} {\boldsymbol {T}}}/{\mathrm {d} s}\right\|}}\\&={\frac {{\boldsymbol {r}}'(t)\times ({\boldsymbol {r}}''(t)\times {\boldsymbol {r}}'(t))}{\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\times ({\boldsymbol {r}}''(t)\times {\boldsymbol {r}}'(t))\right\|}}&(2)\\[1.0em]{\boldsymbol {B}}&\equiv {\boldsymbol {T}}\times {\boldsymbol {N}}\\&={\frac {{\boldsymbol {r}}'(t)\times {\boldsymbol {r}}''(t)}{\left\|{\boldsymbol {r}}'(t)\times {\boldsymbol {r}}''(t)\right\|}}&(3)\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/15b09655a0633465ef32d41d370f55649f590f3e)
