9.5: Cálculo y funciones polares
( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)
En la sección anterior se definieron las coordenadas polares, dando lugar a funciones polares. Investigamos trazando estas funciones y resolviendo una pregunta fundamental sobre sus gráficas, a saber, ¿dónde se cruzan dos gráficas polares?
Ahora volvemos nuestra atención a responder a otras preguntas, cuyas soluciones requieren el uso del cálculo. Una base para gran parte de lo que se hace en esta sección es la capacidad de convertir una función polarr=f(θ) en un conjunto de ecuaciones paramétricas. Usando las identidadesx=rcosθ yy=rsinθ, podemos crear las ecuaciones paramétricasx=f(θ)cosθ,y=f(θ)sinθ y aplicar los conceptos de la Sección 9.3.
Funciones polares ydydx
Nos interesan las líneas tangentes de una gráfica dada, independientemente de que esa gráfica sea producida por ecuaciones rectangulares, paramétricas o polares. En cada uno de estos contextos, la pendiente de la línea tangente esdydx. Dador=f(θ), generalmente no nos preocupar′=f′(θ); eso describe qué tan rápidor cambia con respecto aθ. En cambio, vamos a utilizarx=f(θ)cosθ,y=f(θ)sinθ para calculardydx.
Usando Key Idea 37 tenemosdydx=dydθ/dxdθ.
Cada una de las dos derivadas del lado derecho de la igualdad requiere el uso de la Regla del Producto. Declaramos el resultado importante como una Idea Clave.
idea clave 41 Encontrardydx with Polar Functions
Dejarr=f(θ) ser una función polar. Conx=f(θ)cosθ yy=f(θ)sinθ,
dydx=f′(θ)sinθ+f(θ)cosθf′(θ)cosθ−f(θ)sinθ.
Ejemplo9.5.1: Finding dydx with polar functions.
Considera el limaconr=1+2sinθ encendido[0,2π].
- Encuentra las ecuaciones de las líneas tangentes y normales a la gráfica enθ=π/4.
- Encuentra donde la gráfica tiene líneas tangentes verticales y horizontales.
Solución
- Empezamos por la computacióndydx. Conf′(θ)=2cosθ, tenemosdydx=2cosθsinθ+cosθ(1+2sinθ)2cos2θ−sinθ(1+2sinθ)=cosθ(4sinθ+1)2(cos2θ−sin2θ)−sinθ.
Cuandoθ=π/4,dydx=−2√2−1 (esto requiere un poco de simplificación). En coordenadas rectangulares, el punto en la gráficaθ=π/4 es(1+√2/2,1+√2/2). Así, la ecuación rectangular de la línea tangente al limacon enθ=π/4 esy=(−2√2−1)(x−(1+√2/2))+1+√2/2≈−3.83x+8.24. El limacon y la línea tangente se grafican en la Figura 9.47.
La línea normal tiene la pendiente opuesta-recíproca como la línea tangente, por lo que su ecuación es
y≈13.83x+1.26.
- Para encontrar las líneas horizontales de tangencia, encontramos dóndedydx=0; así encontramos donde el numerador de nuestra ecuación paradydx es 0.
cosθ(4sinθ+1)=0⇒cosθ=0or4sinθ+1=0.
En[0,2π],cosθ=0 cuandoθ=π/2, 3π/2.
Ajuste4sinθ+1=0 daθ=sin−1(−1/4)≈−0.2527=−14.48∘. Queremos los resultados en[0,2π]; también reconocemos que hay dos soluciones, una en elrd cuadrante 3 y otra en el 4th. Usando ángulos de referencia, tenemos nuestras dos soluciones asθ=3.39 y6.03 radianes. Los cuatro puntos que obtuvimos donde el limacon tiene una línea tangente horizontal se dan en la Figura 9.47 con puntos negros rellenos.
Para encontrar las líneas verticales de tangencia, establecemos el denominador dedydx=0.
\[\begin{align*}2(\cos^2\theta -\sin^2\theta)-\sin\theta &= 0 .\\ \text{Convert the cos2θ term to 1−sin2θ:}& \\ 2(1-\sin^2\theta-\sin^2\theta)-\sin\theta &= 0\\4\sin^2\theta + \sin\theta -1 &= 0.\\ \text{Recognize this as a quadratic in the variable sinθ.}&\text{ Using the quadratic formula, we have} \\\sin\theta &= \frac{-1\pm\sqrt{33}}{8}.\end{align*}\]
Resolvemossinθ=−1+√338 ysinθ=−1−√338:
sinθ=−1+√338sinθ=−1−√338θ=sin−1(−1+√338)θ=sin−1(−1−√338)θ=0.6399θ=−1.0030
En cada una de las soluciones anteriores, solo obtenemos una de las dos soluciones posibles ya quesin−1x solo devuelve soluciones en [−π/2,π/2], el 4th y1st cuadrantes. Nuevamente usando ángulos de referencia, tenemos:
sinθ=−1+√338⇒θ=0.6399, 3.7815 radians
y
sinθ=−1−√338⇒θ=4.1446, 5.2802 radians.
Estos puntos también se muestran en la Figura 9.47 con puntos rellenos de blanco.
Cuando la gráfica de la función polarr=f(θ) se cruza con el polo, significa quef(α)=0 para algún ánguloα. Así la fórmula paradydx en tales casos es muy simple, reduciendo simplemente a
dydx=tanα.
Esta ecuación hace un punto interesante. Nos dice que la pendiente de la línea tangente en el polo estanα; parte de nuestro trabajo anterior (ver, por ejemplo, Ejemplo 9.4.3) nos muestra que la línea a través del polo con pendientetanα tiene ecuación polarθ=α. Así, cuando una gráfica polar toca el polo enθ=α, la ecuación de la línea tangente en el polo esθ=α.
Ejemplo9.5.2: Finding tangent lines at the pole.
Vamosr=1+2sinθ, un limacon. Encuentra las ecuaciones de las líneas tangentes a la gráfica en el polo.
Solución
Necesitamos saber cuándor=0.
\ [\ begin {align*}
1+2\ sin\ theta &= 0\\
\ sin\ theta &= -1/2\\
\ theta &=\ frac {7\ pi} {6},\\ frac {11\ pi} 6.
\ end {alinear*}\]
Así las ecuaciones de las líneas tangentes, en polar, sonθ=7π/6 yθ=11π/6. En forma rectangular, las líneas tangentes sony=tan(7π/6)x yy=tan(11π/6)x. El limacon completo se puede ver en la Figura 9.47; acercamos las líneas tangentes en la Figura 9.48.
Nota: Recordemos que el área de un sector de un círculo con radio r subtendido por un ánguloθ esA=12θr2.
Área
Cuando se utilizan coordenadas rectangulares, las ecuacionesx=h y líneas verticales y horizontalesy=k definidas, respectivamente, y las combinaciones de estas líneas crean rectángulos (de ahí el nombre “coordenadas rectangulares”). Entonces es algo natural usar rectángulos para aproximar el área como lo hicimos al aprender sobre la integral definida.
Cuando se utilizan coordenadas polares, las ecuacionesθ=α yr=c forman líneas a través del origen y círculos centrados en el origen, respectivamente, y combinaciones de estas curvas forman sectores de círculos. Entonces es algo natural calcular el área de regiones definidas por funciones polares aproximándose primero con sectores de círculos.
Considere la Figura 9.49 (a) donde[α,β] se da una región definida porr=f(θ) on. (Obsérvese cómo los “lados” de la región son las líneasθ=α yθ=β, mientras que en las coordenadas rectangulares los “lados” de las regiones eran a menudo las líneas verticalesx=a yx=b.)
Dividir el intervalo[α,β] en subintervalosn igualmente espaciados comoα=θ1<θ2<⋯<θn+1=β. La longitud de cada subintervalo esΔθ=(β−α)/n, representando un pequeño cambio en el ángulo. El área de la región definida por elith subintervalo se[θi,θi+1] puede aproximar con un sector de un círculo con radiof(ci), para algunosci en[θi,θi+1]. El área de este sector es12f(ci)2Δθ. Esto se muestra en la parte (b) de la figura, donde se[α,β] ha dividido en 4 subintervalos. Aproximamos el área de toda la región sumando las áreas de todos los sectores:
Area≈n∑i=112f(ci)2Δθ.
Se trata de una suma de Riemann. Al tomar el límite de la suma comon→∞, encontramos el área exacta de la región en forma de integral definida.
TEORMA 83 ÁREA DE UNA REGIÓN POLAR
Dejarf ser continuo y no negativo en[α,β], donde0≤β−α≤2π. El áreaA de la región delimitada por la curvar=f(θ) y las líneasθ=α yθ=β es
A = 12∫βαf(θ)2 dθ = 12∫βαr2 dθ
El teorema afirma que0≤β−α≤2π. Esto asegura que la región no se superponga a sí misma, lo que daría un resultado que no corresponde directamente a la zona.
Ejemplo9.5.3: Area of a polar region
Encuentra el área del círculo definida porr=cosθ. (Recordemos que este círculo tiene radio1/2.)
Solución
Esta es una aplicación directa del Teorema 83. El círculo se traza en[0,π], lo que lleva a la integral
\ [\ begin {align*}
\ text {Área} &=\ frac12\ int_0^\ pi\ cos^2\ theta\ d\ theta\\
&=\ frac12\ int_0^\ pi\ frac {1+\ cos (2\ theta)} {2}\ d\ theta\
&=\ frac14\ big (\ theta +\ frac12\ sin (\ theta)\ grande)\ Bigg|_0^\ pi\\
&=\ frac14\ pi.
\ end {alinear*}\]
Por supuesto, ya conocíamos el área de un círculo con radio1/2. Hicimos este ejemplo para demostrar que la fórmula de área es correcta.
Nota: El Ejemplo 9.5.3 requiere el uso de la integral∫cos2θ dθ. Esto se maneja bien mediante el uso de la fórmula reductora de potencia como se encuentra en el reverso de este texto. Debido a la naturaleza de la fórmula de área, integrandocos2θ ysin2θ se requiere a menudo. Ofrecemos aquí estas integrales indefinidas como medida de ahorro de tiempo.
∫cos2θ dθ=12θ+14sin(2θ)+C
∫sin2θ dθ=12θ−14sin(2θ)+C
Ejemplo9.5.4: Area of a polar region
Encontrar el área del cardiodr=1+cosθ unida entreθ=π/6 yθ=π/3, como se muestra en la Figura 9.50.
Solución
Esta es nuevamente una aplicación directa del Teorema 83.
\ [\ begin {align*}
\ text {Área} &=\ frac12\ int_ {\ pi/6} ^ {\ pi/3} (1+\ cos\ theta) ^2\ d\ theta\
&=\ frac12\ int_ {\ pi/6} ^ {\ pi/3} (1+2\ cos\ theta+\ cos^2\ theta)\ d\ theta\\
&=\ frac12\ izquierda (\ theta+2\ sin\ theta+\ frac12\ theta+\ frac14\ sin (2\ theta)\ derecha)\ Bigg|_ {\ pi/6} ^ {\ pi/3} \\
&=\ frac18\ grande (\ pi+4\ sqrt {3} -4\ grande)\ aproximadamente 0.7587.
\ end {alinear*}\]
Área entre curvas
Nuestro estudio del área en el contexto de las funciones rectangulares condujo naturalmente a encontrar áreas delimitadas entre curvas. Consideramos lo mismo en el contexto de las funciones polares. \ index {polar! ¡funciones! área entre curvas}
Considere la región sombreada que se muestra en la Figura 9.51. Podemos encontrar el área de esta región calculando el área delimitada porr2=f2(θ) y restando el área delimitada porr1=f1(θ) on[α,β]. Por lo tanto
Area = 12∫βαr22 dθ−12∫βαr21 dθ=12∫βα(r22−r21) dθ.
IDEA CLAVE 42 área entre curvas polares
El áreaA de la región delimitada porr1=f1(θ) yr2=f2(θ),θ=α yθ=β, dondef1(θ)≤f2(θ)[α,β], es
A=12∫βα(r22−r21) dθ.
Ejemplo9.5.5: Area between polar curves
Encuentra el área delimitada entre las curvasr=1+cosθ yr=3cosθ, como se muestra en la Figura 9.52.
Solución
Necesitamos encontrar los puntos de intersección entre estas dos funciones. Estableciéndolos iguales entre sí, encontramos:
\ [\ comenzar {alinear*}
1+\ cos\ theta &= 3\ cos\ theta\
\ cos\ theta &=1/2\\
\ theta &=\ pm\ pi/3
\ final {alinear*}\]
Así nos integramos12((3cosθ)2−(1+cosθ)2) en[−π/3,π/3].
\ [\ begin {align*}
\ text {Área} &=\ frac12\ int_ {-\ pi/3} ^ {\ pi/3}\ grande ((3\ cos\ theta) ^2- (1+\ cos\ theta) ^2\ grande)\ d\ theta\
&=\ frac12\ int_ {-\ pi/3} ^ {\ pi/3}\ grande (8\ cos^2\ theta-2\ cos\ theta-1\ grande)\ d\ theta\
&=\ grande (2\ sin (2\ theta) - 2\ sin\ theta+3\ theta\ grande)\ Bigg|_ {-\ pi/3} ^ {\ pi/3}\\
&= 2\ pi.
\ end {alinear*}\]
Sorprendentemente, el área entre estas curvas tiene un valor “agradable”
Ejemplo9.5.6: Area defined by polar curves
Encontrar el área delimitada entre las curvas polaresr=1 yr=2cos(2θ), como se muestra en la Figura 9.53 (a).
Solución
Necesitamos encontrar el punto de intersección entre las dos curvas. Estableciendo las dos funciones iguales entre sí, tenemos
2cos(2θ)=1⇒cos(2θ)=12⇒2θ=π/3⇒θ=π/6.
En la parte (b) de la figura, acercamos la región y observamos que no está realmente delimitada entre dos curvas polares, sino por dos curvas polares, junto conθ=0. La línea discontinua divide la región en sus partes componentes. Debajo de la línea discontinua, la región se define porr=1,θ=0 yθ=π/6. (Nota: la línea discontinua se encuentra en la líneaθ=π/6.) Por encima de la línea discontinua la región está delimitada porr=2cos(2θ) yθ=π/6. Como tenemos dos regiones separadas, encontramos el área usando dos integrales separadas.
Llame al área debajo de la línea discontinuaA1 y al área por encima de la línea discontinuaA2. Están determinados por las siguientes integrales:
A1=12∫π/60(1)2 dθA2=12∫π/4π/6(2cos(2θ))2 dθ.
(El límite superior de la computación integralA2 esπ/4 comor=2cos(2θ) está en el polo cuandoθ=π/4.)
Omitimos los detalles de integración y dejamos que el lector verifique esoA1=π/12 yA2=π/12−√3/8; el área total esA=π/6−√3/8.
Longitud del arco
Como ya hemos considerado la longitud del arco de las curvas definidas por ecuaciones rectangulares y paramétricas, ahora la consideramos en el contexto de ecuaciones polares. Recordemos que la longitudL del arco de la gráfica definida por las ecuaciones paramétricasx=f(t),y=g(t) on[a,b] es
L=∫ba√f′(t)2+g′(t)2 dt=∫ba√x′(t)2+y′(t)2 dt.
Consideremos ahora la función polarr=f(θ). Nuevamente utilizamos las identidadesx=f(θ)cosθ yy=f(θ)sinθ para crear ecuaciones paramétricas basadas en la función polar. Calculamosx′(θ) yy′(θ) como se hace antes al momento de calculardydx, luego aplicamos la Ecuación\ ref {eq:polar_arclength}.
La expresión sex′(θ)2+y′(θ)2 puede simplificar mucho; dejamos esto como un ejercicio y declaramos quex′(θ)2+y′(θ)2=f′(θ)2+f(θ)2.
