República Bolivariana de Venezuela Universidad Fermín Toro

Cabudare – Edo. Lara

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Karla Mujica

C.I: 26.820.598

OBJETIVO TERMINAL / OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Objetivo Terminal

    Diferenciar los conceptos fundamentales del sistema de coordenadas polares y el plano real en la aplicación de resolución en los problemas inherentes a la ingeniería.

Objetivos Específicos

1. Emplear el sistema de coordenadas polares.2. Convertir coordenadas polares a coordenadas rectangulares y viceversa.3. Obtener las gráficas de las ecuaciones en coordenadas polares.4. Calcular el área de una región plana en coordenadas polares.

SISTEMA DE COORDENADAS POLARES

Sistema de Coordenadas

     Un sistema de coordenadas es un conjunto de valores que permiten definir unívocamente la posición de cualquier punto de un espacio geométrico respecto de un punto denominado origen. El conjunto de ejes, puntos o planos que confluyen en el origen y a partir de los cuales se calculan las coordenadas de cualquier punto, constituyen lo que se denomina sistema de referencia.

Sistema de Coordenadas Polares

     Sistema de referencia constituido por un eje que pasa por el origen. La primera coordenada es la distancia existente entre el origen y el punto, mientras que la segunda es el ángulo que forman el eje y la recta que pasa por ambos puntos.

     Las coordenadas polares son un sistema que definen la posición de un punto en un espacio bidimensional consistente en un ángulo y una distancia.

     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 tedioso y complicado. En dichos casos, hacer uso de las coordenadas polares o esféricas puede simplificarnos la vida.

     Un sistema de coordenadas es un conjunto de valores que permiten definir unívocamente la posición de cualquier punto de un espacio geométrico respecto de un punto denominado origen. El conjunto de ejes, puntos o planos que confluyen en el origen y a partir de los cuales se calculan las coordenadas de cualquier punto constituyen lo que se denomina sistema de referencia.

     Hasta aquí hemos usado siempre coordenadas cartesianas. En ocasiones es conveniente usar otros sistemas de las mismas. Por ejemplo, en el plano podemos usar las coordenadas polares, que permiten expresar ciertas curvas en forma mucho más simple que las ecuaciones que ligan sus coordenadas cartesianas. En el espacio, en lugar de usar las cartesianas, podemos usar las coordenadas cilíndricas o  esféricas.

     En general, es posible definir muchos sistemas de coordenadas en el plano y en el espacio. Más adelante veremos cómo relacionar una curva o superficie expresada

en las cartesianas, con el mismo objeto expresado en otro sistema de las mismas. A esto lo llamamos transformación de coordenadas.

     Formado por dos ejes en el plano, tres en el espacio, mutuamente perpendiculares que se cortan en el origen. Las coordenadas de un punto cualquiera vendrán dadas por las proyecciones de la distancia entre el punto y el origen sobre cada uno de los ejes.

     Este sistema de referencia está constituido por un eje que pasa por el origen. La primera coordenada es la distancia existente entre el origen y el punto, mientras que la segunda es el ángulo que forman el eje y la recta que pasa por ambos puntos.

     Por conveniencia, comencemos con un sistema dado de coordenadas xy, tomemos después el origen como polo y el semieje no negativo de las x como eje polar. Dado el polo O y el eje polar, el punto P cuyas coordenadas polares so r y  , escritas como par ordenado ( r,  ), se localiza como sigue.

1. Encuentre el lado terminal del ángulo   dado en radianes, medido en sentido contrario de las manecillas del reloj ( si  > 0 ) a partir del semieje positivo de abscisas ( eje polar) como lado inicial.

2. Si r  0 , P estará en el lado terminal a la distancia r del origen.3. Si r < 0, el punto P estará en ei rayo opuesto al lado terminal, a la distancia |r|

= - r del polo. Se puede describir la coordenada radial r como la distancia dirigida de P al polo, sobre el lado terminal del ángulo  

4. Si r es positivo, el punto P estará en el mismo cuadrante que  .5. Si r es negativo, P estará en el cuadrante opuesto.6. Si r = 0, no importa cuál sea el ángulo   las coordenadas

polares ( 0,  ) representan al origen cualquiera que sea la coordenada angular   Por supuesto, el origen o polo es el único punto para el cual r = 0

   para ejemplos ver el archivo al final de la unidad

Conversión de Coordenadas

     La representación de un punto en el plano o el espacio, se puede hacer mediante diferentes sistemas de coordenadas. En estos momentos nos ocupan los sistemas de coordenadas rectangulares y polares.

     Es lógico pensar que existe una equivalencia entre los diferentes sistemas, en este caso nos ocuparemos de la conversión del rectangular al polar y viceversa.

     En este tópico se incluyen algunas gráficas para mostrar la ubicación de un punto en cada uno de los sistemas respectivos.

GRÁFICAS DE ECUACIONES EN COORDENADAS POLARES

   Las calculadoras dibujan gráficas de r = f (θ) al hallar el valor de f (θ) para numerosos valores de θ a intervalos espaciados regularmente, y dibujando luego los puntos resultantes (x,y).

