Funciones f:[a,b]RRn

Por Ruben Hurtado

Introducción

Una función vectorial es una función f:RR2 ó f:RR3 de la forma
f(t)=x(t)i+y(t)j  o´  f(t)=x(t)i+y(t)j+z(t)k
donde las funciones componentes x(t), y(t) y z(t) son funciones de valor real del parámetro t. Las funciones con valores vectoriales son también escritas en forma
f(t)=(x(t),y(t)) o´ f(t)=(x(t),y(t),z(t))
En ambos casos, la primera forma de la función define una función vectorial bidimensional; la segunda forma describe una función vectorial tridimensional.

En el siguiente applet desarrollado en Geogebra, podrás manipular un parametro d, dentro de un intervalo [a,b], de tal manera que podrás observar como se va dibujando una curva en el plano.

De acuerdo al applet, el parámetro d puede estar entre dos números reales: adb. Otra posibilidad es que el valor de d tome todos los numeros reales. Las funciones de los componentes en sí mismas pueden tener restricciones de dominio que imponen restricciones en el valor de t. A menudo usamos t como parámetro porque t puede representar el tiempo.

Las rectas en el plano, las podemos pensar como un conjunto definido de la siguiente forma:
={(x,y)R2 | ax+by+c=0}
Si a0 entonces para cualquier (x,y) se tiene
x=cbya
Por tanto, a la pareja (x,y) la podemos escribir como
(cbya,y)
es decir, la podemos escribir en términos de una sola variable. Por lo que si consideramos la función f:RR2 dada por
f(t)=(cbta,t)
se cumple que f(R)=, es decir, que la imagen de la función es toda la recta.

En efecto, para cualquier elemento t en f(R) se cumple
a(cbta)+bt+c=(cbt)+bt+c=0
con lo cual concluimos f(R). Por otra parte, si (x,y), basta tomar t=y para que se cumpla
f(y)=(cbya,y)=(x,y)
con lo que concluimos que f(R) y por lo tanto f((R))=.  ◼

Con un razonamiento similar se puede probar que la circunferencia con centro en el origen y radio r, se puede describir como el conjunto
Cr={(x,y)R2 | x2+y2=r2}
y dicho conjunto se puede obtener como la imagen de la función f:RR2 dada por
f(t)=(rcos(t),rsin(t)),  t[0,2π].  ◼

Con un razonamiento similar se puede probar que la elipse, se puede describir como el conjunto
E={(x,y)R2 | x2a2+y2b2=1}
y dicho conjunto se puede obtener como la imagen de la función f:RR2 dada por
f(t)=(acos(t),bsin(t)),  t[0,2π]. ◼

En general si un subconjunto CRn es tal que coincide con la imagen de una función f:RRn, diremos que dicha función es una parametrización de C.

Definición. Sea CRn. Si existe γ=(γ1,γ2,,γn):RRn tal que γ(I)=C decimos que γ es una parametrización de C. En tal caso diremos que las ecuaciones
x1=γ1(t)x2=γ2(t)=xn=γn(t)

son unas ecuaciones paramétricas de C.

Ejemplo. Si f es la función vectorial por f(t)=(2cos(t),2sin(t)) con t[0,2π], tenemos entonces que f asocia a cada número real t en el intervalo [0,2π], un par ordenado (x,y) con x=2cost y y=2sint, que son las ecuaciones paramétricas de una circunferencia de radio 2 y centro en el origen. Asi pues la gráfica de f es una circunferencia.

Cada una de las funciones vectoriales que se dan a continuación,
define el mismo lugar geométrico o una parte de éste; sin embargo,
el sentido, el punto de partida y la rapidez de recorrido así como
la porción de la curva que se considera en cada caso varia.
f1(t)=(2cost,2sint)t[0,2π]f2(t)=(2cost,2sint)t[0,π]f3(t)=(2cos3t,2sin3t)t[0,2π]f4(t)=(2cost,2sint)t[0,π]f5(t)=(2cost,2sint)t[0,6π]f6(t)=(2cost,2sint)t[π,π]

Para una función vectorial en R3 decimos que: Si D es un conjunto de R, entonces f(t) es una función vectorial con dominio D si y sólo si, para todo tϵD
f(t)=x1(t)i+x2(t)j+x3(t)k
donde x1(t),x2(t) y x3(t) son funciones escalares con dominio D. ◼

Ejemplo. Que representa la función vectorial cuyas ecuaciones parametricas son:
f(t)=(1t21+t2,2t1+t2)

En este caso haciendo la sustitución t=tan(u2) se tiene que

1t21+t2=1tan2(u2)1+tan2(u2)=1sin2(u2)cos2(u2)1+sin2(u2)cos2(u2)=cos2(u2)sin2(u2)cos2(u2)cos2(u2)+sin2(u2)cos2(u2)=cos2(u2)sin2(u2)cos2(u2)+sin2(u2)=cos2(u2)sin2(u2)
=cos(2u2)=cos(u)
2t1+t2=2tan(u2)1+tan2(u2)=2sin(u2)cos(u2)1+sin2(u2)cos2(u2)=2sin(u2)cos(u2)cos2(u2)+sin2(u2)cos2(u2)=2sin(u2)cos(u2)=sin(2u2)=sin(u)
donde u[0,π]. Al ser
(1t21+t2)2+(2t1+t2)2=cos2(u)+sin2(u)=1 se trata de una circunferencia de radio 1 con centro en el origen. ◼

Ejemplo.Parametrización de la curva Cicloide.

Supongamos que un círculo de radio a rueda sin deslizarse a lo largo de una línea recta horizontal. Encuentre la curva descrita por un punto fijo P de su circunferencia.

Sea t el ángulo en radianes, que forma (la línea que contiene) el radio CP con la línea CR.

Nótese que OR es justamente la longitud de arco RP que es igual a at, de modo que el punto C tiene coordenadas C=(at,a). Si (x(t),y(t)) denotan las coordenadas del punto p, se tiene

x(t)=at+asin(t)

y(t)=a+acos(t)

Por lo que la cicloide se puede representar por la función f:RR2 dada por
f(t)=(at+asin(t),a+acos(t))
Si se despeja la variable t en la ecuación paramétrica, se obtendrá la forma cartesiana:
x=aarcsin(ya1)+(ya). ◼
Ejemplo. Parametrización de la curva Epicicloide.
Supongamos que un círculo de radio a rueda sin deslizarse sobre una circunferencia. Encuentre la curva descrita por un punto fijo P de su circunferencia.

De acuerdo a la siguiente figura

cos(θ)=xc1a+b xc1=(a+b)cos(θ)sin(θ)=yc1a+b yc1=(a+b)sin(θ)
También se tiene que el arco de circulo C1PB es igual al arco de circulo C2AB esto es
aθ=bϕ  abθ=ϕ
Ahora de acuerdo a la figura

θ+ϕβ=π  β=πθ+ϕ
Por lo que usando que cos es par
PC1  P(bcos(β),bsin(β))  P(bcos(θ+ϕπ),bsin(θ+ϕπ))  P(bcos(θ+ϕ),bsin(θ+ϕ))
Utilizando todo lo anterior
x=((a+b)cos(θ)bcos(θ+ϕ))y=((a+b)sin(θ)bsin(θ+ϕ))
Como abθ=ϕ tenemos
x=((a+b)cos(θ)bcos(θ+abθ))y=((a+b)sin(θ)bsin(θ+abθ))
Por lo que la Epicicloide se puede representar por la función f:RR2 dada por
f(θ)=((a+b)cos(θ)bcos(θ+abθ),(a+b)sin(θ)bsin(θ+abθ)) ◼
Ejemplo. Parametrización de la curva Hipocicloide.
Una curva hipocicloide es la trayectoria descrita por un punto P situado sobre una circunferencia que rueda sin deslizar por el interior de otra circunferencia.

De acuerdo a la siguiente figura se tiene

cos(θ)=xab x=(ab)cos(θ)sin(θ)=yab y=(ab)sin(θ)
También se tiene que el arco de circulo C1PB es igual al arco de circulo C2AB esto es
aθ=bϕ  abθ=ϕ
Ahora de acuerdo a la figura

ϕθ=abθθ
Utilizando todo lo anterior
x=((ab)cos(θ)+bcos(ϕθ)) y=((a+b)sin(θ)bsin(ϕθ))
Como abθ=ϕ tenemos
x=((ab)cos(θ)+bcos(abθθ)) y=((a+b)sin(θ)bsin(abθθ))
Por lo que la Epicicloide se puede representar por la función f:RR2 dada por
f(θ)=((ab)cos(θ)+bcos(abθθ),(ab)sin(θ)bsin(abθθ)). ◼

Funciones vectoriales f:RR3

Supongamos el espacio tridimensional R3 dotado del sistema de coordenadas (x,y,z). Una curva C parametrizada en este espacio es la representación gráfica de una función vectorial:
r(t)=(x(t),y(t),z(t))
donde t se denomina el parámetro de una curva, tR. La estructura de la
curva dependerá de las funciones x(t),y(t) y z(t).
Ejemplo. Describa la curva definida por la función vectorial r(t)=(1+t,2+5t,1+6t).

