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Unidad 2 curvas en r2 y ecuaciones paramétricas

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  1. 1. 1 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial CÁLCULO VECTORIAL UNIDAD 2: CURVAS EN R2 Y ECUACIONES PARAMETRICAS TERCER SEMESTRE JULIO 2015
  2. 2. 2 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Contenido 2.1 Ecuación paramétrica de la línea recta.....................................................................................3 2.2 Curvas planas............................................................................................................................5 2.3 Ecuaciones paramétricas de algunas curvas y su representación gráfica. ..............................13 2.4 Derivada de una función dada paramétricamente. ................................................................14 2.5 Coordenadas polares..............................................................................................................15 2.6 Graficación de curvas planas en coordenadas polares. ..........................................................17
  3. 3. 3 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial 2.1 Ecuación paramétrica de la línea recta. Ecuaciones de una recta en el espacio. Sea A(a1, a2, a3) un punto cualquiera del espacio tridimensional y un vector del mismo. La ecuación de la recta que pasa por el punto A y tiene la dirección del vector , puede adoptar las siguientes formas: a. Vectorial: donde son los vectores de posición (con origen en el centro de coordenadas) de un punto genérico de la recta y del punto A respectivamente, y t es un parámetro al que dando valores cualesquiera vamos obteniendo diversos de los infinitos puntos de la recta. Gráficamente la situación es la representada en la figura siguiente: b. Paramétricas: Adoptan la forma: c. Continua: d. Explícitas:
  4. 4. 4 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Que representan la recta como la intersección de dos planos en el espacio. Ecuaciones del plano en el espacio. Para determinar un plano en el espacio necesitamos conocer: 1. Un punto del mismo A y dos vectores directores linealmente independientes . 2. Tres puntos A, B y C no alineados. 3. Un punto A y un vector normal al plano. Las diferentes formas de ecuaciones del plano en el espacio afín tridimensional son: a. Vectorial: donde en la siguiente figura se observa el significado de cada uno de los elementos y p, q son dos parámetros dando valores a los cuales obtenemos sucesivos puntos del plano: b. Paramétricas: c. Implícita o general: donde el vector es perpendicular (normal) al plano. d. Segmentaría o canónica:
  5. 5. 5 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Si el plano corta a los ejes de coordenadas en los puntos A(a, 0, 0), B(0, b, 0) y C(0, 0, c), la ecuación adopta la forma: 2.2 Curvas planas. Problemas típicos de ecuaciones del plano. 1. Recta que pasa por un punto y es perpendicular a un plano. El vector normal al plano es el vector director de la recta. 2. Ecuación del plano determinado por tres puntos A, B y C: Basta tomar como base uno de los puntos, por ejemplo el A y los vectores como directores. O bien resolver el sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas (A, B y C) formado al sustituir las coordenadas del los tres puntos en la ecuación general del plano buscado, después de haber obtenido uno de los coeficientes como unidad. 3. Ecuación de un plano paralelo a otro por un punto dado: Al ser los dos planos (el dado y el buscado) paralelos, ambos tendrán el mismo vector normal, por lo que bastará escribir iguales los coeficientes A, B y C de la ecuación implícita y determinar D sustituyendo las coordenadas del punto dado. 4. Plano que contiene a una recta r y a un punto A exterior a la recta: Hallamos un punto B de r y su vector director . Entonces el punto A lo tomamos como base y los vectores como directores del plano. 5. Haz de planos secantes a una recta: Dada la recta: los infinitos planos que pasan por ella (haz de planos de arista r) son: donde para cada valor del parámetro obtenemos un plano del haz. Posiciones relativas de dos rectas.
