Curvas en el plano y en el espacio

Transcripción

1 Cpítulo 1 Curvs en el plno y en el espcio 1.1. Curvs prmetrizds Definición (Curv prmetrizd). Un curv prmetrizd diferencible α : I R n, es un plicción de clse C, donde I R es un intervlo bierto, que puede ser un semirrect o todo R. Esto signific que si α(t) = (x 1 (t),..., x n (t)), entonces ls funciones x i (t) son de clse C. L vrible t recibe el nombre de prámetro de l curv. L imgen α(i) se denomin trz de l curv. Este curso estudiremos únicmente curvs en el plno y en el espcio. Ejemplo No hy que identificr l curv (un plicción) con su trz (un subconjunto del plno o el espcio). Ls dos curvs α(t) = (sen t, cos t) y β(t) = (cos t, sen t), son diferentes y, sin embrgo tienen l mism trz (l circunferenci unidd). (sen t, cos t) (cos t, sen t) Figur 1.1: Dos curvs con un mism trz. 1

2 2 CAPÍTULO 1. CURVAS EN EL PLANO Y EN EL ESPACIO 2. L rect, en su conocid form prmétric, α(t) = (p 1 + tv 1, p 2 + tv 2, p 3 + tv 3 ) 3. Un curv no es necesrimente inyectiv, es decir, puede tener utointersecciones. Así, l curv prmetrizd α(t) = (t 3 4t, t 2 4) line Figur 1.2: Un curv puede tener utointersecciones. 4. Un curv prmetrizd no es, necesrimente diferencible; por ejemplo α(t) = (t, t ), y que t no es diferencible en t =..8 line Figur 1.3: Un curv no es, necesrimente diferencible Sin embrgo hy curvs diferencibles, cuy trz tiene picos ; por ejemplo α(t) = (t 3, t 2 ). line 1 Figur 1.4: -1 Curv diferencible, con specto engñoso Definición (Vector tngente o vector velocidd). Al vector α (t) = (x (t), y (t), z (t)) se le llm vector tngente l curv α, pr t I o vector velocidd. L velocidd es α (t). Llmremos rect tngente l curv α en el punto α(t) l rect que ps por dicho punto y tiene como vector director l vector tngente l curv en tl punto. Observemos que si α (t) = pr lgún t I, entonces no podemos clculr l rect tngente. A los puntos de l curv α cuyo vector tngente es cero, se les llm puntos singulres. En l curv del ejemplo (5) nterior, α() es un punto singulr.

3 1.1. CURVAS PARAMETRIZADAS 3 Definición (Curv regulr). Un curv prmétric diferencible α : I R 3 es un curv regulr si α (t) pr cd t I. Ejercicios Un curv cisoide es l generd por l sum de los vectores de posición de dos curvs fijs. L cisoide de Diocles es l curv generd por l diferenci entre el vector de posición de los puntos de un rect prlel l eje Y que ps por el punto (2, ) y el vector de posición de l circunferenci de rdio centrd en (, ) como muestr l figur. Encuentre un prmetrizción de dich curv. Figur 1.5: Cisoide de Diocles. 2. L epicicloide es l curv pln generd por el movimiento de un punto de un circunferenci que rued, sin deslizmiento, sobre otr circunferenci. q r P (r,) 1,16 cm 1,23 cm Figur 1.6: Epicicloide. ) Determine un prmetrizción de l epicicloide generd por un punto P un circunferenci de rdio r que que gir sobre un circunferenci de rdio r centrd en el origen, suponiendo que l posición inicil de P es (r, ). b) Supong que r = 3 y r = 1. Encuentre los puntos singulres de l curv y represéntel gráficmente.

4 4 CAPÍTULO 1. CURVAS EN EL PLANO Y EN EL ESPACIO 3. L hipocicloide es l curv pln generd por el movimiento de un punto de un circunferenci que rued, sin deslizmiento, por el interior de otr circunferenci. r 1,49 q P (r,) 1,46 Figur 1.7: Hipocicloide. 4. Un punto P de un circunferenci de rdio r en el plno XY que rued, sin deslizmiento sobre el eje X describe un curv que se llm cicloide. Obteng un prmetrizción pr l cicloide suponiendo que l Figur 1.8: Cicloide. circunferenci de rdio r prte de l posición en que su centro es el punto (, r) y que l posición de prtid de P es el origen. 5. L curv de Gergome es l curv determind por l intersección de dos cilindros perpendiculres. Sen los cilindros x 2 + (z 1) 2 = 1 y y 2 + z 2 = 1. Demuestre que α(t) = ( 2 cos t cos 2 t, sen t, cos t), con t ( π 2, π 2 ) es un prmetrizción diferencible, pero prcil de l curv de Gergome de los dos cilindros nteriores, tl que su trz contiene el punto (1,, 1). Encuentre otr prmetrizción diferencible tl que su trz conteng l punto (, 1, ) Reprmetrizciones. Longitud del rco Ejemplo Es fácil ver que ls curvs prmetrizds siguientes tienen como trz l circunferenci de centro el origen y rdio unidd: α(t) = (cos t, sen t), t R β(t) = (cos( t), sen ( t)), t R γ(t) = ( cos(t + π 2 ), sin (t + π 2 )), t R

5 1.2. REPARAMETRIZACIONES. LONGITUD DEL ARCO 5 Definición (Reprmetrizción). Se α : I R 3 un curv prmetrizd diferencible; y g : J I un difeomorfismo. Entonces l plicción β : J R 3 definid como β = α g, es clrmente un curv prmetrizd diferencible que se llm reprmetrizción de l curv α; l plicción g recibe el nombre de cmbio de prámetro Longitud del rco Se α : I R 3 un curv prmetrizd diferencible y un intervlo cerrdo [, b] I. Consideremos un prtición de dicho intervlo P = { = t < t 1 <... < t n = b}; dich prtición determin un líne (curv) poligonl inscrit en l trz de α, cuy longitud no es otr cos que (t ) 2 (t 1 ) (t 3 ) ()= (t ) (b)= (t 4 ) Figur 1.9: Un poligonl inscrit en l curv. l sum de ls longitudes de cd uno de los segmentos que l formn L b (P, α) = α(t k ) α(t k 1 ). Llmremos diámetro de un prtición P P = máx{t k t k 1 : t = 1,..., n}. Proposición Si α : I R 3 es un curv prmetrizd diferencible y [, b] I; entonces lím P L b (α, P ) = b α (t) dt. Demostrción. Vemos que pr cd ε >, existe δ > tl que si P < δ, entonces L (α, P ) α (t) dt < ε Si α(t) = (x(t), y(t), z(t)), entonces α (t) = (x (t)) 2 + (y (t)) 2 + (z (t)) 2 Por otr prte, por el teorem del vlor medio plicdo cd un de ls funciones x, y, z, tenemos que pr cd intervlo de l prtición existen k, b k, c k (t k 1, t k ) tles que x(t k ) x(t k 1 ) = x ( k )(t k t k 1 ) y(t k ) y(t k 1 ) = y (b k )(t k t k 1 ) z(t k ) z(t k 1 ) = z (c k )(t k t k 1 )

6 6 CAPÍTULO 1. CURVAS EN EL PLANO Y EN EL ESPACIO En definitiv tenemos L b (α, P ) = α(t k ) α(t k 1 ) = (x ( k ), y (b k ), z (c k )) (t k t k 1 ) Si hor considermos l integrl y plicmos el teorem del vlor intermedio, existen ξ k (t k 1, t k ), pr cd k = 1,..., n tles que Entonces tenemos b α (t) dt = L (α, P ) α (t) dt = tk t k 1 α (t) dt = α (ξ k ) (t k t k 1 ). (x ( k ), y (b k ), z (c k )) (t k t k 1 ) α (ξ k ) (t k t k 1 ) = ( (x ( k ), y (b k ), z (c k )) x (ξ k ), y (ξ k ), z (ξ k )) ) (t k t k 1 ). (1.1) Ahor podemos considerr l función f(t 1, t 2, t 3 ) = (x (t 1 )) 2 + (y (t 2 )) 2 + (z (t 3 )) 2, definid entre I 3 y R que, es clrmente continu y por tnto, uniformemente continu en el compcto [, b] 3 I 3. Esto signific que ddo ε >, existe δ > tl que si. (t 1, t 2, t 3 ), (t 1, t 2, t 3) [, b] 3 y t i t i < δ pr i = 1, 2, 3, entonces f(t 1, t 2, t 3 ) f(t 1, t 2, t 3) < ε b Por tnto si tommos un prtición P tl que P < δ, ddo que k, b k, c k, ξ k [t k 1, t k ], se cumple l condición nterior pr los puntos ( k, b k, c k ) y (ξ k, ξ k, ξ k ); y teniendo en cuent l iguldd qued Lb (α, P ) b α (t) dt n ε b ( f( k, b k, c k ) f(ξ k, ξ k, ξ k ) )(t k t k 1 ) < (t k t k 1 ) = ε. (1.2) Después de l proposición nterior podemos definir l longitud de un rco de curv del siguiente modo. Definición (Longitud del rco). Dd un curv prmetrizd diferencible α : I R 3 y un intervlo [, b] I, definimos l longitud del rco de curv α([, b]) como L b (α) = b α (t) dt.

7 1.2. REPARAMETRIZACIONES. LONGITUD DEL ARCO Curvs prmetrizds por l longitud del rco Observción Se ve fácilmente que si α (t) = 1 pr todo t I, entonces L t (α) = t, es decir l longitud del rco coincide con con l del segmento [, t]; y recíprocmente, si ocurre esto último, entonces α (t) = 1. Además si =, entonces L t (α) = t. Definición (Curv prmetrizd por l longitud del rco). Se α : I R 3 es un curv prmetrizd diferencible, diremos que dich curv está prmetrizd por l longitud del rco si α (t) = 1. Proposición Tod curv α : I R 3 prmetrizd diferencible y regulr, se puede prmetrizr por l longitud del rco. Demostrción. Ddo t I, podemos definir l función L : I : R como L(t) = L t t (α) = t t α (s) ds; l función α (s) es, en generl, únicmente continu, luego l función L es derivble con L (t) = α (t) ; pero l ser α regulr tenemos que L es de clse C y creciente, por tnto, si J = L(I), L : I J es un biyección y su invers g : J I, es de clse C, es decir, se trt de un difeomorfismo, con lo cul β = α g es un reprmentrizción de α. Vemos que β es un prmetrizción por l longitud del rco. En efecto, observemos que g(l(t)) = t, luego si derivmos g (L(t))L (t) = 1; y por tnto g (L(t)) = 1 L (t) = 1 α (t) Entonces β (s) = α (g(s))g (s) = de donde se deduce que β (s) = 1, con lo que y lo tenemos. Ejemplo α (g(s)) α (g(s)) 1. Se α(θ) = (r cos θ, r sen θ), con r >, entonces α (θ) = ( r sen θ, r cos θ) y, por tnto α (θ) = r. Entonces L(t) = rt, con lo que l invers es g(s) = s r. Entonces ( β(s) = r cos s r, r sen r ) s es un reprmetrizción por l longitud del rco. 2. Consideremos hor l curv α(t) = (t, t 2 ), entonces α (t) = (1, 2t) y por tnto α (t) = 1 + 4t 2. Entonces t L(t) = 1 + 4s2 ds = 1 (2t 4 ln + ) 1 + 4t t 1 + 4t 2, pero no podemos despejr t con lo que no podemos encontrr explícitmente l reprmetrizción por l longitud del rco. Aunque son muchos los csos en los que l prmetrizción por l longitud del rco no se puede encontrr, en nuestro estudio de ls curvs supondremos, csi siempre, que ls curvs vienen prmetrizds por l longitud del rco. Ejercicios Cuáles son los cmbios de prámetro en el ejemplo nterior? Qué ocurre con l velocidd en cd uno de ellos?

8 8 CAPÍTULO 1. CURVAS EN EL PLANO Y EN EL ESPACIO 7. Se β es un reprmetrizción de un curv prmetrizd diferencible α. ) Demuestre que β es regulr si, y sólo si α lo es. b) L rects tngentes en culquier punto coinciden. 8. Explique por qué δ(t) = (cos(t 3 ), sen(t 3 )) no es un reprmetrizción de α(t) = (cos t, sen t), t R. 9. L curv α : R R 3 definid como α(t) = ( e bt cos t, e bt sen t ) con >, b <, se llm espirl logrítmic (un curv curios y con histori). ) Clcule l función longitud del rco, pr t R, reltiv t. b) Reprmetrice est curv por l longitud del rco. c) Estudie su trz. line 1-1 Figur 1.1: Espirl logrítmic Demuestre que l longitud de un curv prmetrizd diferencible es invrinte por movimientos rígidos. 11. Si α : I R 3 es un curv prmetrizd diferencible y [, b]. Demuestre que α(b) α(b) L b (α) (Los segmentos de rect son ls curvs de menor longitud, entre ls que unen dos puntos) 12. Se α : I R 3 un curv prmetrizd diferencible. ) Si α no ps por el origen y α(t ) es el punto de l trz de α más cercno l origen y α (t ), demuestre que los vectores α(t ) y α (t ) son ortogonles. b) Si α (t) es idénticmente nul, que se puede decir sobre α? c) Si α (t) pr todo t I. Demuestre que α(t) es un constte no nul si, y sólo si α(t) y α (t) son ortogonles pr todo t I. 13. Cálcule l longitud de l cicloide correspondiente un rotción complet de l circunferenci. Prmetrice l cicloide por l longitud del rco.