FUNCIONES VECTORIALES
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y
x
r(t)P
r(t) Q
r(t+t)
r
Vector velocidad
FUNCIONES VECTORIALES
Mtro. Óscar Ruiz Chávez
Universidad Autónoma de Ciudad Juárez
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
1
1
1
v0
vv
v
a
a
a
y0
altura inicial
v0 - v e lo c i d a d i n i c i a l
INDICE
FUNCIONES VECTORIALES___________________3
FUNCIÓN VECTORIAL_________________________________________________4
Dominio de una función vectorial_______________________________________________5
Operaciones con funciones vectoriales__________________________________________6
Límites y Continuidad________________________________________________________6
Derivación de funciones vectoriales_____________________________________________7
Integración de funciones vectoriales____________________________________________9
DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN_______________________10
Definición de velocidad, aceleración y rapidez___________________________________11
Movimiento de proyectiles – Tiro parabólico_____________________________________13
Vectores tangentes y vectores normales________________________________________17
Vector aceleración – componentes tangencial y normal____________________________23
LONGITUD DE ARCO Y CURVATURA___________________________________26
Longitud de arco___________________________________________________________27
Curvatura________________________________________________________________29
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
2
FUNCIONES VECTORIALES
En el capítulo anterior, cuando describimos la recta en el espacio, utilizamos un parámetro en las ecuaciones para encontrar las coordenadas de los puntos que conforman esa recta.
cada coordenada depende de el valor que le demos al parámetro t, en otras palabras, cada una está en función de t.
¿Qué pasa si a cada punto de la recta le asignamos un vector de posición Tendríamos un vector para cada valor de t, o sea que es, a su
vez, una función de t.
Por ejemplo, para la recta con ecuaciones paramétricas , la posición de
cada uno de sus puntos esta dada por , si tabulamos dádole valores a t para encontrar algunos vectores tenemos
t punto
-2
-1
0
1
2
x
z
y
5
1 5
-3
A
E
C
D
B
Recta
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
3
la recta dada por
FUNCIÓN VECTORIAL
Cualquier función de la forma se
conoce como función vectorial, con f, g y h como funciones reales del parámetro t. ( se conocen como las funciones componentes de )
En el plano, la función vectorial es .
En el ejemplo anterior, tanto f como g y h son funciones lineales de t por ésto la grafica de es una recta. Podemos usar una función vectorial para trazar una curva y además describir su trayectoria (cómo se dibuja cuando t crece).
En otro ejemplo. Sea la función vectorial .
Si entonces y por lo
tanto . Que es la ecuación de una parábola en el plano xy.
Algunos de los vectores: , , ,
, .
La curva representada por :
¿Cómo sería la curva ? Encontremos algunos vectores:
, , , ,
. Pasa por los mismos puntos que la curva de la función anterior ¿Qué cambió? Cambia el sentido del trazo, ahora es de derecha a izquierda conforme t crece.
Para la curva definida por la función con donde
. . Sumemos los cuadrados de cada función componente de
: . La gráfica es
de un círculo de radio 1 centrado en el origen.
,
, ,
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
4
1
1
x
y
r(-2) r(2)
1
1
x
y
r(2)r(-2)
x
y
r1
r3
r2
r5r6
r7
1r0-1 r8
1
r4
círculo unitarior(t)=<cos t, sen t>
, ....
es la función de una curva en el espacio. Calculemos
algunos de sus puntos para . ( en incrementos de rad)
t
0 1.00 0.00 0.000.262 0.87 1.50 0.260.524 0.50 2.60 0.520.785 0.00 3.00 0.791.047 -0.50 2.60 1.051.309 -0.87 1.50 1.311.571 -1.00 0.00 1.571.833 -0.87 -1.50 1.832.094 -0.50 -2.60 2.092.356 0.00 -3.00 2.362.618 0.50 -2.60 2.622.880 0.87 -1.50 2.883.142 1.00 0.00 3.14
Cuando t crece de 0 a 2, la curva describe una hélice haciendo dos espirales alrededor de un cilindro elíptico, la ecuación del cilindro la podemos obtener tomando las primeras dos funciones componentes de : e ,
de donde ó
Dominio de una función vectorialEl dominio de una función vectorial es la intersección de los dominios de sus
funciones componentes. Por ejemplo, el dominio de son los
valores reales que se encuentran en el intervalo , excepto cuando .
El domino de la función es la intersección de los
dominios de , y
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
5-1-2 21/4
DfDg
Dh
t
0
Dr
donde , y , o sea que
.
Operaciones con funciones vectoriales
Sean y funciones
vectoriales y un escalar:
Suma:
Diferencia:
Múltiplo escalar:
Producto escalar:
Producto vectorial:
Límites y Continuidad
El límite de una función vectorial cuando existe solo sí existen los limites en f, g y h cuando .
Una función vectorial es continua en el punto donde siempre y cuando
el exista. es continua en el intervalo I si es continua en cada
uno de los puntos del intervalo.
Ejemplo: Determinar el intervalo ( o intervalos) en que la funciön vectorial
es continua.
Solución:
El dominio de es , es decir que t puede tomar valores
mayores o iguales a ¼ excepto el 2. Probemos los límites con t= ¼ , t= 2 y t=3:
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6
La función es continua en todo el dominio de , o sea que es continua en el intervalo y en el intervalo
Derivación de funciones vectoriales
Para derivar una función vectorial basta con derivar cada una de sus funciones componentes.
Definición: la derivada de una función vectorial se difine como
, siempre que el límite exista.
Para con f,g y h funciones derivables de t, entonces
Otras formas de notación para la derivada:
Ejemplo: sean las funciones y , hallar sus derivadas.
Solución: derivamos cada funcion componente
y
Propiedades de la derivada de funciones vectorialesSean y funciones vectoriales de t, f una función derivable de t y un escalar.
1. derivada de un múltiplo escalar
2. derivada de una suma/resta
3. derivada de un producto
4. derivada del producto escalar
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7
5. derivada del producto vectorial
6. regla de la cadena
7. si entonces
8. derivada de la norma de
9. Si entonces .Ejemplos:
Sean las funciones vectoriales y , hallar:
a.b.
c.
d.
e.
f.
g.
Solución:
a.
b.
c.
d.
e.
f.
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
8
g.
Integración de funciones vectorialesAl igual que en el caso de la derivación, para integrar una función vectorial solo es necesario integrar cada una de sus funciones componentes. Definición: sea una funcion vectorial con
continuas en el intervalo cerrado [a,b], la integral indefinida de es
mientras que la integral definida en el intervalo cerrado [a,b] de es
Cuando integramos en una integral indefinida obtenemos una constante de integración , que es un vector constante y nos sirve para diferenciar una
familia de funciones vectoriales ( las primitivas de ) tal que
ó .
Ejemplo: integrar la función vectorial
Solución:
Ejemplo: integrar la función vectorial para
Solución:
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9
Si conocemos la condición inicial de la función vectorial podemos aislar una de las primitivas de la familia de funciones que constituyen la integral definida de
tal que
Ejemplo: hallar la primitiva de sabiendo que
y que
Solución:
Si cuando , entonces , por lo
tanto es la
primitiva de que cumple con la condición inicial.
DESPLAZAMIENTO, VELOCIDAD Y ACELERACIÓN
Consideremos que la función vectorial indica la posición de un cuerpo que se mueve a lo largo de una curva en el plano o el espacio en un tiempo t. Esta
posición la relacionamos con un punto en el plano ó en el espacio
donde las coordenadas x, y, z dependen, a su vez, del tiempo t, tal que , y de manera que la posición del cuerpo esta dada por la
funciónen el plano
en el espacio
Como sabemos, la velocidad promedio es la razón de cambio de posición del cuerpo en un intervalo de tiempo. Sea el cambio de posición y el intervalo
de manera que
Velocidad promedio
Conforme hacemos que el intervalo de t
sea más corto , la velocidad
promedio se irá acercando al valor que tiene la velocidad en el instante t (velocidad instantanea).
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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y
x
r(t)P
r(t) Q
r(t+t)
r
Vector velocidad
Vector velocidad: , si existe el límite.
De la sección anterior vimos que la derivada de es ,
por lo tanto la velocidad es igual a la derivada de la función posición en el plano
en el espacio
En la figura podemos notar que el vector velocidad es tangente a la curva en el punto P. La magnitud de representa la rapidez con la que se mueve el objeto en el tiempo en el que está en la posición P. La velocidad es un vector mientras que la rapidez es un escalar.
De manera análoga que como lo hicimos con la velocidad, la aceleración es la razón de cambio de las velocidades con respecto del tiempo transcurrido. Sea
el cambio de velocidad en el intervalo tal que , la
aceleración en el punto P está dada por .
Definición de velocidad, aceleración y rapidez
Sean x, y y z funciónes derivables de t y la función posición en
el plano ó en el espacio, definimos las funciones
velocidad
aceleración
rapidez caída libre de un
“puerco”
Ejemplo: Una partícula se mueve siguiendo una trayectoria marcada por la
función .
Hallar velocidad, aceleración y rapidez para .
Solución:
Velocidad:
Aceleración:
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
11
-10-5
0
5
0
10
20
-5
0
5
-10-5
0
5
0
10
20
Rapidez:
-1
0
1
3
Ejemplo: Una partícula se mueve siguiendo una trayectoria marcada por la
función para .
Hallar velocidad, aceleración y rapidez para
.
Solución:
Velocidad:
Aceleración:
Rapidez: Trayectoria
0 6
6
6
6
6
6
6
Vectores posición y velocidad .
Ejemplo: Dibuje la trayectoria de una partícula se mueve a lo largo de una curva
plana con función y trace los vectores velocidad y
aceleración para para .Solución: derivamos para obtener las funciones velocidad y aceleración
y , evaluamos: Vectores posición , velocidad y acleración
-1
0.5
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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-3 -2 -1 1 2 3
-3
-2
-1
1
2
3
1
1
r(0)
r(/6)
r()
r(/3)
r(/2)
r(3/2)
v(0)
v(/6)
v(/4)
v(/3)
r(/4)
v(3/2)
v(/2)
1
1
-2 3 5
r(0.5)
r(3)
r(4)
-5
r(-1)
4v(-1)
8
v(0.5) v(2)
r(2)
v(3)
-1
v(4)
Trayectoria r(t)
1
-4
5
a(-1)
a
a
a
a
x
y
2
3
Notese que la aceleración es constante y hacia abajo, de manera que, conforme la partícula se mueve hacia el vértice de la parábola, la velocidad va decreciendo en magnitud y crece de nuevo conforme se aleja del vértice.En el ejemplo anterior, podemos deducir la fórmula de la parábola que describe el movimiento usando las ecuaciones paramétricas despejando t de la primera y sustituyendo en la segunda:
ecuación:
Movimiento de proyectiles – Tiro parabólico
Se denomina movimiento parabólico al realizado por un objeto cuya trayectoria describe una parábola. Se corresponde con la trayectoria ideal de un proyectil que se mueve en un medio que no ofrece resistencia al avance y que está sujeto a un campo gravitatorio uniforme. También es posible demostrar que puede ser analizado como la composición de dos movimientos rectilíneos, un movimiento rectilíneo uniforme horizontal y movimiento rectilíneo uniformemente acelerado vertical.
Supongamos ahora que se lanza un proyectil desde una posición
en un ángulo de elevación y con una velocidad inicial con magnitud . Consideremos la trayectoria del proyectil en un plano vertical xy donde el suelo está a la altura del eje x.
Despreciando fricción, velocidad del viento, etc. Consideremos la acción de la gravedad como la única fuerza, despues del impulso inicial, que actúa sobre el proyectil.
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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1
1
v0
vv
v
a
a
a
y0
altura inicial
v0 - v e lo c i d a d i n i c i a l
La fuerza de la gravedad sobre el proyectil es que, de acuerdo a la 2ª.
Ley de Newton que estipula que , tenemos entonces que la aceleración
del proyectil es igual a ( g = 32.2 pie/s2 = 9.81 m/s2).
Sea la función vectorial de la aceleración del proyectil , la función que describe su velocidad la encontramos integrando
donde es un vector que representa una velocidad constante. De las
condiciones iniciales tenemos que es la velocidad cuando , o sea que
,
La velocidad del proyectil es .
Siendo y la dirección y magnitud de , podemos describirla por sus
componentes e incluirla en la función de la velocidad
Note que la componente horizontal es constante ( no depende de t) mientras
que la componente vertical es lineal y decreciente con respecto a t ( va desacelerando ).
Para describir la trayectoria del proyectil necesitamos conocer su posición la cual obtenemos integrando la función velocidad
con como un vector de posición constante. Si la posición inicial del
proyectil es , cuando entonces
La función posición del proyectil en cualquier tiempo t es
La componente horizontal es lineal en t mientras que la componente vertical es cuadrática, lo cual explica la trayectoria parabólica.