  6. 6. 6 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Sean las rectas: Al tratar de encontrar los posibles puntos de intersección de ambas hay que resolver el sistema de 4 ecuaciones con tres incógnitas: Y según el Teorema de Rouché, teniendo en cuenta que y que , siendo A y B las matrices de los coeficientes y ampliada respectivamente, pueden ocurrir los siguientes casos: . Sistema incompatible. Las rectas se cruzan en el espacio. . Sistema compatible y determinado. Las rectas se cortan en un único punto. . Sistema incompatible. Las rectas son paralelas. . Sistema compatible e indeterminado con un grado de libertad. Las rectas son coincidentes. Ver figura:
  7. 7. 7 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Posiciones relativas de una recta y un plano. Sean la recta y el plano: Al tratar de resolver el sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas: Pueden darse los siguientes casos: . Sistema compatible y determinado. La recta y el plano se cortan en un único punto. . Sistema incompatible. La recta y el plano son paralelos. . Sistema compatible e indeterminado con un grado de libertad. La recta está contenida en el plano. Ver figura:
  8. 8. 8 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Posiciones relativas de dos planos. Sean los planos: Al tratar de resolver el sistema de dos ecuaciones con tres incógnitas: Pueden darse los siguientes casos: . Sistema compatible e indeterminado. Los planos se cortan en una recta. . Sistema incompatible. Los planos son paralelos. . Sistema compatible e indeterminado con dos grados de libertad. Los planos son coincidentes. Ver figura:
  9. 9. 9 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Posiciones relativas de tres planos. Del estudio del sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas que forman las ecuaciones implícitas de los tres planos, podemos obtener los siguientes casos: . Sistema compatible e indeterminado con 2 grados de libertad. Los 3 planos coinciden: . Sistema incompatible. Los planos son, o dos coincidentes y el otro paralelo, o los tres paralelos:
  10. 10. 10 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial . Sistema compatible e indeterminado con un grado de libertad. Los planos se cortan en una recta los tres o bien, dos son coincidentes y el otro se corta con ellos en una recta: . Sistema incompatible. Los planos pueden ser dos paralelos y otra secante a ambos o los tres formando una superficie prismática: . Sistema compatible y determinado. Los tres planos se cortan en un único punto: Distancia entre dos puntos.
  11. 11. 11 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial La distancia entre los puntos A(a1, a2, a3) y B(b1, b2, b3) es: distancia de un punto a una recta. Si A es un punto de la recta y su vector director y además P es el punto exterior, la distancia de P a r es: siendo el numerador el módulo del producto vectorial. Distancia de un punto a un plano. Sean: Y P(p1, p2, p3) La distancia entre ambos es: Distancia entre dos rectas. Si las rectas son secantes o coincidentes, su distancia es nula. Si son paralelas o se cruzan puede ocurrir: paralelas: basta calcular un punto de una de ellas y la distancia entre él y la otra. Se cruzan: Sean A y B dos puntos de r y s respectivamente y Sus vectores directores, se tiene que: Siendo el numerador el módulo del producto mixto y el denominador el módulo del producto vectorial. Distancia de una recta a un plano.
  12. 12. 12 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Es la distancia entre un punto de la recta y el plano (sólo en el caso de que ambos sean paralelos), pues en los demás casos la distancia es nula. Distancia entre dos planos. Si no son paralelos la distancia es nula. Si lo son, la distancia se calcula obteniendo un punto del primero y averiguando su distancia hasta el segundo. Ángulo de dos rectas. Si las rectas son secantes o se cruzan, el ángulo será el mismo que el formado por sus vectores directores y habrá de cumplir: Ángulo de recta y plano. Si la recta es secante al plano el ángulo que forman es el complementario del que forman el vector normal al plano y el director de la recta, esto es: Ángulo de dos planos. Si son secantes es ángulo es el mismo que formen sus vectores normales, es decir: Problemas típicos en el espacio métrico. 1. Área del paralelogramo ABCD Será: 2. Área del triángulo ABC:
  13. 13. 13 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial 3. Volumen del paralelepípedo ABCDEFGH: 4. Volumen del tetraedro ABCD: Simetrías. a. Simétrico de un punto A respecto a una recta: Hallamos el plano perpendicular a r por A Hallamos el punto M de corte de la recta con el plano. Hallamos A' con la condición de que M sea el punto medio del segmento AA'. a. Simétrico de un punto respecto a un plano: Hallar la recta r perpendicular al plano por A. Hallar el punto M de corte de r con el plano Hallar A' con la condición de que M es el punto medio del segmento AA'. 2.3 Ecuaciones paramétricas de algunas curvas y su representación gráfica. ECUACIONES PARAMÉTRICAS Si en la ecuación vectorial se sustituyen los vectores por sus coordenadas, queda así: (x, y) = (p1,p2) + t (d1,d2) Expresando por separado cada coordenada se obtiene las ecuaciones paramétricas: (x,y) son las coordenadas de un punto cualquiera desconocido de la recta (p1,p2) son las coordenadas de un punto conocido de la recta (d1,d2) son las coordenadas de un vector paralelo a la recta t es un parámetro. Para cada valor que le demos a t se obtiene un punto (x,y) de la recta.