En este caso las ecuaciones paramétricas correspondiente son, x=1+t,
y=2+5t, z=1+6t o sea r(t)=(1,2,1)+t(1,5,6)
se trata de una recta que pasa por (1,2,1) y es paralela a (1,5,6).◼

Ejemplo. Dibuje la curva cuya ecuación vectorial es r(t)=2costi+sintj+tk.
En este caso, las ecuaciones paramétricas para esta curva son, x=2cost, y=sint, z=t, por lo que x/2=cost
(x2)2+y2=1 la curva se encuentra en el cilindro elíptico (x24)2+y2=1. Ya que z=t la curva forma una espiral ascendente alrededor del cilindro conforme t se incrementa

Ejemplo. Halle una función vectorial que represente la curva de la intersección del cilindro x2+y2=1 y el plano y+z=2.
En este caso la figura muestra la forma en que se cruzan, el plano y el cilindro, así mismo la figura ilustra la curva de intersección.

La proyección C sobre el plano xy es el circulo x2+y2=1, z=0, que podemos parametrizar como x=cost, y=sint, 0t2π, con base en la ecuacion del plano, tenemos que z=2y=2sint
   x=cost,  y=sint,  z=2sint,   0t2π
la ecuación vectorial correspondiente es
r(t)=costi+sintj+(2sint)k0t2π ◼

Dominio de la Función Vectorial

El dominio de una función vectorial r(t) es el conjunto de valores permitidos de t. Si r(t) se define en términos de las funciones de las componentes y no se especifica explícitamente el dominio, entonces se sobreentiende que el dominio es la intersección de los dominios naturales de las funciones de las componentes, por lo que éste recibe el nombre de dominio natural de r(t).
Sea f(t)=(x1(t)),x2(t)),,xn(t)) Rn entonces el Domf=i=1nDomxi

Ejemplo. Halle el dominio de la función vectorial
f(t)=(t2,t1,5t)

tenemos que
Six1(t)=t2entoncesDom(x1(t))={R}
Six2(t)=t1entoncesDom(x2(t))={tR | t1}
Six3(t)=5tentoncesDom(x3(t))={tR | 5t}
Por lo tanto
Dom(f(t))=Dom(x1(t)),Dom(x2(t)),Dom(x3(t))={tR | 1 t 5}. ◼

Halle el dominio de la función vectorial
f(t)=(Ln(t),tt1,et)

tenemos que
Six1(t)=Ln(t)entoncesDom(x1(t))={tR|0<t}
Six2(t)=tt1entoncesDom(x2(t))={tR|1t}
Six3(t)=etentoncesDom(x3(t))={R}
Por lo tanto
Dom(f(t))=Dom(x1(t)),Dom(x2(t)),Dom(x3(t))={tR | 0<t,t1}.◼

Graficar funciones con valores vectoriales

Recuerda que un vector plano consta de dos cantidades: dirección y magnitud. Dado cualquier punto en el plano (el punto inicial), si nos movemos en una dirección específica por una distancia específica, llegamos a un segundo punto. Esto representa el punto final de el vector. Calculamos las componentes del vector restando las coordenadas del punto inicial a las coordenadas del punto terminal.
Se considera que un vector está en posición estándar si el punto inicial se encuentra en el origen. Al graficar un valor vectorial, por lo general, representamos gráficamente los vectores en el dominio de la función en la posición estándar, porque hacerlo garantiza la unicidad de la gráfica. Esta convención se aplica también a las gráficas de funciones vectoriales tridimensionales.
La gráfica de una función vectorial de la forma r(t)=f(t)i+g(t)j consiste en el conjunto de todos (t,r(t)), y la ruta que traza se llama curva plana.

La gráfica de una función vectorial de la forma r(t)=f(t)i+g(t)j+h(t)k consiste en el conjunto de todos (t,r(t)), y el camino que traza se llama curva espacial.

Cualquier representación de una curva plana o una curva espacial utilizando un valor vectorial se denomina parametrización vectorial de la curva.

Ejemplo. Cree una gráfica de la siguiente funcion con valores vectoriales:
r(t)=4cos(t)i+3sin(t)j,   0t2π

Como con cualquier gráfico, comenzamos con una tabla de valores. Luego graficamos cada uno de los vectores en la segunda columna en posición estándar y conectamos los puntos terminales de cada vector para formar una curva. Esta curva resulta ser una elipse centrada en el origen.

Ejemplo. Cree una gráfica de la siguiente funcion con valores vectoriales:
r(t)=cos(t)i+sin(t)j+tk,   0t4π

Realizamos el mismo procedimiento para una función vectorial tridimensional.

Los valores luego se repiten, excepto por el hecho de que el coeficiente de k siempre es creciente. Esta curva se llama hélice. Observe que si se elimina la componente k, entonces la función se convierte en r(t)=cos(t)i+sin(t)j, que es un círculo unitario centrado en el origen.

Operaciones con Funciones Vectoriales

Las operaciones usuales del algebra vectorial pueden aplicarse para
combinar 2 funciones o una función vectorial con una función real.

Si f y g son funciones vectoriales y si u es una función real, teniendo todas un dominio común, definimos nuevas funciones F+G, uF y FG mediante
(F+G)(t)=F(t)+G(t)u F(t)=u(t) F(t)(FG)(t)=F(t)G(t)(F×G)(t)=F(t)×G(t) si F,GR3

Más adelante

Una vez definido el concepto de función vectorial vamos a aprender a calcular el límite de estas funciones. Cuando calculamos el límite de una sola variable basta que coincidan los límites laterales para saber que existe, pero cuando lo hacemos en más dimensiones tenemos más direcciones de aproximación.

Tarea moral

1.- Sobre la parte exterior de una circunferencia fija de radio a rueda (sin resbalar) otra circunferencia de radio b. Encuentre una función de R en R2 que describa el movimiento de un punto que se encuentre en la cicunferencia exterior.

2.- Sea RR2 la recta cuya ecuación cartesiana es ax+by+c=0 (con a2+b2>0). Muestra que si x0=(x0,y0) y x1=(x1,y1) son dos puntos diferentes que pertenecen a R entonces la función f(t):RR2 dada por f(t)=x0+t(x1x0) es una parametrización de R

3.- Halla el dominio de la siguiente función vectorial f:RR3 donde f(t)=(t2,ln(t2),4t)

4.- Dadas las funciones vectoriales f(t)=(1+t,t2), g(t)=(t,t3) halla (fg)(t)

5.- Crea la gráfica de la siguiente función vectorial r(t)=(t21)i+(2t3)j, 0t3

Enlaces

En el siguiente enlace podrás conocer algunas curvas paramétricas famosas

2 comentarios en “Funciones f:[a,b]RRn

  1. Zoe

    Hola, buenas noches.
    Estaba leyendo esta entrada y quisiera hacer un par de comentarios:
    Cuando demuestras que el conjunto l (la recta) coincide con la imagen de la función que das ahí, escribes que f(t)=l. Esta notación me confundió porque lo que quería decir en realidad que el conjunto de todos los puntos f(t) coincide con el conjunto l. En varios renglones no se hace esta distinción que me parece importante.
    En la parametrización de la curva epicicloide ¿podría haber un poco más de desarrollo en el paso donde se introduce el ángulo beta? No terminó de quedarme claro por qué se resta y da pi en vez de sumarse y que dé pi.
    En la parte del dominio de una función vectorial, creo que el dominio de la función en general está mal escrito, pues aparece que es la intersección de las funciones; yo pensaría que es la intersección de todos los dominios de cada función, por cómo se desarrolla en los ejemplos inmediatos.
    Gracias de antemano por leer estos comentarios y gracias por el útil contenido. 🙂

    Responder
    1. Leonardo Ignacio Martínez SandovalLeonardo Ignacio Martínez Sandoval

      Hola Zoe. Gracias por el comentario. Le eché un ojo y en efecto se debe decir mejor lo de la recta. Esa parte ya quedó arreglada, diciendo que f(R) es toda la recta. Quizás ese problema aparezca en otros lados, si lo encuentras, avísanos, porfa. Lo del dominio, también ya quedó mejor escrito en símbolos. De lo de la epicicloide, le aviso al Prof. Rubén Hurtado, que escribió la entrada originalmente, para que le eche un ojo.

      Responder

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