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
14
Ejemplo: Un atleta lanza una jabalina que inicia su recorrido desde una altura de 6 pies, con una velocidad inicial de 80 pies/s en un ángulo de 40. ¿Qué altura alcanzará la jabalina?.
Si la marca mínima para calificar a la siguiente ronda es de 200 pies. ¿Alcanzara el atleta la marca con este lanzamiento?
Solución:Tomamos la punta de la jabalina como la partícula que viaja siguiendo la trayectoria que describe
la parábola. La velocidad con la que viaja tiene dos componentes, una horizontal , constante y otra vertical que nos indica que la
rapidez con la que sube va disminuyendo hasta llegar a cero (cuando alcanza la máxima altura). Podemos calcular el instante en que llega a su punto máximo resolviendo la ecuación para t.
Sustituyendo en la componente vertical de la trayectoria:
obtenemos la altura en ese instante:
Altura máxima:
Situando el origen en el suelo justo debajo de la punta de la jabalina al instante en el que inicia el recorrido. Para saber su posición con respecto al origen al momento en que alcanza la altura máxima, sustituimos en
, donde y
Cuando alcanza su máxima altura la jabalina ha recorrido horizontalmente 98.5 pies.
Alcance máximoPara calcular el punto en el que la punta de la jabalina toca el suelo usamos la componente vertical de la trayectoria. Igualándola a cero y resolviendo para t:
- La altura en ese tiempo es cero
- resolvemos y tomamos el valor positivo de t
El alcance máximo es .
Por lo tanto el lanzamiento supera la marca requerida.
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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40o
6´
Grafica de la trayectoria de la jabalina en Excel
(Categoría varonil - Record mundial 98.48 m (323.3 ft), Record Olímpico 90.17 m (296 ft)).
Ejemplo: Un cañón dispara un proyectil con una velocidad inicial de 150 m/s y lo dirige a un blanco situado sobre una loma de 30 m de alto y a 450 m de distancia horizontal (como se muestra en la figura). Calcule el ángulo de disparo
para que el proyectil impacte en el blanco.
Solución: Si queremos dar en el blanco, el proyectil
deberá estar en la posición en un cierto instante, o sea que
, despejamos t en la
ecuación 1, la sustituimos en la ecuación 2 y resolvemos para :
Utilizamos la identidad trigonométrica para obtener la ecuación
de segundo grado:
De donde existen 2 ángulos que resuelven el problema.
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30 m
450 m
El tiempo que tarda el proyectil para es
El tiempo que tarda el proyectil para es
Vectores tangentes y vectores normales
Cuando representa un movimiento de una partícula en el tiempo, el vector velocidad apunta en la dirección del movimiento y es tangente a la trayectoria, como ya lo vimos e la sección anterior.
Esta característica la podemos trasladar a cualquier curva suave donde no necesariamente t represente el tiempo. La derivada es el vector tangente a la curva.
Ejemplo: Determine la ecuación de las rectas tangente y normal a la curva C
representada por la función vectorial en el punto que
corresponde a .
Solución: La curva dada por es una parábola, que pasa por cuando
. La derivada de es , entonces
es un vector tangente a la curva C en el punto P.
La recta tangente a C en P es paralela al vector o sea que
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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angulo = 84.3
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0 100 200 300 400 500
angulo = 9.5
0
10
20
30
40
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
la ecuación de la recta tangente es . ( la pendiente es )
Para la recta normal, la pendiente es , la ecuación entonces es
.
Vector tangente unitario.
Definición: Sea C una curva suave representada por la función vectorial en
un intervalo abierto I. El vector tangente unitario en t, se define como
Ejemplo: Hallar el vector tangente unitario a la curva C dada por
en el punto que corresponde a .
Solución: La derivada de es
el vector tangente unitario es
para
El vector tangente unitario es
El punto de la curva cuando es
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18
Ejemplo: Hallar los vectores unitarios tangentes a la curva dada por la función en los puntos correspondientes a rad.
Encuentre tambien un conjunto de ecuaciones paramétricas para cada recta tangente a la curva en esos puntos.
Solución: La derivada de es
el vector tangente unitario es
vector tangente unitario
en
en
en
Rectas tangentes
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
19
Rectas tangentes a
la hélice
Vector normal principal unitario.
En el plano, hay dos vectores ortogonales al vector tangente , uno que apunta hacia adentro de la curva y otro hacia afuera.
En el espacio, existen infinidad de vectores ortogonales a , uno de ellos es el vector normal principal que se obtiene
mediante la derivada del vector (ya sabemos que si entonces
y como entonces )
Si normalizamos a obtendremos el vector normal principal unitario
Definición: Sea C una curva suave representada por la función vectorial en
un intervalo abierto I con como vector tangente unitario. Si , el vector normal principal unitario en t se define como
, si .
Ejemplo: Hallar el vector tangente unitario y el vector normal principal a la curva
C dada por en el punto que corresponde a .
Solución: La derivada de es
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T(t)2 vectores ortogonales a T en el plano
el vector tangente unitario es
para el vector tangente unitario es
La derivada de es
el vector normal principal es
para el vector normal principal es
Ejemplo: Hallar los vectores tangente unitario y normal principal a la curva C
dada por en los puntos donde .
Solución:
el vector tangente unitario es
el vector normal principal es
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21
01
1
-1
2-2
3 C
T(t)N(t)
r(t)-1 1
-1
N(t)
T(t)
x
y
1
t=0
t=/6
t=/4
t=/3
t=/2
t=
todos los vectores normales apuntan hacia el centro del círculo
Ejemplo: Hallar los vectores tangente unitario y normal principal a la curva C
dada por en los puntos donde .
Solución:
vector tangente unitario:
vector normal principal:
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
22
z
y
x
2
2
2 r(t)
T(t)
N(t)
t=0
t=/4
t=/2
t=
Los vectores normales principales de la helice
apuntan al eje z
Vector aceleración – componentes tangencial y normal
Como hemos observado en algunos de los ejemplos anteriores, el vector velocidad y el vector aceleración no siempre son ortogonales. En el caso del movimiento circular dado por , velocidad y la aceleración
son ortogonales y la rapidez es constante , esto se da
debido a que la, el vector aceleración no contribuye en nada en la dirección de la velocidad. Recordemos que si entonces .
En el problema del movimiento parabólico
vemos que la aceleración siempre es vertical ( y constante ) , mientras que la velocidad va variando su dirección el ángulo entre ambas va cambiando.
La rapidez del movimiento es variable el
vector aceleración actúa en dirección del movimiento ( positivamente, aumen-tando la velocidad o en forma negativa disminuyéndola).
r(t)-1 1
-1
N(t)
T(t)
x
y
1
t=0
t=/6
t=/4
t=/3
t=/2
t=
1
1
-2 3 5
r(0.5)
r(3)
r(4)
-5
r(-1)
4v(-1)
8
v(0.5) v(2)
r(2)
v(3)
-1
v(4)
Trayectoria r(t)
1
-4
5
a(-1)
a
a
a
a
x
y
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23
Si velocidad y aceleración no son perpendiculares entonces podemos expresar al vector aceleración como la suma de 2 vectores componentes ortogonales, uno en dirección del movimiento, paralelo a la velocidad, y por lo tanto al vector tangente unitario . La otra componente sería paralela al
vector normal principal .
Teorema: Si es el vector posición de una curva suave C y existe el
vector , entonces el vector aceleración se encuentra en el plano
determinado por y .
Las proyecciones de sobre los
vectores y son las componentes
tangencial y normal de la eceleración.
y
Componentes tangencial y normal de la aceleración
Las proyecciones de la aceleración en dirección de los vectores y
son los vectores componentes de la aceleración:
y .
El vector tangente unitario , de donde , la aceleración
es la derivada de la velocidad, o sea:
componente tangencial:
componente normal:
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24
r(t)T(t)
T(t)N(t)
N(t)
a(t)
a(t)
aT
aN
Ejemplo: Un objeto se mueve a lo largo de la trayectoria determinada por la función vectorial . Calcule su posición, velocidad, rapidez,
aceleración, , , y al instante .
Solución: Posición:
Velocidad: ;
Rapidez: ;
Vector tangente unitario: ;
Vector normal principal: ;
* según el signo de t: - sí t es positivo y + si t es negativo
Aceleración: ;
Componente tangencial:
Componente normal:
Aceleracion:
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25
x
y
1-1
a(t)
v(t)
aN
aT
N(t) T(t)
en ;
Ejemplo: Un objeto se mueve a lo largo de la trayectoria determinada por la función vectorial . Calcule su posición, velocidad,
rapidez, aceleración, y al instante .
Solución:
Posición:
Velocidad: ;
Rapidez: ( la rapidez es constante )
Aceleración: ;
Componentes de la aceleración:
( cuando la rapidez es constante los vectores y son ortogonales, , la
aceleración no contribuye en nada con el incremento/decremento de la velocidad, )
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26
LONGITUD DE ARCO Y CURVATURA
Supongamos que la función representa la trayectoria
que sigue un cuerpo en el espacio. En un instante determinado t=a sabremos la posición del móvil mediante el vector ó en t=b su nueva posición .
¿Qué pasa si lo que deseamos conocer es la distancia que recorrió desde el punto hasta siguiendo la trayectoria ?
Si el recorrido se efectuara en línea recta no habría mucho problema, solo tenemos que calcular la distancia entre los
dos puntos:
Pero sobre una trayectoria curva no es así de directo, más, si no sabemos que tantos recovecos tuvo que realizar el cuerpo para llegar de un
punto a otro.
Si partimos la curva en varios segmentos y calculamos la lon-gitud de cada uno como si fueran rectos, tendríamos una aproximación a la longitud de la curva - entre más segmentos mejor la aproximación.
Longitud de arco
Tenemos la curva con función , y queremos saber la
longitud de arco de la curva desde el punto correspondiente a t=a hasta el punto donde t=b. Tomemos un pedacito de la curva desde a
cuya longitud llamaremos . Si es muy pequeño entonces asumiremos que se comportará más como un segmento de recta.
En una recta, la distancia recorrida es igual a la rapidez multiplicada por el intervalo de tiempo.
Si sumamos todos estos pequeños intervalos tendremos una aproximación a la longitud de la curva:
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
27
y
zr(a)
r(b)
r´(a)
r(t)
D
y
z
r(a)
r(b)r´(a)
r(t)
y
x
r(a)
r(b)r´(a)
r(t)
Podemos aproximar la curva mendiante pequeños segmentos de recta
y
z
x
r(t)
r´(t)
r(t+
s
Dt)
incrementando el número de intervalos infinitamente hace que , toma-mos el límite para obtener la fórmula de longitud de arco de la curva.
Ejemplo: Calcule la longitud de arco de la curva representada por la función
desde hasta .
Solución:
,
longitud de arco
Ejemplo 2: Calcule la longitud de arco de la curva
representada por la función desde
hasta .
Solución:
,
longitud de arco
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
28
r (t)
x
y
-1 1
1
-1
arco
t=0t=
Ejemplo 3: Calcule la longitud de arco de la curva representada por la función
desde hasta .
Solución:
,
longitud de arco
Definición: Sea C una curva suave dada por en un intervalo cerrado .
Para , la función longitud de arco viene dada por
la función longitud de arco es no-negativa. Mide la distancia
sobre C desde el punto inicial hasta el
punto . La variable s se denomina
parámetro longitud de arco.
Curvatura
Curvatura es la medida de que tan rápido se comba o tuerce una curva. Por ejemplo, círculos pequeños se comban más rápido que círculos más grandes.
Definición: sea C una curva suave dada por . La curvatura de C en t está definida como
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
29
B
A
menor curvatura
mayor curvatura
z
x
y
a
t
b
C
t =
t =
Si usamos el parámetro longitud de arco s para definir la función que describe la curva C, (espacio), entonces la curvatura estaría definida como la razón de cambio del vector tangente unitario con respecto a s. Tal que
La curvatura de C en s:
Ejemplo: Calcule la curvatura de un círculo de radio R.
Solución:
Tomemos un círculo con centro en el origen y radio R dado por la función , con .
;
la curvatura del círculo de radio R es
Si en lugar de tomar el parámetro t lo hacemos con la longitud de arco s, donde
Tenemos que si entonces , por lo tanto si parametrizamos la
ecuación del círculo en función de la longitud de arco s obtenemos la función:
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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R
R
Radio grandeCurvatura pequeña
Radio chicoCurvatura grande
K=1/R
donde y
curvatura:
Ejemplo 2: Calcule la curvatura de la curva C dada por en
Solución: Tenemos que donde
,
,
sustituimos en .
M.C. Óscar Ruiz Chávez Apuntes de Cálculo III
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