  14. 14. 14 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial La recta queda determinada por un punto fijo P0 y un vector ^v = a^i + b^j + c^k, el conjunto de los puntos P, tales que PoP es paralelo a ^v, es decir, que satisfacen d(P0, P) = t^v para algún número real t. Si r = OP y r0 = OP son los vectores de posición de P y P0, respectivamente, entonces: P0P = t^v P0P = r – r0 r = r0 + t^v (1) Si escribimos r = (x, y ,z) y r0 = (x0, y0. z0) e igualamos los componentes en (1) tenemos, x = x0 + at; y = y0 + bt ; z = z0 + ct y éstas se denominan ecuaciones paramétricas (vea la gráfica). Si despejamos t de las ecuaciones paramétricas obtenemos las ecuaciones simétricas o estándar: (X – x0) / a = (y – y0) / b = (z – z0) / c 2.4 Derivada de una función dada paramétricamente. Derivada de la función dada paramétricamente El siguiente teorema nos proporciona las condiciones necesarias para obtener la derivada de una función dada en forma paramétrica. Teorema Sean f y g funciones derivables supongamos que f tiene una inversa derivable en ese intervalo. ^ Entonces en cada punto donde f‘(+) 0, las ecuaciones, implican que existe una función derivable F tal que , y además
  15. 15. 15 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Ejemplos: 1. Determine Solución: Por el teorema anterior se tiene que Luego: Por lo que 2. Determinar los puntos de la curva con ecuaciones en los que es cero la pendiente de la recta tangente a la curva. Solución: Recuerde que la pendiente de la recta tangente está dada por. Como entonces La pendiente de la recta tangente es cero cuando, en este caso cuando pero esta igualdad no se cumple para ningún valor real de t. Luego, no existe ningún punto de la curva dada donde la pendiente de la recta tangente sea cero. 2.5 Coordenadas polares. DEFINICION: Las Coordenadas son grupos de números que describen una posición: posición a lo largo de una línea, en una superficie o en el espacio. La latitud y longitud o la declinación y ascensión recta, son sistemas de coordenadas en la superficie de una esfera: en el globo de la Tierra o en el globo de los cielos. Las coordenadas polares. Se definen por un eje que pasa por el origen. La primera coordenada es la distancia entre el origen y el punto considerado, mientras que la segunda es el ángulo que forman el eje y la recta que pasa por ambos puntos. En muchos casos, es útil utilizar las coordenadas cartesianas para definir una función en el plano o en el espacio. Aunque en muchos otros, definir ciertas funciones en dichas coordenadas puede resultar
  16. 16. 16 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial muy complicado, hacer uso de las coordenadas polares o esféricas puede simplificarnos mucho la vida. Otra forma de determinar numéricamente un vector es indicando su intensidad y el ángulo que forma con el eje de abcisas: son las coordenadas polares de un vector. al determinar sus coordenadas cartesianas es inmediato, ya que en la figura x= r*cos(deg) y y=r*sen(deg), donde r es la intensidad del vector y deg el ángulo que forma con el eje de abcisas. Las coordenadas cartesianas (x, y) no son la única forma de designar un punto P en el plano con un par de números. Existen otras formas y pueden ser más útiles en circunstancias especiales. Un sistema (llamado de "coordenadas polares") usa la longitud r de la línea OP desde el origen hasta P y el ángulo que forma esa línea con el eje x. Los ángulos se denominan, a menudo, con letras griegas y aquí seguimos las convenciones designándolo como (f griega). Observe que mientras en el sistema cartesiano x e y tiene roles muy similares, aquí están divididos: r denota la distancia y dirección. Las dos representaciones están muy relacionadas. De las definiciones de seno y coseno: x = r cos y = r sin
