49. Material en revisión: Longitud de arco en otras coordenadas (lunes 30 septiembre)

Por Mariana Perez

En coordenadas rectangulares la longitud de arco de una curva parametrizada la calculamos con la integral t0t1α(t)dt

Si α(t)=(x(t),y(t)), y α(t)=(x(t),y(t)), entonces t0t1(x(t))2+(y(t))2dt

¿Qué integral habría que calcular si la curva está en otras coordenadas?

Por ejemplo: en coordenadas polares, es decir, si conocemos r(t) y θ(t)

Entonces

x(t)=r(t)cos(θ(t))

y(t)=r(t)sin(θ(t))

Derivando

x(t)=r(t)cos(θ(t))r(t)θ(t)sin(θ(t))

y(t)=r(t)sin(θ(t))+r(t)θ(t)cos(θ(t))

Luego

(x(t))2+(y(t))2=(r(t)cos(θ(t))r(t)θ(t)sin(θ(t)))2+(r(t)sin(θ(t))+r(t)θ(t)cos(θ(t)))2=r2cos2θ(t)2r(t)r(t)θ(t)cosθ(t)sinθ(t)+r2(t)θ2(t)sin2θ(t)+r2cos2θ(t)+2r(t)r(t)θ(t)cosθ(t)sinθ(t)+r2(t)θ2(t)sin2θ(t)=(r(t))2+r2(t)(θ(t))2

Entonces t0t1(r(t))2+r2(t)(θ(t))2dt

La «notación diferencial»

ds2=dx2+dy2(dsdt)2=(dxdt)2+(dydt)2

Entonces ds=dsdtdt

En coordenadas polares

ds2=dr2+r2dθ2(dsdt)2=(drdt)2+r2(dθdt)2

Queremos que Toβ=α

T(r,θ)=(x,y)

x=rcosθ

y=rsinθ

x(t)=r(t)cosθ(t)

y(t)=r(t)sinθ(t)

La «diferencial de T» ( o derivada de T)

DT=(xrxθyryθ)

Esta matriz es la transformación lineal que asocia vectores tangentes en el plano rθ con vectores tangentes en el plano xy.

Luego DTβ=α

Entonces (xr=cosθxθ=rsinθyr=sinθyθ=rcosθ)

Entonces (cosθrsinθsinθrcosθ)(rθ)=(xy)

Luego

x=rcosθrθsinθ

y=rsinθ+rθcosθ

Para pedir la αt usamos el producto punto

αα=α2

αα=α

Si tenemos T:VW transf. lineal, y tenemos una función bilineal

b:W×WR

podemos formar otra función bilineal B, tal que B:V×VR

B(v1,v2):=b(Tv1,Tv2)

Vamos a medir el tamaño de los vectores en el plano (r,θ) no con la norma del producto punto sino con la norma de este producto escalar

B((r1,θ1),(r2,θ2))=b(DT(r1,θ1),DT(r2,θ2))=DT(r1θ1)DT(r2θ2)

(r1cosθrθ1sinθ,r1sinθ+rθ1cosθ)(r2cosθrθ2sinθ,r2sinθ+rθ2cosθ)=r1r2cos2θr1rθ2cosθsinθr2θ1sinθcosθ+r2θ1θ2sin2θ+r1r2cos2θr1rθ2cosθsinθr2θ1sinθcosθ+r2θ1θ2sin2θ=r1r2+rθ1θ2

Nueva norma para los vectores tangentes (r,θ) en el plano (r,θ) (r,θ):=r2+r2θ2

Jacobiano =|cosθsinθsinθ cosθ|=rcos2θ+rsin2θ=r

En general, si tenemos un cambio de coordenadas

x=f(u,v)

y=g(u,v)

Sus derivadas son

dxdt=xududt+xvdvdt

dydt=yududt+yvdvdt

Entonces

(dxdtdydt)=(xuxvyuyv)(dudtdvdt)

Luego

t0t1α(t)dt=t0t1(dxdt)2+(dydt)2dt=t0t1H(dudt,dvdt)dt

Longitud de arco de una curva en R3,

(*) en coordenadas cartesianas ds2=dx2+dy2+dz2

(*) en coordenadas cilíndricas ds2=dr2+rdθ2+dz2

(*) en coordenadas esféricas ds2=dr2+r2(dθ2+sin2θdφ2)

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