Esto nos lleva a la fórmula de longitud de arco.
idea clave 43 longitud de arco de curvas polares
Dejarr=f(θ) ser una función polar conf′ continuo en un intervalo abiertoI que contiene[α,β], en el que la gráfica se traza solo una vez. La longitudL del arco de la gráfica[α,β] es
L=∫βα√f′(θ)2+f(θ)2 dθ=∫βα√(r′)2+r2 dθ.
Ejemplo9.5.7: Arc length of a limacon
Encuentra la longitud del arco del limaconr=1+2sint.
Solución
Conr=1+2sint, tenemosr′=2cost. El limacon se traza una vez[0,2π], dándonos nuestros límites de integración. Aplicando Key Idea 43, tenemos
\ [\ begin {alinear*}
L &=\ int_0^ {2\ pi}\ sqrt {(2\ cos\ theta) ^2+ (1+2\ sin\ theta) ^2}\ d\ theta\
&=\ int_0^ {2\ pi}\ sqrt {4\ cos^2\ theta+4\ sin^2\ theta +4\ sin\ theta+4\ sin\ theta+ +1}\ d\ theta\\
&=\ int_0^ {2\ pi}\ sqrt {4\ sin\ theta+5}\ d\ theta\\
&\ aprox 13.3649.
\ end {alinear*}\]
Figura 9.54: El limacon en el Ejemplo 9.5.7 cuya longitud de arco se mide.
La integral final no puede resolverse en términos de funciones elementales, por lo que recurrimos a una aproximación numérica. (La regla de Simpson, conn=4, aproxima el valor con13.0608. El uson=22 da el valor anterior, que es exacto a 4 lugares después del decimal.)
Superficie
La fórmula para la longitud del arco nos lleva a una fórmula para el área de superficie. La siguiente Idea Clave se basa en la Idea Clave 39.
KEY IDEA 44 SUPERFICIE DE UN SÓLIDO
Considera la gráfica de la ecuación polarr=f(θ), dondef′ es continua en un intervalo abierto que contiene[α,β] sobre el cual la gráfica no se cruza a sí misma.
- El área superficial del sólido formado al girar la gráfica alrededor del rayo inicial (θ=0) es:Surface Area=2π∫βαf(θ)sinθ√f′(θ)2+f(θ)2 dθ.
- El área superficial del sólido formado al girar la gráfica alrededor de la líneaθ=π/2 es:Surface Area=2π∫βαf(θ)cosθ√f′(θ)2+f(θ)2 dθ.
Ejemplo9.5.8: Surface area determined by a polar curve
Encuentra el área de superficie formada al girar un pétalo de la curva de la rosar=cos(2θ) alrededor de su eje central (ver Figura 9.55.
Solución
Elegimos, como implica la figura, girar la porción de la curva sobre la que se encuentra[0,π/4] alrededor del rayo inicial. Usando Key Idea\ ref {idea:surface_area_polar} y el hecho de quef′(θ)=−2sin(2θ), tenemos
\ [\ begin {align*}
\ text {Superficie} &= 2\ pi\ int_0^ {\ pi/4}\ cos (2\ theta)\ sin (\ theta)\ sqrt {\ grande (-2\ sin (2\ theta)\ grande) ^2+\ grande (\ cos (2\ theta)\ grande) ^2}\ d\ theta\
&\ aprox 36707.
\ end {alinear*}\]
La integral es otra que no puede ser evaluada en términos de funciones elementales. La Regla de Simpson, conn=4, aproxima el valor en1.36751.%; conn=10, el valor es exacto a 4 decimales.
Este capítulo ha sido sobre las curvas en el plano. Si bien hay grandes matemáticas por descubrir en las dos dimensiones de un plano, vivimos en un mundo tridimensional y por lo tanto también debemos buscar hacer matemáticas en 3D —es decir, en el espacio. El siguiente capítulo inicia nuestra exploración en el espacio introduciendo el tema de los vectores, que son objetos matemáticos increíblemente útiles y poderosos.