  17. 17. 17 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Esto permite que (x, y) se deduzcan de las coordenadas polares. Para ir en sentido inverso y deducir (r, ) de (x, y), observe que de las ecuaciones superiores o del teorema de Pitágoras se puede deducir r: r2 = x2 + y2 Una vez que se conoce r, el resto es fácil cos = x/r sin = y/r Estas relaciones solo fallan en el origen, donde x = y = r = 0. En ese punto, indefinido y se puede escoger para él lo que uno quiera. En el espacio tridimensional, la designación cartesiana (x, y, z) es exactamente simétrica, pero algunas veces es conveniente seguir el sistema de coordenadas polares y designar la distancia y la dirección por separado. La distancia es fácil: se toma la línea OP desde el origen hasta el punto y se mide su distancia r. también puede deducirse del teorema de Pitágoras, como en este caso: r2 = x2 + y2 + z2 2.6 Graficación de curvas planas en coordenadas polares. GRAFICAS DE ECUACIONES POLARES. Veamos la siguiente gráfica:
  18. 18. 18 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial De ella podemos decir que x = rCos( ) , y = rSen( ), por tanto, podemos representar el punto P(x, y)mediante otro sistema denominado coordenadas polares que toma en cuenta la magnitud r y el ángulo , así, el punto P(x, y) lo podemos escribir como P(r, ). Coordenadas polares DEFINICION: Las Coordenadas son grupos de números que describen una posición: posición a lo largo de una línea, en una superficie o en el espacio. La latitud y longitud o la declinación y ascensión recta, son sistemas de coordenadas en la superficie de una esfera: en el globo de la Tierra o en el globo de los cielos. Las coordenadas polares.- se definen por un eje que pasa por el origen. La primera coordenada es la distancia entre el origen y el punto considerado, mientras que la segunda es el ángulo que forman el eje y la recta que pasa por ambos puntos. En muchos casos, es útil utilizar las coordenadas cartesianas para definir una función en el plano o en el espacio. Aunque en muchos otros, definir ciertas funciones en dichas coordenadas puede resultar muy complicado, hacer uso de las coordenadas polares o esféricas puede simplificarnos mucho la vida. Otra forma de determinar numéricamente un vector es indicando su intensidad y el ángulo que forma con el eje de abcisas: son las coordenadas polares de un vector. Al determinar sus coordenadas cartesianas es inmediato, ya que en la figura x= r*cos(deg) y y=r*sen(deg), donde r es la intensidad del vector y deg el ángulo que forma con el eje de abcisas. Las coordenadas cartesianas (x, y) no son la única forma de designar un punto P en el plano con un par de números. Existen otras formas y pueden ser más útiles en circunstancias especiales. Un sistema (llamado de "coordenadas polares") usa la longitud r de la línea OP desde el origen hasta P y el ángulo que forma esa línea con el eje x. Los ángulos se denominan, a menudo, con letras griegas y aquí seguimos las convenciones designándolo como (f griega). Observe que mientras en el sistema cartesiano x e y tiene roles muy similares, aquí están divididos: r denota la distancia y dirección.
  19. 19. 19 INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE TEPEACA Modalidad Mixta- Ingeniería Industrial Las dos representaciones están muy relacionadas. De las definiciones de seno y coseno: x = r cos y = r sin Esto permite que (x, y) se deduzcan de las coordenadas polares. Para ir en sentido inverso y deducir (r, ) de (x, y), observe que de las ecuaciones superiores o del teorema de Pitágoras se puede deducir r: r2 = x2 + y2 Una vez que se conoce r, el resto es fácil cos = x/r sin = y/r indefinido y se puede escoger para él lo que uno quiera. En el espacio tridimensional, la designación cartesiana (x, y, z) es exactamente simétrica, pero algunas veces es conveniente seguir el sistema de coordenadas polares y designar la distancia y la dirección por separado. La distancia es fácil: se toma la línea OP desde el origen hasta el punto y se mide su distancia r. también puede deducirse del teorema de Pitágoras, como en este caso: r2 = x2 + y2 + z2

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