     Usted debe ser consciente de que la apariencia de la gráfica en calculadora depende de la ventana de graficación especificada x-y, y también del rango de los valores mostrados de θ.

     Cuando se dibujan gráficas en coordenadas polares, debe identificarse algunos valores mostrados de θ correspondientes a r = 0 o donde r alcanza un máximo o un mínimo. Además, debe identificar el rango de valores de θ que producen una copia de la curva polar, cuando ésta es apropiada. Se deduce que muchas curvas familiares tienen ecuaciones polares sencillas

Gráfica de una Ecuación Polar

     La gráfica de una ecuación polar r = f(θ) es el conjunto de puntos (x,y) para los cuales               x = r cos θ , y = r sen θ y r = f (θ). En otros términos, la gráfica de una ecuación polar es una gráfica en el plano xy de todos los puntos cuyas coordenadas polares satisfacen la ecuación dada.

     Comience por dibujar dos gráficas sencillas ( y familiares). La clave para dibujar las mismas de una ecuación polar, es mantener siempre presente que representan las coordenadas polares.

     Con estos conceptos básicos de localización de puntos en el sistema de coordenadas polares, podemos graficar funciones y no sólo puntos. En este tipo de funciones la variable independiente es θ y la dependiente es r, así que las funciones son del tipo r = r(θ). El método para graficar estas funciones es el siguiente, primero graficamos la función r = r(θ) en coordenadas rectangulares y a partir de esa gráfica trazamos la correspondiente en polares. Guiándonos con la dependencia de r con respecto a θ.

     Recordemos que θ es la variable independiente y generalmente va de 0 a 2π.

    

INTERSECCIÓN DE GRÁFICAS EN COORDENADAS POLARES

   Ahora que ya conoces las coordenadas polares y observó una variedad de gráficas de las mismas, el próximo paso consiste en extender las técnicas del cálculo al caso de intersección de ecuaciones en dichas coordenadas polares, con el propósito de buscar todos los puntos de dicha intersección.

     Puesto que un punto puede representarse de formas diferentes en coordenadas polares, debe tenerse especial cuidado al determinar los puntos de intersección de dos gráficas polares, por lo que se sugiere realizar el dibujo de las ecuaciones, inclusive cuando más adelante calculemos el área de una región polar.

     De igual forma el problema de hallar los puntos de intersección de dos gráficas polares con el de encontrar los puntos de colisión de dos satélites en órbita alrededor de la tierra, dichos satélites no entrarían en colisión en tanto lleguen a los puntos de intersección en tiempos diferentes (valores de ). 

     La colisión se producirá solamente en aquellos puntos de intersección que sean "puntos simultáneos",  aquellos a los que se llega en el mismo instante (valor de 

CALCULAR EL ÁREA DE UNA REGIÓN PLANA COORDENADAS RECTANGULARES

El desarrollo de una fórmula para el área de una región polar va paralelo al de zonas en sistema de coordenadas rectangulares, pero con sectores de un círculo en lugar de rectángulos como elementos básicos de dicha área. En la figura se observa que la superficie de un sector circular de radio r viene dada por:

 Consideremos la función dada por r= f(), donde f es continua y no negativa en el intervalo   ,   . La región limitada por la gráfica para hallar el área de esta región, partimos el intervalo   ,   en n subintervalos iguales         <  <  <........<  <  = 

     A continuación aproximamos el área de la región por la suma de las mismas de los n sectores,

     Luego de haber notado el teorema anterior, podemos decir que usar la fórmula para hallar el área de una región limitada por la gráfica de una función continua no negativa. Sin embargo, no es necesariamente válida si f toma valores positivos y negativos en el intervalo   ,   .

     Algunas veces lo más difícil a la hora de hallar el área de una región polar es determinar los límites de integración. Un buen dibujo de la región puede ayudar mucho en estos casos.

ROSA DE CUATRO HOJAS/PÉTALOS

Este tipo de gráfico se conoce como Rosa de cuatro pétalos. Es fácil ver cómo se forma una figura parecida a una rosa con cuatro pétalos. La función para este gráfico es:

ROSA DE TRES HOJAS/PÉTALOS

Presentamos ahora el gráfico llamado Rosa de tres pétalos. Analógicamente al gráfico de la rosa de cuatro pétalos, este

gráfico es parecido pero tiene sólo tres hojas o pétalos en su forma gráfica. Un ejemplo es el siguiente:

ROSA DE OCHO HOJAS/PÉTALOS

El siguiente gráfico es como los dos anteriores, pero ahora con ocho hojas o pétalos, tal como lo vemos en la siguiente función graficada:

UNA ROSA DENTRO DE OTRA

Un caso interesante y especial que se puede dar es el que se muestra en la gráfica que vemos a continuación, donde se aprecia una rosa de tres pétalos precisamente dentro de otra rosa de tres pétalos u hojas. Veamos:

CARDIOIDES

A continuación se presenta el tipo de gráfico que se denomina cardioide. Para este ejemplo se presenta una cardioide simétrica con respecto al eje poplar y que apunta hacia la derecha. Podemos observar que se distingue una figura como de un corazón, razón por la cual se llama este gráfico cardioide. La función que lo ha generado es: